关于飞行力学的再思考
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[收稿日期] 2002-10-22[文章编号] 1009-1300(2003)02-0001-12关于飞行力学的再思考关世义(中国航天科工集团第三研究院,北京 100074)[摘 要] 对多年来国内外有关飞行力学的发展过程、研究范畴、分类,以及问题表述方式等重新进行了一些考察和思考.从学术和实践的观点,对飞行力学的体系结构和问题表述方式等进行了讨论,并提出了个人的一些看法和建议.[关键词] 力学; 静力学; 运动学; 动力学; 飞行力学; 飞行动力学; 有控飞行力学; 计算飞行力学[中图分类号] TJ760.12;V412 [文献标识码] A
1 前言作为飞行力学工作者,我们一直在从事飞行力学及其相关的研究、设计、试验以及运用研究工作.现在回顾起来,虽然在具体工作中取得了一些进展,但在专业建设方面也还存在不少问题,甚至是一些比较基本的问题.这些问题大家并不是已经搞得很清楚、很明白了,还有回过头来再思考一下的必要.例如,什么是飞行力学?什么是飞行动力学?它们之间有什么关系?也许同行们觉得提出这样简单的问题,未免有点可笑.其实不然.只要稍微浏览一下有关的专业文献和著作就不难发现,每一本书的著作者都要遇到给/飞行力学0或/飞行动力学0下定义的问题,但大家所下的定义并不都是完全一致的.本文希望从以往的工作经历中,从大量的专业文献和著作,以及有关行业标准、国家标准、辞书中,提出一些问题或疑点,对飞行力学作为一门科学,重新进行一番考察和思考,希望理顺其上下、左右的关系,或许可以进一步加深对飞行力学的理解,同时也有利于飞行力学研究的进展.2 飞行力学的定义和研究内容及其它从历史的和学术的观点来看,飞行力学的基础都是由物理学发展而来的一般力学.因此,除了研究对象比较特殊以外,飞行力学的定义、分类、研究内容、研究方法等都是与一般力学一脉相承的.在思考飞行力学时,既要考虑普遍性的矛盾,又要考虑特殊性的矛盾;既要考虑它的共性,又要考虑它的个性,使得二者有机地结合在一起.2.1 力学探源这里打算引用国内有关力学(Mechanics)的一些权威性论述.由5中国大百科全书6力学卷[1]直接引述有关力学的一些主要论点如下:#1#战术导弹技术 TacticalMissileTechnology Mar.2003,(2):01~12/力学是研究物质机械运动规律的科学.自然界物质有多种层次,从宇观的宇宙体系,宏观的天体和常规物体,细观的颗粒、纤维、晶体,到微观的分子、原子、基本粒子.通常理解的力学以研究天然的或人工的宏观对象为主.0/机械运动是物质运动的最基本的形式.0/力学,可以说是力和(机械)运动的科学.0/力学同物理学、数学等学科一样,是一门基础科学,它所阐明的规律带有普遍的性质.0/力学又是一门技术科学,它是许多工程技术的理论基础,又在广泛的应用过程中不断得到发展.0/力学可粗分为静力学、运动学和动力学三部分,静力学研究力的平衡或物体的静止问题;运动学只考虑物体怎样运动,不讨论它与所受力的关系;动力学讨论物体运动和所受力的关系.0/力学也可按所研究对象区分为固体力学、流体力学和一般力学三个分支.一般力学通常是指以质点、质点系、刚体、刚体系为研究对象的力学,有时还把抽象的动力学系统作为研究对象.0/力学也可按研究时所采用的主要手段区分为三个方面:理论分析、实验研究和数值计算.0/计算机改变了力学的面貌,也改变了力学家的思想方法.0这些观点将是本文讨论问题的基本出发点和主要依据.2.2 关于飞行力学的定义首先需要明确,飞行力学的研究对象是所有在空间运动的人工(人造)的宏观物体(飞行物体),即飞行器,其中包括各类飞机、直升机、模型飞机、无人驾驶飞行器(UAV)、遥控飞行器(RPV)、飞艇、水翼船、无控弹箭、制导兵器、导弹、人造卫星、航天飞机和其它航天器,以及一些体育运动器械,等等.