第二章 飞机的基本知识
2.2 飞机的空间运动及操纵
2.2.1 飞机的基本指标
1. 飞机的机体指标：对飞机外观的描述，主要包括飞机的高度、机长和翼展；
飞机的高度：指飞机的机轮底部到飞机最高点之间的距离。
飞机的机长：指飞机最前端与其最后端之间的距离，具体分为包含空速管的长度和不包括空速管的长度两种。
翼展：飞机的翼展是指飞机两翼尖之间的最大距离。
2. 飞机的性能指标：设计指标和实际指标。
设计指标：是指在设计的初期由需求方提出的。
实际指标：是指系统实际完成并交付使用所具备的性能指标。通常性能指标指后者。
飞行速度：飞行速度是指飞机单位时间内飞机飞过的距离，分为地速和空速两种。
最大速度：飞机所能达到的最大飞行速度。
最小速度：飞机能够保持在空中飞行的最小速度。
巡航速度：飞机的飞行距离与其耗费之比是最经济的情况下的速度。
飞行高度：是指飞机相对于基准面之间的距离。
相对高度：飞机从空中到某一既定的机场地面的垂直距离。一般以飞机起飞或着陆的机场为基准定义的高度；
真实高度：是指飞机与它当时的地面目标顶端的垂直距离。
绝对高度：是指飞机从空中到海平面的垂直距离。
标准气压高度：是指飞机从空中到标准气压平面的垂直距离。航线上使用，专称：高度层或飞行高度层。
无线电高度：是指利用无线电测得的飞机与下方最高点之间的距离，基本上与真实高度相等。
修正海压高度：高度表使用当地修正海平面气压值解算并指示的高度。表示飞机到某个修正海平面气压面的垂直距离。飞机起降时使用，专称：海拔高度。
场压高度：高度表使用某机场场面气压值时解算并指示的高度。表示飞机到该场场面气压面的垂直距离。有的机场起降时使用，专称：高。
气压式高度表是通过测量飞机所在位置的静压来解算飞机所在点与所选基准面之间的高度的，而且它是根据海平面标准大气条件下，气压随高度变化的规律来制造的。但实际条件与标注条件不一致，所以高度表所指示的高度（表高）常常不等于实际的气压高（飞机所在点与高度表所选基准气压面之间的高度）——气温误差。
修正气温误差基本公式：
表高/气压高=标准条件下该高度空中气温的绝对温度值/空中实际气温的绝对温度值。
结论：空中实际温度高于标准条件时，表高度会少指；空中实际温度低于标准条件时，表高度会多指。地面温度相同的条件下，飞行高度越高，表高与气压高的误差值越大。
实际应用：在南方飞行时，气压高度表常常少指几十米甚至一百多米；在严寒的北方，气压式高度表会有多指的误差，要保持足够的安全高度。
航程：飞机从起飞到着陆，一次不间断飞行（空中不加油）所能飞行的最远距离，有时也用续航时间来表示这一指标。对于军用机而言，通常用作战半径来衡量飞机的航程。
2.2.2 描述飞机运动的几种常用坐标系
1. 地面坐标系（OdXdYdZd或OeXeYeZe）：被认为是固连于被视为平面的地球表面的坐标系。原点可以取地面上任意一点；OdXd轴指向北方；OdYd轴垂直地面指向上方；OdZd轴指向东方。
用途：通常用来描述飞机的航迹变化和飞机在空中的位置。
2.机体坐标系（OtXtYtZt或ObXbYbZb）：原点位于飞机的重心；飞机的纵轴OtXt位于飞机的对称面内，与机身的轴线一致，指向前方；飞机的立轴OtYt也处于飞机的对称面内，垂直于飞机的轴线，指向上方；飞机的横轴OtZt指向右方。
用途：利用机体坐标系和地面坐标系的位置关系可以方便的表述飞机的姿态。
3. 速度坐标系（速度轴系）OqXqYqZq：原点取在飞机的重心；OqXq轴与飞机重心轨迹的切线方向一致，正方向为重心运动瞬时速度的方向；OqYq轴处于飞机对称面内，垂直于OqXq轴，指向上方；OqZq轴由右手定则确定。
2.2.3 飞机空间运动的自由度
六个自由度：
空间位置变化的三个自由度：进退、升降、侧移。（三个线运动自由度）
飞机姿态变化的三个自由度：俯仰、滚转、偏航。（三个角运动自由度）
飞机运动的两种形式：
纵向运动：飞机对称面内的运动：进退、升降和俯仰
横向运动：非对称面内的运动：侧移、横滚、偏航
2.2.4 飞机的运动参数
1. 飞机的姿态角：反映机体轴系与地轴系之间的关系以及飞机相对地面的姿态。
俯仰角θ：机体轴与地面之间的夹角。以飞机抬头为正。
倾斜角γ：也称滚转角。机体轴与包含机体轴的铅垂面之间的夹角，规定飞机右倾为正。
偏航角φ：机体轴在地面上的投影与地轴之间的夹角，以飞机右偏航为正。
