概述

学科内容(飞行器飞行性能 飞行器动态特性)

研究方法(理论研究和数值解法 实验研究)

学科发展

概述

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（dynamics of atmospheric flight

）。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

①风洞实验：为获得风洞实验对象的气动特性而采取的方法和手段。要确定一个飞行器的气动特性，往往要在一个或多个风洞中进行各种模拟实验，才能获得接近实际飞行时的飞行器的气动特性。这项技术主要包括风洞实验模拟、风洞校测、模型、测量显示和实验数据处理等内容。

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：在实际的飞行环境条件下进行的各种试验。在火箭的研制过程中，初期的飞行试验是为了考核火箭的总体方案、各系统的协调性和对飞行环境的适应性。后期的飞行试验则主要是为了鉴定火箭是否达到设计指标，确定火箭的技术状态。火箭（导弹）飞行试验以遥测和外测为测量和观察手段，获取飞行时的各种信息，作为改进设计和鉴定工作的依据。

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。

学科发展

20世纪60年代以来，先后出现了下列新的课题：

①弹性飞行器飞行动力学

高速飞行器一般是薄翼的细长体的弹性结构，因此有可能产生气动力和结构弹性的相互作用，即静态和动态耦合现象。瞬时机动或阵风也会使弹性飞行器呈现动态气动弹性现象。对于大型飞行器，由于弹性弯曲振动频率较低，有可能与控制系统产生耦合作用，而导致飞行的不稳定；耦合振动甚至可能折断飞行器结构。因此研究弹性振动问题对设计新型飞行器具有重要的现实意义（见气动弹性力学）。

②大迎角非线性飞行动力学

在研究大机动、大过载飞行（如格斗弹）及大扰动（如急滚惯性耦合）时的飞行器的运动特性及其稳定性和操纵性等问题中，必须考虑运动方程的非线性和气动力的非线性影响。

③飞行力学领域中的最优化问题

随着电子数字计算机向高速、小型化发展，现代控制理论已能有效地用来解决飞行力学领域中的许多最优化问题，如飞行器飞行性能中的航程、起飞、着陆和爬升的最优化方案的选择问题；最优化拦截路线问题；火箭的最优化推力程序问题；最优化轨道问题；弹性飞行器的最优化控制问题；再入大气层的轨道选择问题。其他如利用试验数据，识别飞行性能和飞行力学的各种参数(包括气动导数)，即所谓飞行力学的逆问题也得到了发展。

④主动控制技术

70年代以来，出现了随控布局飞机，主动控制技术获得了很大发展。如为了减轻飞机重量，或降低飞机阻力，利用增稳装置来降低飞机的静稳定度要求；或利用直接升力控制来有效地操纵飞行轨迹和姿态；或利用主动控制来有效地抑制颤振，或减缓阵风的影响等。

⑤研究风切变和大气湍流的数学模型及其对飞行的影响。