飞行动力学

飞行器的空气动力特性

• 飞行器在空中飞行，作用在飞机上的气动力和气动力矩是外力和外力矩最重要的部分
• 气动力：物体和空气作相对运动时，空气作用在物体上的力。可压缩的黏性气流流过飞行器各部件表面时，表面压强分布不对称出现压强差；空气对飞行器表面有黏性摩擦，产生黏性摩擦力。这两部分力合在一起形成了作用在飞行器上的空气动力，包括升力 L、侧力Y 和阻力 D
• 气动力矩：空气动力的作用线不通过飞行器质心时, 形成对质心的空气动力矩。包括俯仰力矩 M、偏航力矩 N、滚转力矩 L
• 气动力和气动力矩是改变飞行器位置和姿态最主要的控制力和力矩，这些力和力矩的产生与飞行器的气动布局、对操纵面的操纵有直接关系

气动升力

• 在飞行器外形尺寸、飞行速度和高度(影响空气密度) 给定的情况下, 研究飞行
• 器飞行中所受的气动升力, 可简化成研究升力系数CL（无量纲比例因数）
• CL对于每一种机翼是唯一的
• 通常通过大量风洞实验、试飞测试或CFD研究得出

气动阻力D

产生原因：飞行器在大气中飞行时或者由于空气黏性产生阻力，或者由于流体压缩性影响出现激波产生阻力

气动侧力Y：线性范围内，主要受到方向舵项的影响

俯仰力矩 M

产生原因：升降舵位于平尾后缘，当舵面偏转时改变平尾翼型的有效弯度，产生附加升力，对飞行器质心形成附加的纵向力矩。一般定义舵面后缘向下偏转时，形成的升降舵偏角为正。为了提高超音速飞机的操纵效能，一般采用全动平尾，即整个平尾可以绕铰链轴旋转。

滚转力矩 L

产生原因：副翼对称安装在机翼外段后缘，驾驶员左右移动操纵杆，可使左、右副翼反向等角度偏转，反对称偏转引起的横向力矩。规定右副翼下偏为正。

偏航力矩 N

产生原因：方向舵是引起偏航的主要原因。方向舵装在垂尾后缘，驾驶员蹬动脚蹬，使方向舵左右偏转引起作用力矩。左脚蹬前移，方向舵偏向左翼，规定为正。

坐标系

地面坐标系

衡量飞行器位置和姿态的基准

• 固连于大地，原点在大地中的某点；
• Z 轴铅垂向下；
• X 轴在水平面，方向任选，通常与飞行任务相关；
• Y 轴按右手法则。

机体坐标系

• 原点位于飞行器质心；
• Z 轴在对称平面，垂直于纵轴，指向下；
• X 轴沿飞行器结构纵轴，指向前；
• Y 轴垂直于对称平面，指向右。
• 气动力矩的三个分量（滚转力矩、偏航力矩、俯仰力矩）定义在机体坐标系中。

气流坐标系

与机体坐标系的区别是，x是沿着空速矢量。因此平飞的时候重叠。

α 迎角: 速度向量在飞机对称面的投影与机体轴夹角，速度在轴下为正。（飞机的姿态“扬起”，相对于速度）

β 侧滑角: 速度向量与飞机对称面的夹角。右侧滑为正

发动机系统仿真方法

发动机系统仿真有不同的方法，不同的方法仿真精度不同，仿真逼真度不同。

外特性仿真

把发动机系统看成一个整体，对其主要输入、输出性能进行建模

油门杆位置作为输入参数，推力和转速为主要输出性能参数，飞行高度和速度是影响在某一油门杆位置下的推力的主要因素

系统示意图

整体组织结构

1. base/ 目录 – 基础组件

类似vehicle的基础部件，aircraft需要以下基础组件：

AircraftBase.h/.cpp – 考虑在这个项目中可能只需要一个飞行器，因此可能把基类的设计删去

• 所有飞行器的基类
• 提供通用接口：位置、姿态、质量属性等
• 管理飞行器的基本物理属性

Wing.h/.cpp – 机翼系统

class Wing {
    Vector3 position;           // 机翼在机身的位置
    Real area;                  // 机翼面积
    Real liftCoeff, dragCoeff;  // 升力、阻力系数

    下面四条暂定为不需要
    Real aspectRatio;           // 展弦比
    Real sweep;                 // 后掠角
    Real dihedral;              // 上反角
    AirfoilProfile profile;     // 翼型

    
    // 计算气动力
    Vector3 calculateLift(Real airspeed, Real angleOfAttack);
    Vector3 calculateDrag(Real airspeed);
};

ControlSurface.h/.cpp – 操纵面

class ControlSurface {
    enum Type { ELEVATOR, RUDDER, AILERON, FLAP, SLAT };
    Type type;
    Real maxDeflection;         // 最大偏转角
    Real currentDeflection;     // 当前偏转角
    Real effectiveArea;         // 有效面积
    