它们是随着航空、航天、导弹和制导兵器技术的发展而发展起来的.由此可见,这些飞行器门类繁多,包括重于空气的,也包括轻于空气的;包括有人的,也包括无人的;包括在大气层内飞行的,也包括大气层外飞行的;包括在地球引力场内飞行的,也包括在地球引力场外飞行的,以及在行星际航行的,等等.钱学森教授很早就指出:/力学的内容不但应当包括应用力学的创始人克莱因时代的固体力学和流体力学,还应当包括弹道学、物理力学、化学流体力学、电磁流体力学(等离子体力学),而且还应当包括自动控制理论、原子能应用、工程经济理论、运动理论等.0可见,除固体力学和流体力学以外,在力学研究内容中,钱学森先生首先提到的就是弹道学.按5美国大百科全书6(TheEncyclopediaAmericana.GrolierIncorporatedVol.3,1985:111),弹道学的定义是指:弹道学是研究包括炮弹、炸弹、导弹和火箭弹等飞行器的运动和总体性能的科学;并指出外弹道学的研究包括航空和航天诸飞行器的性能[32,44].上述关于力学的定义,只要考虑到研究对象的特殊性,根据唯物辩证法中关于/普遍性的矛盾、特殊性的矛盾和个别性的矛盾0的关系,可以直接地引申到飞行力学上.于是,飞行力学(FlightMechanics)可以定义为:/飞行力学是研究飞行器总体性能、运动规律及其伴随现象的科学,是一般力学的一个分支,是飞行器设计、试验、训练和运用研究的理论基础.0依照一般力学的划分方法,飞行力学也可以粗分为三个分支(branch)或三个学科(sub-#2#战术导弹技术 TacticalMissileTechnology Mar.2003,(2)ject),即静力学(statics)、运动学(kinematics)和动力学(dynamics).静力学研究飞行器上力、力矩的平衡或飞行器的/静止0问题;运动学只考虑飞行器怎样运动,不讨论飞行器与所受力的关系;动力学讨论飞行器运动与所受力的关系.2.3 飞行力学的研究内容和研究方法2.3.1 飞行力学的研究范畴飞行力学的研究范畴可以划分为以下三个部分.#静力学问题:也有人认为静力学是动力学的特殊情况,主要研究飞行器飞行过程中的力或力矩平衡问题,例如著如的瞬时平衡假设;飞行器的匀速直线运动特性研究.#运动学问题:飞行器运动学方程的建立;飞行器从活动平台发射或起飞时,其初始条件的确定;飞行器的导引规律或制导规律研究;空间站的对接问题;卫星轨道研究;弹道导弹的自由飞行段弹道特性研究,其它导弹的运动学弹道.#动力学问题:飞行动力学主要研究飞行器的轨迹(弹道、航迹、轨道,以及飞行性能)问题、飞行器的动力学特性(动态特性)以及飞行器的飞行精度.应当指出,在飞行力学中,以上三部分内容的份量并不是一样的.通常,飞行动力学占有相当大的或主要的比重.2.3.2 飞行力学的研究方法现代飞行力学的研究方法主要有以下三种.#理论分析:通过数学方法获得问题的解析解(一般解).#实验或试验:模型风洞试验;火箭橇试验;模型飞行试验;实物飞行试验.#高速计算:定量化的数值计算和可视化的图像计算对计算机的运算速度要求很高,主要内容是CAD和仿真.2.4 飞行力学的发展根据研究对象的不同,相应建立了飞机飞行力学、直升机飞行力学、导弹飞行力学、航天器飞行力学等.随着航空、航天、兵器、自动控制和信息技术的发展,虽然飞行力学的基本力学原理未变,但从其研究内容、方法、手段、深度和广度来看,飞行力学已经从传统飞行力学发展成为有控飞行力学和计算飞行力学.2.4.1 传统飞行力学传统飞行力学主要研究低速飞行器的运动特性和飞行安全性(平衡、稳定性和操纵性)问题.这时,飞行自动控制理论和技术还处于发展初期,还没有达到实用的程度,飞行器一般是无控的或仅仅依靠人(驾驶员)来操纵.现在,这种传统的方法还可能在一些模型飞机、滑翔机等飞行器设计中应用.2.4.2 有控飞行力学第二次世界大战以后,喷气技术有了突飞猛进的进展,自动控制理论和技术日臻完善,高性能有人和无人飞行器发展迅速.