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第三章-飞行理论第三章：飞行理论1. 引言飞行是一项人类梦寐以求的技术和运动，飞行理论是研究飞行的基础。
本章将介绍飞行的基本原理、飞行力学和飞行稳定性的相关知识。
2. 飞行的基本原理飞行的基本原理是依靠气流对物体的支持力。
根据等速飞行原理，当飞机的前进速度恒定时，飞机所受合外力为零，飞机将保持飞行状态。
飞机的支持力、阻力、重力和动力之间存在着复杂的相互作用关系。
其中，支持力是飞机产生升力的力量，也是飞机保持飞行的关键。
阻力是空气阻力对飞机运动的阻碍，必须通过动力来克服。
重力是飞机受到的地心引力，必须通过升力来平衡。
动力是飞机产生推力的力量。
3. 飞行力学飞行力学是研究飞机在飞行过程中力的作用和变化的科学。
它主要包括静力学和动力学两个方面。
静力学研究静止或匀速直线飞行时的力学现象。
由于静态平衡，飞机在水平飞行或急流中飞行时，支持力等于重力，推力等于阻力。
动力学研究飞机在加速、转弯、起降等动态过程中的力学现象。
由于动态平衡，飞机在这些过程中需要调整支持力、阻力和推力的分配。
飞行稳定性是指飞机在各种飞行状态下维持平衡的能力。
飞行稳定性与飞机的稳定性设计密切相关，包括静态稳定性和动态稳定性。
静态稳定性是指当飞机受到外界干扰时，回到平衡飞行状态的能力。
动态稳定性是指当飞机在飞行姿态变化时，能够平稳地恢复到稳定飞行状态。
4. 飞行稳定性的保持为了保持飞行稳定性，飞机采用了多种设计和控制手段。
飞机的稳定性设计包括飞机的几何形状、重心位置和机翼安装角度等因素。
合适的几何形状和重心位置可以使飞机具有良好的静态稳定性。
机翼安装角度的调整可以改变飞机的升力和阻力特性，从而调整飞机的动态稳定性。
飞机控制系统通过控制飞机的姿态和飞行状态来维持飞行稳定性。
常见的控制系统包括方向舵、升降舵、副翼和扰流板等。
这些控制面可以通过飞行员的操纵来调整飞机的姿态和飞行状态，并保持飞行稳定性。
5. 飞行稳定性的挑战尽管飞行稳定性的设计和控制手段已经非常成熟，但飞行稳定性依然是飞行的永恒挑战。
飞行中空气动力学理论知识讲解一.概述某些因素会影响航空器的性能，如：大气、空气动力和航空器积冰等。
飞行员需正确理解这些因素，并以此为基础，较好地预测航空器对操纵动作的反应，尤其是在IFR 进近、等待以及在仪表气象条件（IMC）下减速时。
虽然这些因素对VFR 的飞行员来说也比较重要，但对于那些飞IFR 的飞行员则要求更为严格。
原因就是仪表飞行员是完全依赖仪表的显示来精确控制航空器的。
由此可见，如果飞行员要对航空器的操纵动作做出正确地判断，那么他必须首先具备扎实的空气动力学理论基础知识。
机翼为了更好地理解空气动力，飞行员需要弄明白一些与翼型相关的基础术语。
『图 2-1』为一典型翼型图。
翼弦是连接翼型前缘和后缘的一条直线，翼弦的长度（即从侧面来测量）称为弦长。
中弧线是一条由到上下翼面距离相等的点组成的弧线。
从机翼侧面看，中弧与翼弦在两端相交。
中弧线是很关键的，因为它与翼型的空气动力性能好坏直接相关。
而人们一般通过最大弧度（从弦线端点开始移动测量中弧和弦线对应点之间的距离）来有效地评估翼型的空气动力特性。
二.基础空气动力学回顾仪表飞行员不仅要深刻理解影响飞行中航空器性能的各种因素之间的关系及其不同点，还需弄清在外力变化和不同操纵情况下航空器是如何做出反应的。
为什么呢？因为一些仪表飞行环境中的固有危险是不会在目视飞行中出现的，也就是说只有仪表飞行员才会遇到这些问题。
要弄清楚如何解决这些问题，就必须提到作用在飞机上的四个力以及牛顿运动学第三定律。
『图 2-2』相对气流：相对于翼型来说气流的流动方向。
迎角（攻角）：飞行轨迹或相对气流和翼弦之间的锐角。
飞行轨迹：航空器正在或将要沿其飞行的路线或轨迹。
四个力作用在飞行中的航空器上有四个基本的作用力『图2-3』分别是：升力、重力、推力、阻力。
升力升力是作用在翼型上的空气动力合力的一个分力，它的作用方向垂直于相对气流。
相对气流是相对于翼型的气流流动方向。
升力的作用点在平均压力中心（CP），常称作升力中心。
