Helicopter Flight Dynamics

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出版者:Blackwell Pub
作者:Padfield, Gareth D.
出品人:
页数:680
译者:
出版时间:2007-6
价格:1120.00 元
装帧:HRD
isbn号码:9781405118170
丛书系列:
图书标签:
  • 飞行器动力学
  • 直升机
  • 飞行控制
  • 气动学
  • 结构力学
  • 建模
  • 仿真
  • MATLAB
  • 工程应用
  • 航空航天
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具体描述

The behaviour of helicopters is so complex that understanding the physical mechanisms at work in trim, stability and response, and thus the prediction of Flying Qualities, requires a framework of analytical and numerical modelling and simulation. Good Flying Qualities are vital for ensuring that mission performance is achievable with safety and, in the first edition of Helicopter Flight Dynamics, a comprehensive treatment of design criteria was presented. In this second edition, the author complements this with a new Chapter on Degraded Flying Qualities, drawing examples from flight in poor visibility, failure of control functions and encounters with severe atmospheric disturbances. Fully embracing the consequences of Degraded Flying Qualities during the design phase will contribute positively to safety. The accurate prediction and assessment of Flying Qualities draws on the modelling and simulation discipline on the one hand and testing methodologies on the other. Checking predictions in flight requires clearly defined ‘mission-task-elements’, derived from missions with realistic performance requirements. High fidelity simulations also form the basis for the design of stability and control augmentation systems, essential for conferring Level 1 Flying Qualities. The integrated description of flight dynamic modelling, simulation and flying qualities forms the subject of this book, which will be of interest to engineers in research laboratories and manufacturing industry, test pilots and flight test engineers, and as a reference for graduate and postgraduate students in aerospace engineering. The Author Gareth Padfield, a Fellow of the Royal Aeronautical Society, is the Bibby Professor of Aerospace Engineering at the University of Liverpool. He is an aeronautical engineer by training and has spent his career to date researching the theory and practice of flight for both fixed-wing aeroplanes and rotorcraft. During his years with the UK’s Royal Aircraft Establishment and Defence Evaluation and Research Agency, he conducted research into rotorcraft dynamics, handling qualities and flight control. His work has involved a mix of flight testing, creating and testing simulation models and developing analytic approximations to describe flight behaviour and handling qualities. Much of his research has been conducted in the context of international collaboration – with the Technical Co-operation Programme, AGARD and GARTEUR as well as more informal collaborations with industry, universities and research centres worldwide. He is very aware that many accomplishments, including this book, could not have been achieved without the global networking that aerospace research affords. During the last 8 years as an academic, the author has continued to develop his knowledge and understanding in flight dynamics, not only through research, but also through teaching the subject at undergraduate level; an experience that affords a new and deeper kind of learning that, hopefully, readers of this book will benefit from.