这些高性能飞行器大都带有飞行自动装置或飞行控制系统,无控仅仅是有控的特殊情况.因此,现代飞行力学的研究对象是一个有控的飞行器,或有控的力学系统.有控飞行力学一方面利用自动控制的理论、观点和方法来研究飞行力学问题,把飞行器视为控制系统中的一个环节,即控制对象;另一方面,广泛采用主动控制技术(Ac-tiveControlTechnology,ACT)来改善飞行器的动力学特性,实现对飞行器的各种控制.#3#战术导弹技术 TacticalMissileTechnology Mar.2003,(2)有控飞行力学解决了现代飞行器发展中的一个带有普遍意义的、共性的问题,解决了飞行力学发展中的一个普遍性的矛盾,体现了现代飞行力学研究中起主导作用的边缘交叉的本质。因此,/有控0或/无控0就形成了现代飞行力学与传统飞行力学的重要区别.从本质上说,现代飞行力学可视为有控飞行力学.由此可见,有控飞行力学(Auto-FlightMechanics)可定义为:/有控飞行力学是在传统飞行力学基础上,利用自动控制的理论、方法和技术手段来研究有控飞行器总体性能、运动规律及其伴随现象的科学,是一般力学的一个新的分支,是现代飞行器设计、试验、训练和运用研究的理论基础.0飞行力学中的一些特殊问题,例如静不稳定问题,直接力控制问题,BTT控制问题,惯性交感问题,大迎(攻)角问题,大气紊流扰动问题,伺服气动(热)弹性问题,液体晃动问题,制导规律或导引规律问题,发射动力学、分离动力学、回收动力学问题,等等,都是飞行力学中的一些特殊性矛盾(问题)或个别性矛盾(问题),都可以在有控飞行力学的理论框架内获得解决.实践表明,只要抓住了/力学+控制0这一对基本的、主要的矛盾,其它的矛盾就可以迎刃而解.2.4.3 计算飞行力学从1946年发明第一台电子数字计算机以来,至今只有半个多世纪,计算机科学和技术已经发生了日新月异、突飞猛进的进步,这就大大改变了力学研究的面貌,因而也就大大改变了飞行力学研究的面貌.1960年左右,出现了计算力学,并首先在固体力学和流体力学中得到应用.这就预示着计算飞行力学将成为未来起主导作用的一个飞行力学分支.庄逢甘院士曾指出:/对于近代力学的非线性问题,要想得到定量的结果,非依靠电子计算机不可.0他又指出:/力学系统一般都是非线性系统,线性系统只是某种非线性系统的近似.在有些情况下,问题的解对初始条件非常敏感,因此,对较长时间后的运动状态我们就无法精确地表达出来,这种解就被称为混沌解0[22].这些论述同样为今后飞行力学的研究指明了方向.在多年工程实践的基础上,文献[21]给出了计算飞行力学(ComputationalFlightMechan-ics)的定义:/计算飞行力学是一门运用电子计算机技术、试验设计和计算数学等手段和方法,对飞行器的复杂运动及其伴随现象进行定量化和(或)可视化研究的、边缘交叉性很强的应用力学学科,是飞行力学的一个新的分支,是现代飞行器设计、试验和应用研究的有力工具.0充分利用信息时代所提供的一切可以利用的技术手段和方法为飞行力学研究服务,这就是我们的基本立足点和出发点.因此可以说,计算飞行力学是信息时代的飞行力学,是飞行力学的一个新的发展阶段.由于飞行力学与飞行器及其相关系统的设计、试验,飞行环境,以及飞行器的训练、运用等有着十分密切的关系,因此,同其它计算力学分支比较,计算飞行力学作为飞行器总体技术(系统工程学)不可分割的组成部分,具有如下一些显著特点.(1)研究对象的复杂性:飞行问题通常涉及飞行器系统及其相关分系统(特别是飞行器的制导、导航/控制系统),飞行地理环境和战场环境,人机工程,多个智能体系的协同或对抗,等等.因此,这是一个多学科交叉的问题,其中也包括固体力学和流体力学的一些问题.(2)研究问题类型广泛,其中包括飞行力学的优化设计问题(如飞行器的受控轨道问题,#4#战术导弹技术 TacticalMissileTechnology Mar.2003,(2)