能量机动性理论在现代战斗机中的应用作者：丁镜之李志来源：《现代职业教育.高职本科》 2016年第4期丁镜之，李志（张家界航空工业职业技术学院，湖南张家界 427000）［摘要］能量机动性理论就是在理论上对战斗机的机动性能进行分析，用二维线图的方式对战斗机的性能进行表示。
这不仅有利于研究人员分析、设计，而且还能帮助飞行员更好地理解战斗机的作战区域和性能，让飞行员对自己驾驶的飞机有更好的了解，从而提高他们的战术技术水准。
通过对X-47B进行模拟，通过飞行包线和过载包线反映飞机的性能。
［关键词］能量；机动；战斗机；飞行性能［中图分类号］G710 ［文献标志码］A ［文章编号］2096-0603（2016）10-0098-02随着战斗机的不断发展，各国对战斗机的性能研究越来越多，对战斗机的性能要求也越来越高，拥有高性能的战斗机也成了一个国家实力的体现。
能量机动性理论为研究战斗机的性能提供了极大的便利，也为战斗机性能的对比提供方便。
研究人员可以把两架或者几架战斗机的能量机动性图画在一个坐标系上。
这样就会清楚地观察到所研究战斗机的优势和劣势。
能量机动性理论可以让战斗机的性能从图表上体现出来，可以使用飞行包线、过载包线对战斗机的性能进行体现。
一、能量机动性理论的理论依据根据牛顿定律可得：总能量=势能+动能该式表示飞机每磅重量所具有的能量，由于同样是长度单位，所以也称为“能量高度”。
将上式进行微分计算，利用推力（T）和阻力（D）等另外的值时可得：Ps=v（T-D）/W …③上式，把Ps称为单位剩余功率，表示单位能量Es随时间的变化率。
也就是说，Ps表示使能量高度发生变化的指标——在这里就是飞机发动机的能力。
二、建模、网格图片和参数设置用CATIA建立模型，模型数据：主机翼前缘后掠角55°；外翼后掠角30°；机身长11.3 m；翼展17 m；机翼投影面积104 m2。
向ICEM中导入STP格式的CATIA文件，飞机外流场的尺寸为长100 m、宽20 m、高40 m 的长方体。
能量机动理论和飞行包线图 文中所述的内容都是以美国空军飞行教官伯尹德发明的能量机动理论和美国航空科技为准；如果有其他国家或其他人发明自己所谓的理论或者规范，那本文并不适用。也不要用老式战机的设计规律或者老式战机的空战方法来照套后来出现的能量机动理论。
能量机动理论并不是什么“新创”的理论，它的本质就是能量守恒定律。也就是说，能量机动理论提供了一个简化的数学公式和图表，方便的进行战机能量的计算。
现在的战斗机通过机头的探测仪器，可以探测出飞机的迎角、侧滑角等，即可计算得得到气流的方向、得到飞机的速度矢量。同时，飞机上的过载传感器也就能计算出在速度矢量上的
过载和垂直于速度矢量上的过载(这两者也可以用切向加速度和法向加速度来表示，但是由于不同资料对切向加速度和法向加速度的定义存在不同，所以这里不采用这种容易让人混淆的表示方法)。
速度矢量上的过载在这里称为(Nx)，也就是飞机是在加速还是减速。同时，在垂直于速度矢量上过载还可以进行分解，那就是侧力过载(Ny)和升力过载(Nz)。当侧滑角为0或者接近为0时，Ny为0或者接近为0；那就还剩下Nz这个升力过载。 也就是说，在忽略侧滑的情况下，着重讨论阻力和升力，速度方向过载(Nx)和升力过载(Nz)。
然后我们画一个图，在一定高度和速度下，纵坐标是角速度，也就是升力过载对应的角速度，而速度方向过载通过-200ps,-400ps等间接方式表示。这其实就是我们最常见的能量机动飞行包线图。也就是说，所谓的能量包线图的实质是表示飞机速度矢量上加速度和升力加速度两者之间的变化关系图（在一定外形、重量、高度、速度条件下）。 能量包线图上的纵坐标是盘旋角速度(Turn Rate)。 横坐标是速度，或者用马赫数(Mach)作为坐标。 由右下到左上的间距直线是转弯半径值（Turn Radius）。 由左上到右下的间距线是飞机上的过载传感器测得的升力过载（Cockpit G)，并不包含重力。 能量包线是飞机在某个高度的飞行转弯参数，不同高度包线是不同的。 可以看出来在海平面能量机动性能最好，飞行高度越高，转弯性能越差。 这段争议较大，与理解包线关系也不大，可以跳过。