2. 飞机的气流角
飞机的气流角反映了速度轴系与机体轴系之间的关系及飞机的运动姿态。
迎角α：速度矢量在飞机对称平面内的投影与机体轴之间的夹角。以速度矢量的投影在轴之下为正。
侧滑角β：速度矢量与飞机对称平面内的夹角，以速度矢量位于对称平面之右为正。
3. 飞机的航迹角：飞机的航迹角反映了速度轴系与地轴系之间的关系，也反映了飞机真实的航迹。
航迹倾斜角θs：速度矢量与地平面之间的夹角，以飞机爬升时θs的为正。
航迹偏转角φs：速度矢量与其在地面上的投影与地轴OdXd之间的夹角，以左偏为正。
航迹滚转角γs：OqYq轴与过速度矢量并与地面垂直的平面之间的夹角，以OqYq在平面之右为正。
2.2.5 飞机的飞行
飞机之所以能够在空中飞行并完成各种复杂运动，是由于气动力及气动力矩的作用。
飞机所受的气动力包括升力、阻力和侧力，另外还有发动机的推力。
气动力矩包括俯仰力矩、滚转力矩和偏航力矩。
1. 飞机的气动力
飞机的升力：气流流过机翼表面时，上面流线变密集，下面流线稀疏，由伯努利方程可知，机翼上下表面之间存在压力差，于是产生了升力。
飞机的升力产生位置在机翼、机身和水平尾翼，但主要由机翼产生。
飞机的阻力：
零升阻力：包括摩擦阻力、压差阻力和零升波阻，这些阻力的根本原因在于气流与飞机之间存在着相对运动，与升力无关。
升致阻力：由于飞机飞行不是绝对的水平飞行，产生的升力也就不可能始终保持与气流方向垂直，产生两个分量，一个是垂直于气流的运动方向，另一个是平行于气流方向。后者一般与气流的方向相同，因此形成阻力。另外，作用在飞机上的阻力还有操纵面偏转引起的阻力。
飞机的侧力：是指与机体横轴同向的气动力，主要是由于飞机的运动与气流方向不一致、飞机带有一定的倾斜角以及飞机的方向舵和副翼偏转产生的。
2. 飞机的气动力矩
纵向气动力矩：纵向气动力矩是指飞机的俯仰力矩。
飞机在俯仰力矩的作用下发生绕机体横轴的俯仰运动。
在飞机上产生俯仰力矩的主要是飞机的升力、升降舵的偏转和飞机的俯仰运动。
升力产生的俯仰力矩：因为飞机升力的合力的作用点不在飞机的重心处，因此，就会产生相应的俯仰力矩，这也是为什么飞机在平飞时机身不水平的原因，也是在一般情况下，飞机平飞时，升降舵要偏转一定的角度，使飞机带有一定的俯仰角。
升降舵偏转产生的俯仰力矩：由于升降舵距离重心较远，所以，同样的作用力就会产生较大的俯仰力矩，这个俯仰力矩的主要作用是控制飞机的俯仰运动。
飞机俯仰产生的俯仰力矩：飞机作俯仰运动时就会改变飞机上的纵向气动力，从而导致气动力矩的变化。当飞机有俯仰运动时，同时会改变飞机的阻力，而阻力会产生阻挡飞机俯仰运动的力矩。该力矩被称为阻尼力矩，阻尼力矩是飞机是否具有纵向稳定性的原因。
横向气动力矩：横向气动力矩主要指飞机的滚转力矩和偏航力矩。
滚转力矩作用下，飞机产生绕纵轴的滚转运动；
偏航力矩作用下，飞机产生绕立轴的偏航运动。
滚转力矩的产生：主要由副翼偏转和飞机的滚转运动产生的。副翼偏转时，主要造成左右机翼升力不同，而产生滚转力矩；当飞机有滚转运动时，必然会产生一个侧向阻力，进而产生滚转力矩，该力矩也是阻尼力矩，保证飞机的滚转稳定性。
偏航力矩的产生：主要由方向舵产生。
滚转运动和偏航运动是相互关联的。控制飞机时要相互协调。而俯仰运动是独立的。
2.2.6 飞机的操纵
飞机的主要舵面有：升降舵、副翼和方向舵。
操纵这些舵面的运动主要是由驾驶杆和脚蹬来完成的。油门杆控制发动机推力的变化。
升降舵改变飞机的俯仰姿态；方向舵控制飞机的航向变化；副翼控制飞机的横滚。
各操纵量的极性定义如下：
升降舵偏转角：升降舵后缘向下偏转时产生的偏转角为正，即向前推杆产生的偏转角为正。
方向舵偏转角：方向舵后缘向右偏转时的舵偏角为正，也就是蹬右舵产生的偏转角为正。
副翼偏转角：右副翼后缘向上偏转时产生的，即右副翼向下左副翼向上为正，向右压杆为正。
正的舵面偏转角产生负的控制力矩。
油门杆：油门前推，加大油门时位移为正。
2.2.7 飞机的稳定性和操纵性
稳定性：在飞行中，飞机受到扰动而偏离原来的平衡状态，在扰动消失后不经飞行员操纵舵面而自动恢复平衡状态的特性叫飞机的稳定性。
垂直尾翼的方向稳定性
俯仰稳定力矩的产生
机翼后掠角的横侧稳定性
操纵性：飞行员用驾驶杆和脚蹬改变舵面角度，控制飞行状态称为操纵性。
纵向操纵性
横向操纵性
方向操纵性
