大氣層飛行動力學(xué)

飛機、直升機、導(dǎo)彈、航天飛機、人造地球衛(wèi)星和其他航天器的運載火箭等，都要在大氣層中飛行。大氣層飛行動力學(xué)直接為這些飛行器的總體設(shè)計服務(wù)，它對于新型飛行器的研究設(shè)計、飛行性能的改善和航天技術(shù)的發(fā)展都有重要的作用。

大氣層飛行動力學(xué)所研究的問題主要是飛行器的飛行性能和飛行器的動態(tài)特性。

與飛行器質(zhì)心運動有關(guān)的問題，如飛行速度、飛行高度、航程(射程)、起飛、著陸、機動飛行、導(dǎo)引彈道、發(fā)射和再入大氣層的航跡等。對于這類問題，可將飛行器作為一個可控質(zhì)點來處理。

飛行器保持和改變飛行狀態(tài)的能力，即飛行器的穩(wěn)定性和操縱性（見飛行器動態(tài)特性）。對于這類問題，必須研究飛行器繞質(zhì)心的旋轉(zhuǎn)運動，這時應(yīng)將飛行器視作質(zhì)點系──剛體或彈性體來處理。

分理論研究和實驗研究兩方面。

飛行器在大氣層內(nèi)的運動規(guī)律可以用數(shù)學(xué)模型來描述，即列出飛行器的運動方程。飛行器的運動方程組由飛行器質(zhì)心運動方程、繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動的運動方程、 質(zhì)量變化方程、 運動學(xué)關(guān)系式、位置和角度關(guān)系式以及控制約束方程所組成。通常，這種描述飛行器運動的數(shù)學(xué)模型是變系數(shù)、非線性微分方程組，因此大多數(shù)問題需要用數(shù)值解法才能求解。

在求解大氣層飛行動力學(xué)問題時，利用某些簡化的假設(shè)（如小擾動、線性化等）可以得到一些簡易的解析解，這些解析解對于初步分析飛行力學(xué)問題的物理現(xiàn)象和物理本質(zhì)是有意義的。假設(shè)飛行器無慣性，控制系統(tǒng)理想工作，則飛行器質(zhì)心運動可以與飛行器繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動分開來研究。如果飛行器的外形和質(zhì)量分布相對于它的縱向平面是對稱的,飛行器原先運動在對稱平面內(nèi),略去飛行器轉(zhuǎn)動部件的陀螺力矩效應(yīng)，則對于小擾動運動，可以將縱向運動和橫側(cè)運動分開來研究，從而使飛行器的運動分析大為簡化。但是，對于飛行器的大多數(shù)運動情況，縱向和橫側(cè)運動是難以分開的。求解飛行器的運動方程組也十分困難。

計算機技術(shù)的發(fā)展，對飛行力學(xué)有很大的促進。利用電子計算機可以進行飛行航跡（彈道）和飛行性能的計算，動態(tài)特性的分析和解決大量的復(fù)雜的非線性飛行力學(xué)問題。

①風(fēng)洞實驗：為獲得風(fēng)洞實驗對象的氣動特性而采取的方法和手段。要確定一個飛行器的氣動特性，往往要在一個或多個風(fēng)洞中進行各種模擬實驗，才能獲得接近實際飛行時的飛行器的氣動特性。這項技術(shù)主要包括風(fēng)洞實驗?zāi)M、風(fēng)洞校測、模型、測量顯示和實驗數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容。

②自由飛模型試驗：飛行器模型從飛機上投放或由火箭作動力發(fā)射，應(yīng)用專門的記錄儀器、攝影機和其他遙測、遙控設(shè)備測量模型的運動參數(shù)，并控制其飛行狀態(tài)。這種試驗特別適宜于研究不易在風(fēng)洞中模擬的一些項目，如尾旋、顫振、舵面效率、動穩(wěn)定性和氣動加熱等。

③飛行試驗：在實際的飛行環(huán)境條件下進行的各種試驗。在火箭的研制過程中，初期的飛行試驗是為了考核火箭的總體方案、各系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性和對飛行環(huán)境的適應(yīng)性。后期的飛行試驗則主要是為了鑒定火箭是否達到設(shè)計指標，確定火箭的技術(shù)狀態(tài)。火箭（導(dǎo)彈）飛行試驗以遙測和外測為測量和觀察手段，獲取飛行時的各種信息，作為改進設(shè)計和鑒定工作的依據(jù)。

④飛行仿真器：又稱飛行模擬器，有空中飛行模擬器和地面模擬器等。它主要用來研究飛行員和飛行器配合問題，是訓(xùn)練飛行員和研究飛行器操縱品質(zhì)的重要設(shè)備，它對研究航天技術(shù)，如航天器再入大氣層，也是一種重要研究手段。

20世紀60年代以來，先后出現(xiàn)了下列新的課題：

①彈性飛行器飛行動力學(xué)

高速飛行器一般是薄翼的細長體的彈性結(jié)構(gòu)，因此有可能產(chǎn)生氣動力和結(jié)構(gòu)彈性的相互作用，即靜態(tài)和動態(tài)耦合現(xiàn)象。瞬時機動或陣風(fēng)也會使彈性飛行器呈現(xiàn)動態(tài)氣動彈性現(xiàn)象。對于大型飛行器，由于彈性彎曲振動頻率較低，有可能與控制系統(tǒng)產(chǎn)生耦合作用，而導(dǎo)致飛行的不穩(wěn)定；耦合振動甚至可能折斷飛行器結(jié)構(gòu)。因此研究彈性振動問題對設(shè)計新型飛行器具有重要的現(xiàn)實意義（見氣動彈性力學(xué)）。

②大迎角非線性飛行動力學(xué)

在研究大機動、大過載飛行（如格斗彈）及大擾動（如急滾慣性耦合）時的飛行器的運動特性及其穩(wěn)定性和操縱性等問題中，必須考慮運動方程的非線性和氣動力的非線性影響。

③飛行力學(xué)領(lǐng)域中的最優(yōu)化問題

隨著電子數(shù)字計算機向高速、小型化發(fā)展，現(xiàn)代控制理論已能有效地用來解決飛行力學(xué)領(lǐng)域中的許多最優(yōu)化問題，如飛行器飛行性能中的航程、起飛、著陸和爬升的最優(yōu)化方案的選擇問題；最優(yōu)化攔截路線問題；火箭的最優(yōu)化推力程序問題；最優(yōu)化軌道問題；彈性飛行器的最優(yōu)化控制問題；再入大氣層的軌道選擇問題。其他如利用試驗數(shù)據(jù)，識別飛行性能和飛行力學(xué)的各種參數(shù)(包括氣動導(dǎo)數(shù))，即所謂飛行力學(xué)的逆問題也得到了發(fā)展。

④主動控制技術(shù)

70年代以來，出現(xiàn)了隨控布局飛機，主動控制技術(shù)獲得了很大發(fā)展。如為了減輕飛機重量，或降低飛機阻力，利用增穩(wěn)裝置來降低飛機的靜穩(wěn)定度要求；或利用直接升力控制來有效地操縱飛行軌跡和姿態(tài)；或利用主動控制來有效地抑制顫振，或減緩陣風(fēng)的影響等。

⑤研究風(fēng)切變和大氣湍流的數(shù)學(xué)模型及其對飛行的影響。