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由于飞机在飞行中还会受到重力或者地面滑跑时还是地面的支持力，所以飞机实际飞行时的合力=阻力+升力+重力三者的矢量之和。
例如：一架飞机如果在飞行包线图上能飞9g过载，20度的盘旋角速度，在实际水平盘旋飞行时，升力方向的9g还要与重力的1g进行矢量相加才能得到盘旋的向心加速度。也就是说，这架飞机在真实的现实水平盘旋中，是约8g向心加速度，大概18度/秒左右。 一架飞机如果在飞行包线图上最小盘旋半径是1050英尺，过载是1.7g，在实际水平盘旋飞行时，升力方向的1.7g还要与重力的1g进行矢量相加才能得到盘旋的向心加速度。也就是说，这架飞机在真实的现实水平盘旋中，是约1.3g向心加速度，实际盘旋半径大概是1400-1500英尺。
再例如：飞机由水平盘旋改垂直向下盘旋，那向心加速度就是10g，这就是所谓的利用重力空战。如果飞机改为垂直向上盘旋，那向心加速度就只剩 8g了，此时飞机的盘旋性能减弱了。
再再例如：飞机要保持平飞，此时就必须依靠1g的升力过载，并且要垂直向上与重力1g抵消，才能保持平飞。也就是说能量飞行包线图上的保持平飞的速度不是包线的最左端（这里不考虑飞机加减速），而是包线图上1g过载的地方。也就是说，1g过载的图上显示有8度的盘旋角速度，一点都不奇怪，因为1g升力-1g重力=0，所以平飞；升力的8度盘
旋角速度-8度的重力盘旋角速度=0，所以平飞。
再再再例如：另外一种包线图，也就是剩余功率为0时的1g过载包线图上，排除飞控、机体强度等限制，最上端为何代表最高平飞高度？通过上述解释，就很容易理解了。飞行包线图上的过载是升力方向过载而不是合力的总过载。在包线图的最高点，升力过载1g-重
力1g=0，飞机就保持速度平飞了。 如果你都看懂了，那就继续。如果还没完全理解，请认真理解上面1-3楼内容后，再往下看。 能量包线图给出了一种简化了的能量换算方法。 对于推重比1左右飞机来说，阻力产生的过载可以在大约-1g至5g之间，而升力产生的过载-3g至9g。 利用飞机的剩余功率来获得向心力，也就是说迎角的大小决定了两者的转化的程度。 如果迎角小剩余功率还有剩余，但是此时的升力小，向心力不够； 如果迎角太大，剩余功率为负，向心力大，盘旋角速度大，盘旋半径小，有利于空战，但是飞机会很快减速。 而飞行员通过拉杆的大小来决定这种剩余能量转化的程度。
而狗斗的机动，实际就是飞行员通过向左或向右偏杆来控制升力的方向，前拉杆或后拉杆来控制升力的大小。而升力过载最大有9g，这是改变物体运动状态最有效的东西，它是改变飞机在空中方位、航向、距离等要素最有力的工具，以此展开各种几何的飞行动作，例如盘旋、筋斗、YOYO等。 在进一步讨论之前，前了解一些基本术语。 飞机的动作 俯仰(Pitch) -- 用升降舵控制 偏航(Yaw) -- 用方向舵控制 滚转(Roll) -- 用副翼控制 仰角 -- 仰角一般是飞机机身轴线或者机翼弦线和水平线的夹角，仰角大小主要受发动机的限制
迎角（英文：Angle of attack，缩写为AOA，常用希腊字母α表示） -- 也有把这个叫做攻角的。 飞机迎角，定义则为机轴对相对风流之夹角。当机翼向上为正迎角，向下则为负迎角。 迎角在机动作战中非常重要，可以从飞行中拉出来的尾迹来测量。
再回来看能量机动包线 Ps=0就是所谓的稳盘曲线，在这条线上面都是顺盘，也就是在其区域盘旋飞行，飞机要损
失速度或高度。 无论稳盘还是瞬盘，都能从包线中看到其最大角速度，都是能量机动。 所谓的角度机动，并非有的人所称瞬盘角速度，而应该是大迎角机动，并不在能量机动包线中。 五代机的超机动，并不是一个很明确的指标。
可以认为是“超级的机动” -- 特别优秀的能量机动参数。
也可以理解是“过失速机动”，其实就是大迎角机动。表演性质的过失速机动 （如眼镜蛇机动 ）一般并不具有实战价值。 大迎角机动可以认为是四代半机必须具有的能力。
5楼谈到能量机动时为什么一口一个“升力”，其实无论稳盘还是瞬盘，飞机都是用俯仰
