航天器发射技术的飞行力学基本知识

1.研究对象、内容和方法

飞行力学一般是指“大气层飞行动力学”，简称“飞行力学”。它是研究飞行器运动规律的学科，是力学的分支学科。其研究对象，从广义上讲，包括各种飞行器。但由于不同种类飞行器的飞行规律不相同，因此从狭义上讲，飞行力学又有其分支学科，如飞机飞行力学，直升机飞行力学和火箭、导弹飞行力学等。

飞行力学的研究内容可概括为两大方面，一是飞行器的飞行性能，二是飞行器的动态特性。飞行器的飞行性能是指与飞行器质心运动有关的各项参数，如飞行速度、飞行高度、航程或射程、航迹或弹道，以及起飞或发射、着陆或命中、机动飞行等。对于这类问题，可将飞行器作为一个可控质点来处理。飞行器的动态特性是指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。对于这类问题，必须研究飞行器绕质心的旋转运动，这时应将飞行器视为质点系（刚体或弹性体）来处理。

飞行力学的研究方法有理论研究和试验研究两大方面。理论研究包括数学模型的建立，即列出飞行器的运动方程组（包括质心运动方程、绕质心转动的运动方程、质量变化方程、运动学关系式、位置和角度的关系式以及控制约束方程）及其求解。大多数方程组需用数值方法求解。在少数情况下，可以简化求解（见后）。试验研究方法一般有风洞试验、自由飞模型试验、飞行试验和飞行仿真试验等。

2.飞行器的稳定性

火箭、导弹在作定态直线飞行时，被称作飞行的纵向平衡状态。此时，相对于重心的俯仰力矩Mz必为零。平衡状态有3种，即稳定平衡、不稳定平衡和中立平衡（也称随遇平衡），并由此可引出火箭、导弹飞行的稳定性与不稳定性概念。

飞行器的稳定性是指它抵制扰动影响的一种能力。常遇到的扰动因素有阵风、大气湍流、风切变和飞行器某些系统的运作（如分离系统的分离）等。处于平衡飞行状态的飞行器，当受到扰动后一般会偏离其平衡状态，致使飞行器质心的运动状态和飞行器的空间姿态有所改变。但当扰动消失后，若飞行器具有恢复到原始平衡飞行状态的能力，称飞行器具有飞行的稳定性，否则称为不稳定。

飞行器飞行稳定性的获得方法有：飞行器的气动造型、安定面的配置与质心的相应安排，以及在自动控制系统中采用稳定装置等。

图2.14所示为一种尾翼导弹具有纵向静稳定性的机理示意。图2.14（a）和（b）所示为攻角不为零的情况下，气动力矩对导弹姿态的影响。图2.14（a）中空气力矩使导弹攻角增大，导弹处于静不稳定状态，而图2.14（b）中空气力矩使导弹攻角减小，导弹处于静稳定状态。图2.14（c）～（e）给出了压心与质心相对关系对导弹静稳定性的影响。图2.14（c）中压心位于质心后，形成的气动力矩有减小攻角的趋势，因此导弹处于静稳定状态；而图2.14（d）中压心与质心重合，有攻角时不产生气动力矩，因此导弹处于中立状态；图2.14（e）中压心位于质心前，形成的气动力矩有增大攻角的趋势，因此导弹处于静不稳定状态。无尾翼式火箭弹并非必定是静不稳定的，关键的一点是压心、质心的相互位置。凡是压心在质心之后的，它就具有静稳定性，反之，它就是静不稳定的。

图2.14　导弹稳定性示意

3.飞行器的操纵性

操纵性亦称可控性，是指操纵机构的运作（用以产生力和力矩）能够比较及时地得到飞行器的响应，并按期望值改变其原来的飞行状态（如攻角α、侧滑角β、滚动角γ、弹道倾角θ等）的能力。(www.xing528.com)

欲使飞行器按预定的航迹或弹道飞行，操纵机构需适时地进行操纵。通过操纵力和力矩对飞行器进行的飞行操纵可分为质心运动的操纵（改变速度矢量的大小和方向）和相对于质心的旋转运动的操纵。产生所需操纵力和力矩的方法及其相应装置（如翼、安定面、舵、发动机等）的相互配置都取决于飞行器的总体方案，并根据其具体用途和作用原理在设计时加以选择。飞行器的操纵性分为纵向、航向和横向3种。

4.飞行器的机动性和过载

1）飞行器的机动性

飞行器能迅速改变其飞行状态的能力称为机动性，亦称机动能力。不管是一般飞行，还是作战飞行，特别是后者，机动性都是飞行器的一项重要性能，通常用飞行过程中飞行器所能产生的切向加速度和法向加速度来表征它。二者相比，法向加速度尤为重要，因为它直接涉及法向机动性，而法向机动性又直接表征飞行器的转弯性能。转弯灵活与否自然是机动性的突出表现。

法向机动性的好坏直接取决于法向控制力的大小。该力大，法向加速度就大。而法向力的产生既可来自翼面的气动力，也可来自发动机的推力，通常是两种力的合力

在实际飞行中，法向加速度是飞行器的气动力特性、质量、外形、质心位置及飞行条件（如飞行速度、飞行高度等）等的函数，所有这些因素都会影响法向机动性的好坏。

飞行器的机动性和操纵性是紧密联系的，但二者又有区别。其联系之处在于，法向操纵力的产生过程基本上就是相应操纵机构的操纵过程，无疑，操纵性好，法向操纵力就产生得快，机动性就好。其区别之处在于，二者的内涵不完全相同。操纵性讲的是操纵机构的运作是不是引发飞行器的响应，从而显现有改变飞行器飞行状态的能力；而机动性讲的是改变飞行状态的快慢问题。二者虽然都可以说是始自操纵机构的运作，并落实于飞行状态的改变，但操纵性主要着眼于有无能力，而机动性主要着眼于快慢。能力之中包含快慢的因素，快慢的实现自然都基于能力，二者的强调点不同。

2）过载

所谓过载（亦称过载系数）是指作用在飞行器上的外力合力（不包含重力）与飞行器的重量之比。由于力是一个矢量，所以过载也是一个矢量。一般用n表示过载，用N表示作用在飞行器上的外力合力，用G表示飞行器的重量，则

过载n是一个无因次量，但是一个矢量，其方向与N的方向一致。因为n是一个矢量，故可将它在任意坐标系中进行分解。

飞行器在平衡状态下作直线飞行时，是没有过载的，亦即n＝1，但当它加速度飞行时，就有过载产生，而且过载和加速度有着一一对应的关系。所以过载也可用来表征机动性的好坏。由于操纵机构有其操纵极限，而且飞行器的结构强度也是有限的，所以过载也有使用限度，称其为可用过载。一般要求飞行器的实际许用过载要小于可用过载。此外，过载的概念对于飞行器结构强度的设计以及制导系统的设计也是很有用处的，它决定着飞行器上各结构部件或仪表所承受作用力的大小。