本文将简单介绍如何利用建立飞机动力学模型(组图)

本文将简要介绍如何改进乘客动力学热模型。客机热模型是模拟客机飞行运动的物理模型。准确的动力学模型可以帮助我们分析客机的气动特性，帮助我们进行飞行控制研究。有民航、航天仿真专用蓝筹，可轻松搭建旅客动力学热模型。

1.从六自由度运动方程开始

许多 6DOF 运动多项式模块之一

如上图所示模拟飞行，6自由度运动多项式模块就是将一系列方程封装成一个模块，输入客机所经历的力和扭矩来估计位置变化、欧拉角、角速度等。上图所示的模块使用欧拉角来表示客机的姿态。如果有其他要求，也可以选择用四元数来表示客机的姿态。该模块需要输入力和扭矩，我们必须估计客机所经历的力和扭矩，它是身体轴。

2.客机力和扭矩估计

客机上的力和扭矩基本上分为三种类型：气动力和扭矩、发动机力和扭矩以及重力。

2.1 提升估计

升力主要由以下3个部分相乘形成：

整体升力 - 根据 Xflr5 估计的升力系数曲线估计。

电梯偏转引起的升力 - 由行列式 CLde 估计。

俯仰率引起的升力 - 由行列式 CLq 估计。

2.2 阻力估计

阻力通常只通过整机阻力估算，即根据Xflr5估算的阻力系数曲线估算。如果有需求或有可信的估计数据，也可以减少舵面偏转引起的阻力，例如在模拟飞翼布局的阻力舵时。

2.3 侧向力估计

侧向力主要乘以以下4部分：

由侧滑角引起的侧向力 - 由行列式 CYb 估计。

由滚动角速度引起的横向力 - 从行列式 CYp 估计。

偏航率引起的侧向力 - 由行列式 CYr 估计。

方向舵产生的侧向力 - 由行列式 CYdr 估计。

2.4 滚动扭矩估计

轧制扭矩主要乘以以下5个部分：

侧滑角引起的滚动扭矩 - 由行列式 Clb 估计。

由滚动角速度引起的滚动惯性 - 由行列式 Clp 估计。

由偏航率引起的侧倾扭矩 - 由行列式 Clr 估计。

副翼偏转引起的侧倾扭矩 - 由行列式 Clda 估计。

由方向舵偏转引起的横摇扭矩 - 由行列式 Cldr 估计。

2.5 俯仰扭矩估计

俯仰力矩主要乘以以下4部分：

总俯仰扭矩 - 从由 Xflr5 估计的俯仰扭矩系数曲线估计。

由俯仰速率引起的俯仰惯性 - 由行列式 Cmq 估计。

冲刷引起的俯仰扭矩 - 根据冲刷决定因素估算。

升降舵偏转引起的俯仰扭矩 - 由行列式 Cmde 估计。

2.6 偏航扭矩估计

偏航力矩主要乘以以下5个部分：

由侧滑角引起的偏航扭矩 - 由行列式 Cnb 估计。

由滚动角速度引起的偏航惯性 - 由行列式 Cnp 估计。

由偏航率引起的偏航扭矩 - 由行列式 Cnr 估计。

副翼偏转引起的偏航扭矩 - 由行列式 Cnda 估计。

由于方向舵偏转导致的偏航扭矩 - 由行列式 Cndr 估计。

（以上估算涉及动压、参考宽度确定等，不再赘述）

需要注意的是，这里的升力和阻力属于风轴系下定义的力，需要进行坐标转换，将升力、阻力和侧向力分解合成到体轴系中。风轴系与体轴系的区别在于，风轴系的流向为X轴，体轴系为机身方向的X轴。

2.7 底盘力、扭矩和重力

底盘推力和扭矩可以根据怠速和来流量来估算，但底盘力和扭矩是在车身轴系下定义的。重力可以根据客机的姿态角直接分解成机身轴系。

将飞机机身轴线下的气动力和扭矩、发动机的力和扭矩、重力叠加，可以得到总的力和扭矩模拟飞行，然后将这个力和扭矩输入到上面的6自由度运动模块中，完成一个简单的飞行 建立仿真模型。

其实更多的中间动力学建模还包括大气环境、舵机模型、飞机质量变化、飞机弹性变形等。首先要确定模型的使用场景，确定哪些环节可以省略，哪些环节要详细真实，然后逐步细化模型，得到有效的客机运动仿真模型。

目前基于先前设计和估计的推论构建的模型如下：

底盘型号

底盘模型输入包括左发动机怠速、右发动机怠速、来流量和偏航角速度，输出为左右底盘形成的力和扭矩。

客机本体模型

客机机身模型有4个输入，分别是油门、副翼偏角、升降舵偏角和方向舵偏角。之后，可以根据需要降低方向舵表面（例如机翼）。输出包括速度、3路位置、欧拉角、攻角、侧滑角、3路角速度等，并可输出数据进行轨迹回放。

后面我会根据这个物理模型和大家一起讲解飞控律的设计，或者更进一步，用点对点软件来模拟、控制、识别各种类型的客机，以及和你分析这方面。