《直升机飞行动力学》 本书致力于深入剖析直升机复杂而迷人的飞行力学,为读者构建一个全面而严谨的知识体系。从基础空气动力学原理出发,逐步深入到直升机特有的旋翼系统动力学,再到整个飞行器在不同飞行状态下的稳定性与控制特性。本书旨在为航空工程专业学生、研究人员以及对直升机飞行原理充满好奇的工程师们提供一份详实可靠的参考。 第一部分:基础空气动力学与直升机组成 在深入探讨直升机的动态行为之前,有必要回顾和建立坚实的空气动力学基础。本部分将从流体力学的基本概念入手,介绍伯努利方程、连续性方程等核心原理,并重点阐述升力、阻力、侧向力等基本气动力是如何产生的。我们将详细分析二维翼型理论,为理解三维旋翼叶片的气动特性打下基础。 随后,本书将对直升机的基本组成部分进行详细介绍,包括机身、尾桨(或双旋翼系统)、主旋翼系统(包括桨毂、桨叶、变距机构等)、动力装置(发动机、传动系统)以及起落架等。对于每个关键部件,我们将讨论其在整体飞行中的作用以及设计上的考量,尤其会侧重于主旋翼系统,因为它直接关系到直升机的升力产生和飞行控制。 第二部分:旋翼动力学 旋翼动力学是理解直升机飞行特性的核心。本部分将进入本书的重头戏,对直升机旋翼系统进行深入的理论分析。我们将从单片叶片的简化模型开始,逐步构建多叶片旋翼的动力学方程。 旋翼动力学基础: 介绍旋翼叶片的基本气动模型,包括升力线理论、动量理论等,并讨论叶片剖面形状、迎角、马赫数限制等对气动性能的影响。 挥舞与变矩: 详细阐述旋翼叶片的挥舞(上下摆动)和变矩(改变迎角)是如何通过周期性变距机构和非周期性变距机构实现的。理解这些运动如何产生前进力和控制力是至关重要的。 旋翼气动特性: 分析旋翼在不同转速、不同攻角下的气动效率、功率需求以及可能出现的失速现象。我们将探讨旋翼的“滑流”效应以及它如何影响旋翼的整体性能。 周期性与非周期性效应: 深入研究旋翼在不同飞行状态下,由于受流场不均匀性影响而产生的周期性气动载荷变化。这将直接关联到直升机机身的振动和控制力的产生。 反作用力矩与尾桨的作用: 解释主旋翼旋转产生的反作用力矩如何导致机身向相反方向旋转,并详细介绍尾桨(或双旋翼系统)如何抵消这一力矩,实现方向控制。 第三部分:直升机稳定性与控制 在理解了旋翼的基本动力学之后,本部分将聚焦于直升机作为一个整体的飞行稳定性与控制特性。我们将采用系统化的方法,分析直升机在不同飞行状态下的静态和动态稳定性。 飞行控制系统: 详细介绍直升机的飞行控制输入,包括总距杆(控制升降)、周期变距杆(控制俯仰和滚转)以及脚蹬(控制尾桨,影响偏航)。我们将分析这些输入如何作用于旋翼系统,进而影响直升机的姿态和运动。 静稳定性: 分析直升机在不受外部扰动时,自身具有的恢复到平衡状态的能力。我们将探讨俯仰、滚转和偏航方向的静稳定性,以及它们与重心位置、旋翼设计等因素的关系。 动稳定性: 研究直升机在受到扰动后,其运动随时间衰减或增长的特性。我们将分析短周期运动、长周期运动、旋翼耦合振荡等主要模态,并介绍如何通过气动设计和控制策略来改善动稳定性。 飞行模式分析: 详细分析直升机在不同飞行模式下的动力学特性,包括悬停、前飞、侧飞、后飞以及爬升、下降等。每种模式都有其独特的气动和动力学挑战。 控制力矩的产生: 深入分析操纵杆和脚蹬的输入如何转化为作用在旋翼上的气动控制力矩,从而实现直升机的姿态和航向控制。 第四部分:高级主题与数值方法 为了进一步深化读者对直升机飞行动力学的理解,本部分将介绍一些更高级的主题和实用的数值分析方法。 非线性动力学: 考虑到直升机飞行中的许多现象是非线性的,本部分将探讨非线性动力学在直升机模型中的应用,以及如何分析和预测这些非线性行为。 气动弹性效应: 桨叶的弹性变形会对气动性能和动力学特性产生显著影响。本部分将介绍气动弹性理论如何应用于直升机桨叶分析。 计算流体力学 (CFD) 在直升机分析中的应用: 随着计算能力的提升,CFD已成为研究直升机气动性能的重要工具。本部分将介绍CFD的基本原理及其在旋翼气动分析、尾桨诱导等方面的应用。 数值仿真与建模: 介绍如何使用数值方法建立直升机飞行动力学模型,并进行仿真分析,以预测飞行性能、评估控制系统设计等。 本书的编写力求严谨,引用经典的理论模型,并结合现代航空工程的最新发展。通过对本书的学习,读者将能够深刻理解直升机“飞起来”的物理机制,掌握分析和预测其飞行行为的方法,为相关领域的学习和研究奠定坚实的基础。

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