(Pitch）这个动作来完成的。 不是偏航（Yaw)，所以讨论时总是在Nz这个参数上打圈圈。 从下面F22盘旋就能看出，当它想要转圈时，并不是做“偏航”这个动作，而是先打半个滚（Roll <90度)，然后拉大迎角转圈。
这个转圈时产生升力过载/法向过载 ( Load Factor/Gz) 当过载到9G时，飞行员要承受自身（包括服装、头盔等物品）9倍的重量。此过程中体内的血液会向腹部、腿脚移动，而一旦眼睛和大脑得不到充足的血液，那么很快就会出现因为缺氧而引起视力丧失，严重会而失去意识。
人体的眼睛和大脑分别有3秒、10~12秒左右的氧气储备。现代飞机都有抗G服装，但9G飞行还是非常危险。F22在加州曾经摔掉一架，就是洛马的试飞员在试飞高G时失去意识，清醒过来时飞机已无法拉起，弹射时飞机速度过快而使飞行员头部受伤致死。 对能量机动的认识误区之一——-能量机动与传统的几何空战是冲突的
懂得能量机动理论的飞行员心里进行态势分析和计算->手控制飞行杆的拉杆程度和油门大小->控制迎角的大小->控制剩余能量的转化程度->得到-3至+9g的升力过载->不同的飞行路径->几何空战。 也就是说能量机动和传统的几何机动并不矛盾，也并不冲突。而传统的几何机动可以看成是在能量机动的一个子集，也可以说几何机动是忽略或模糊能量损失（剩余功率）条件下的能量机动。
对能量机动的认识误区之二——-能量机动只是稳定盘旋，对瞬时盘旋不适用
由于某些文章的误解，例如方方的某些文章，造成某些人对能量机动有错误认识，并且误认为能量机动就是稳定盘旋，已经落后了，并自创了“角度空战”。
而实际上，能量包线图上显示的很清楚，在剩余功率为负值时(速度方向加速度为负)，就是通常所说的瞬时盘旋，并且能量包线图还把各种瞬时盘旋造成的减速效果，用准确的数值标出来了。其实对于用瞬时盘旋还是用稳定盘旋，只要懂得能量机动理论的飞行员，就可以在空战中采取最合适的方法就对了。不管是采用瞬盘还是采用稳盘，其实都是能量机动理论的管辖范围。
也就是说，在稳盘不如对方时，要用某些人发明的“角度优先空战”来试图获胜，靠瞬盘是
不可能的，靠过失速动作都难做到，需要深失速机动动作+先进的武器系统，才能做到鸽子翻身先射，而且这种机动能量损失很大，如果一击不成就会成为别人的死靶，下面讨论。 能量机动的误区之三——-F-16只是考虑稳盘没考虑瞬盘的飞机。 这个问题在误区之二已经有所讨论。要详细讨论，还得从空战说起，最简单的空战态势和动作就是进攻、防御、对等。在防御时，处于劣势的战斗机，要在最短时间内掉头。注意这个
最短时间不可能是1秒钟。也就是，不可能用30度/秒的瞬盘，因为用30度/秒的瞬盘，速度迅速降低到失速的边缘，而不可能继续进行大角度盘旋。所以采用20,22,25,26,22,16之类的瞬盘比较好，因为这样能够在5-7秒的时间转过
160-180度。也就是说最好的瞬盘是看谁能最快的转过160度，使用30度以上的瞬盘，损失能量太快，坚持不到2-3秒，其转过160度的时间还不如采用24-26度瞬盘花得少。
另外，处于进攻方的战机，也需要少量时间观察出敌机的动作，然后判断，然后攻击方再想法“切到”防御方的飞行尾迹上，这整个过程也是3-5秒的时间。
所以哪种瞬盘好，不是看其1秒钟的盘旋角速度大；而是看5秒钟左右，其盘旋角度角度大的才好。 再回到F-16上来，设计师就是基于上面的讨论，让飞控限制住F-16的最大盘旋角速度，
限制在25度左右。对于30度/秒的瞬盘，直接用飞控屏蔽掉，因为前面讨论过了，30的瞬盘效率并不高，而且容易减速过快导致航向稳定性的问题，甚至导致失速。所以F-16的飞行员做防御动作，直接拉杆到底就行了，不用担心其他问题，拉到底也最大是25度左右，这就是防御时最佳的瞬盘。所以F-16不仅考虑了瞬盘，而且考虑了最好的瞬盘，让飞行员使用。 能量机动的误区之四——-幻影2000是瞬盘最强的三代机战机。
由于在空战重量条件下，幻影2000可以到29.x的盘旋角速度，所以很多人直接推论三角翼升力系数高，瞬盘最强。实际上这是误区。 首先，讨论瞬盘，要统一条件，例如统一在9g过载限制下，还要大家在同一个速度下。对
于F-15、F-16这类三代机，高推重比、高升重比。在某些速度，不进行飞控限制，达到
