《Fundamentals of Airplane Flight Mechanics》

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《Fundamentals of Airplane Flight Mechanics》
飞机飞行力学基础
作者：David G. Hull
The University of Texas at Austin
Aerospace Engineering and Engineering Mechanics
出版社：Springer
出版时间：2007年

《Fundamentals of Airplane Flight Mechanics》

《Fundamentals of Airplane Flight Mechanics》

《Fundamentals of Airplane Flight Mechanics》

《Fundamentals of Airplane Flight Mechanics》

目录
1 Introduction to Airplane Flight Mechanics 1
1.1 Airframe Anatomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Engine Anatomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Equations of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 Trajectory Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5 Stability and Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.6 Aircraft Sizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.7 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 3DOF Equations of Motion 16
2.1 Assumptions and Coordinate Systems . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Kinematic Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 Dynamic Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4 Weight Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5 Discussion of 3DOF Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.6 Quasi-Steady Flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.7 Three-Dimensional Flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.8 Flight over a Spherical Earth . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.9 Flight in a Moving Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3 Atmosphere, Aerodynamics, and Propulsion 43
3.1 Standard Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 Exponential Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3 Aerodynamics: Functional Relations . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4 Aerodynamics: Prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.5 Angle of Attack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.5.1 Airfoils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.5.2 Wings and horizontal tails . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.5.3 Airplanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.6 Drag Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.6.1 Friction drag coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.6.2 Wave drag coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.6.3 Induced drag coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6.4 Drag polar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.7 Parabolic Drag Polar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Table of Contents
3.8 Propulsion: Thrust and SFC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.8.1 Functional relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.8.2 Approximate formulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.9 Ideal Subsonic Airplane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4 Cruise and Climb of an Arbitrary Airplane 79
4.1 Special Flight Speeds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2 Flight Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.3 Trajectory Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.4 Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.5 Flight Envelope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.6 Quasi-steady Cruise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.7 Distance and Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.8 Cruise Point Performance for the SBJ . . . . . . . . . . . . . . 88
4.9 Optimal Cruise Trajectories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.9.1 Maximum distance cruise . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.9.2 Maximum time cruise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.10 Constant Velocity Cruise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.11 Quasi-steady Climb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.12 Climb Point Performance for the SBJ . . . . . . . . . . . . . . 98
4.13 Optimal Climb Trajectories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.13.1 Minimum distance climb . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.13.2 Minimum time climb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.13.3 Minimum fuel climb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.14 Constant Equivalent Airspeed Climb . . . . . . . . . . . . . . 105
4.15 Descending Flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5 Cruise and Climb of an Ideal Subsonic Airplane 108
5.1 Ideal Subsonic Airplane (ISA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.2 Flight Envelope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.3 Quasi-steady Cruise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.4 Optimal Cruise Trajectories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.4.1 Maximum distance cruise . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.4.2 Maximum time cruise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.4.3 Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.5 Constant Velocity Cruise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.6 Quasi-steady Climb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.7 Optimal Climb Trajectories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
x Table  of  Contents
5.7.1 Minimum distance climb . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.7.2 Minimum time climb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.7.3 Minimum fuel climb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.8 Climb at Constant Equivalent Airspeed . . . . . . . . . . . . . 122
5.9 Descending Flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6 Take-off and Landing 128
6.1 Take-off and Landing Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.2 High-lift Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.3 Aerodynamics of High-Lift Devices . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.4
CLF ,
CDF , and CLmax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.5 Ground Run . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.5.1 Take-off ground run distance . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.5.2 Landing ground run distance . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.6 Transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.6.1 Take-off transition distance . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.6.2 Landing transition distance . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.7 Sample Calculations for the SBJ . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
6.7.1 Flap aerodynamics: no slats, single-slotted flaps . . . . 146
6.7.2 Take-off aerodynamics: F = 20 deg . . . . . . . . . . . 147
6.7.3 Take-off distance at sea level: F = 20 deg . . . . . . . 147
6.7.4 Landing aerodynamics: F = 40 deg . . . . . . . . . . 147
6.7.5 Landing distance at sea level: F = 40 deg . . . . . . . 148
7 PS and Turns 161
7.1 Accelerated Climb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
7.2 Energy Climb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
7.3 The PS Plot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
7.4 Energy Maneuverability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
7.5 Nonsteady, Constant Altitude Turns . . . . . . . . . . . . . . 167
7.6 Quasi-Steady Turns: Arbitrary Airplane . . . . . . . . . . . . 171
7.7 Flight Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
7.8 Quasi-steady Turns: Ideal Subsonic Airplane . . . . . . . . . . 178
8 6DOF Model: Wind Axes 185
8.1 Equations of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
8.2 Aerodynamics and Propulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
8.3 Airfoils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
Table of  Contents ix
8.4 Wings and Horizontal Tails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
8.5 Downwash Angle at the Horizontal Tail . . . . . . . . . . . . . 194
8.6 Control Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
8.7 Airplane Lift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
8.8 Airplane Pitching Moment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.8.1 Aerodynamic pitching moment . . . . . . . . . . . . . 202
8.8.2 Thrust pitching moment . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
8.8.3 Airplane pitching moment . . . . . . . . . . . . . . . . 205
8.9 Q Terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
8.10 ˙ Terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
8.11 Airplane Drag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
8.12 Trimmed Drag Polar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
9 Static Stability and Control 211
9.1 Longitudinal Stability and Control . . . . . . . . . . . . . . . 212
9.2 Trim Conditions for Steady Flight . . . . . . . . . . . . . . . . 213
9.3 Static Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
9.4 Control Force and Handling Qualities . . . . . . . . . . . . . . 218
9.5 Trim Tabs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
9.6 Trim Conditions for a Pull-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
9.7 Lateral-Directional Stability and Control . . . . . . . . . . . . 224
10 6DOF Model: Body Axes 228
10.1 Equations of Motion: Body Axes . . . . . . . . . . . . . . . . 228
10.1.1 Translational kinematic equations . . . . . . . . . . . . 229
10.1.2 Translational dynamic equations . . . . . . . . . . . . . 230
10.1.3 Rotational kinematic and dynamic equations . . . . . . 231
10.1.4 Mass equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
10.1.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
10.2 Equations of Motion: Stability Axes . . . . . . . . . . . . . . . 233
10.3 Flight in a Moving Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
11 Dynamic Stability and Control 237
11.1 Equations of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
11.2 Linearized Equations of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
11.3 Longitudinal Stability and Control . . . . . . . . . . . . . . . 247
11.4 Response to an Elevator Step Input . . . . . . . . . . . . . . . 248
11.4.1 Approximate short-period mode . . . . . . . . . . . . . 252
xii Table  of  Contents
11.4.2 Approximate phugoid mode . . . . . . . . . . . . . . . 253
11.5 Response to a Gust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
11.6 CG Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
11.7 Dynamic Lateral-Directional S&C . . . . . . . . . . . . . . . . 257
A SBJ Data and Calculations
A.1 Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.2 Flight Conditions for Aerodynamic and S&C Calculations .
A.3 Aerodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.4 Static Longitudinal S&C, Trim Conditions . . . . . . . . . .
A.5 Dynamic Longitudinal S&C . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B Reference Conditions and Stability Derivatives
C Elements of Linear System Theory
C.1 Laplace Transforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.2 First-Order System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.3 Second-Order System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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