最新数学小百科之大气层飞行动力学_趣味数学

最新数学小百科之大气层飞行动力学

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研究飞行器在大气层内飞行的运动规律的学科，简称飞行力学。飞机、直升机、导弹、航天飞机、人造地球卫星和其他航天器的运载火箭等，都要在大气层中飞行。大气层飞行动力学直接为这些飞行器的总体设计服务，它对于新型飞行器的研究设计、飞行性能的改善和航天技术的发展都有重要的作用。

学科内容大气层飞行动力学所研究的问题主要是飞行器的飞行性能和飞行器的动态特性。

飞行器飞行性能与飞行器质心运动有关的问题，如飞行速度、飞行高度、航程(射程)、起飞、着陆、机动飞行、导引弹道、发射和再入大气层的航迹等。对于这类问题，可将飞行器作为一个可控质点来处理。

飞行器动态特性飞行器保持和改变飞行状态的能力，即飞行器的稳定性和操纵性(见飞行器动态特性)。对于这类问题，必须研究飞行器绕质心的旋转运动，这时应将飞行器视作质点系──刚体或弹性体来处理。

研究飞行器在大气层内飞行的这两类问题，都必须知道作用在飞行器上的外力。这些外力，除发动机推力和飞行器重力外，主要是作用在飞行器各部件上的空气动力。

相关学科大气层飞行动力学以理论力学、空气动力学、控制理论、应用数学和计算机技术作为主要的理论基础和研究工具。

研究方法分理论研究和实验研究两方面。

理论研究和数值解法飞行器在大气层内的运动规律可以用数学模型来描述，即列出飞行器的运动方程。飞行器的运动方程组由飞行器质心运动方程、绕质心转动的运动方程、质量变化方程、运动学关系式、位置和角度关系式以及控制约束方程所组成。通常，这种描述飞行器运动的数学模型是变系数、非线性微分方程组，因此大多数问题需要用数值解法才能求解。

在求解大气层飞行动力学问题时，利用某些简化的假设(如小扰动、线性化等)可以得到一些简易的解析解，这些解析解对于初步分析飞行力学问题的物理现象和物理本质是有意义的。假设飞行器无惯性，控制系统理想工作，则飞行器质心运动可以与飞行器绕质心的转动分开来研究。如果飞行器的外形和质量分布相对于它的纵向平面是对称的,飞行器原先运动在对称平面内,略去飞行器转动部件的陀螺力矩效应，则对于小扰动运动，可以将纵向运动和横侧运动分开来研究，从而使飞行器的运动分析大为简化。但是，对于飞行器的大多数运动情况，纵向和横侧运动是难以分开的。求解飞行器的运动方程组也十分困难。

计算机技术的发展，对飞行力学有很大的促进。利用电子计算机可以进行飞行航迹(弹道)和飞行性能的计算，动态特性的分析和解决大量的复杂的非线性飞行力学问题。

实验研究常用的手段有风洞实验、自由飞模型试验、飞行试验和飞行仿真器等。

①风洞实验：见风洞实验技术。

②自由飞模型试验：飞行器模型从飞机上投放或由火箭作动力发射，应用专门的记录仪器、摄影机和其他遥测、遥控设备测量模型的运动参数，并控制其飞行状态。这种试验特别适宜于研究不易在风洞中模拟的一些项目，如尾旋、颤振、舵面效率、动稳定性和气动加热等。

③飞行试验：见飞机飞行试验、火箭(导弹)飞行试验。

④飞行仿真器：又称飞行模拟器，有空中飞行模拟器和地面模拟器等。它主要用来研究飞行员和飞行器配合问题，是训练飞行员和研究飞行器操纵品质的重要设备，它对研究航天技术，如航天器再入大气层，也是一种重要研究手段。

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