    // 计算操纵面产生的力矩
    Vector3 calculateMoment(Real airspeed, Real deflection);
};

Propulsion.h/.cpp – 推进系统基类

class Propulsion {
    Real maxThrust;             // 最大推力
    Real currentThrust;         // 当前推力

    
    virtual Real calculateThrust(Real throttle, Real airspeed) = 0;
    virtual Real calculateFuelFlow(Real throttle) = 0;
};

LandingGear.h/.cpp – 起落架——暂定为不需要

class LandingGear {
    bool isRetracted;           // 是否收起
    Vector3 position;           // 位置
    Real stiffness, damping;    // 刚度、阻尼
    Real friction;              // 摩擦系数
    
    Vector3 calculateGroundForce(const Vector3& velocity);
};

Atmosphere.h/.cpp – 大气环境——暂定为理想模型，即空气密度均匀，风速可能影响（直接与推进力抵消）

class Atmosphere {
    Real density;
    Vector3 windVelocity;
    
    void updateAtmosphericProperties(Real alt);
    Real calculateAirspeed(const Vector3& velocity);
};

2. core/ 目录 – 核心世界管理

AircraftWorld.h/.cpp

类似VehicleWorld，管理整个飞行仿真环境：

class AircraftWorld : public RigidWorld {
    ObjectArray<Ref<AircraftBase>> mAircrafts;
    Ref<Atmosphere> mAtmosphere;
    
public:
    int addAircraft(const Ref<AircraftBase>& aircraft);
    void removeAircraft(int id);
    void updateAerodynamics(Real dt);
    void load(std::string filePath);
    void save(std::string filePath);
};

3. powertrain/ 目录 – 推进系统 – 暂定为提供定值推力的抽象系统

AircraftEngine.h/.cpp – 喷气发动机

class AircraftEngine {
    Real bypassRatio;           // 涵道比
    Real compressionRatio;      // 压缩比
    ObjectArray<ThrustCurve> thrustCurves;  // 推力曲线
    
    Real calculateThrust(Real throttle, Real airspeed) override;
};

4. fixed_wing/ 目录 – 固定翼飞行器

FixedWingAircraft.h/.cpp

class FixedWingAircraft : public AircraftBase {
    Ref<Fuselage> mFuselage;                    // 机身
    ObjectArray<Ref<Wing>> mWings;              // 机翼
    ObjectArray<Ref<ControlSurface>> mControlSurfaces;  // 操纵面
    ObjectArray<Ref<Propulsion>> mEngines;      // 发动机
    Ref<FlightControlSystem> mFCS;              // 飞控系统
    
    void updateAerodynamics(Real dt, const Ref<Atmosphere>& atmosphere);
    void updatePropulsion(Real dt);
    void updateFlightControls(Real dt);
};

5. flight_control/ 目录 – 飞行控制系统

FlightControlSystem.h/.cpp

class FlightControlSystem {
    PIDController pitchController;
    PIDController rollController;
    PIDController yawController;
    
    void updateControlInputs(const FlightCommand& command, 
                           const FlightState& currentState);
};

Autopilot.h/.cpp – 自动驾驶

class Autopilot {
    enum Mode { MANUAL, ALTITUDE_HOLD, HEADING_HOLD, NAV_MODE };
    Mode currentMode;
    
    void updateAutopilot(Real dt, const FlightState& state);
};

实现思路和关键功能

1. 飞机模型建立

机身，主翼，左右副翼，方向舵，升降舵，连接的铰链结构？

2. 气动力计算

• 基于升力线理论计算机翼升力
• 实现操纵面效率和失效模拟

3. 飞行动力学

• 六自由度运动方程

4. 飞行控制

• PID控制器实现基本稳定性
• 模式切换和包线保护
• 故障检测和应急处理

5. 环境建模（较为复杂，初始可以不考虑）

• 标准大气模型
• 风场和湍流模拟
• 地形和障碍物检测

6. 数据管理

• XML格式的飞行器配置文件
• 飞行数据记录和回放
• 实时性能监控

https://zhuanlan.zhihu.com/p/683084005 动力学方程

JSBSim（开源飞行器仿真框架）

FlightGear（真实飞行模拟器，可读取JSBSim模型）

核心问题

1. 需要一个飞行器的建模文件 jsbsim？ airsim？

✈️ 一、两种建模方式对比

建模方式	特点	优点	缺点	适合场景
基础形状堆叠法	用立方体、圆柱、翼面等基本体构建机体各部件，再组合	模块清晰、计算方便、可动态修改尺寸	不够精细，无法捕捉复杂空气动力学细节	教学、早期建模、实时仿真、游戏物理
整体模型法	使用整机模型（网格/CAD）、或者根据风洞或仿真数据整体处理	真实还原飞行器，适合CFD/气动数据匹配	模型复杂、数据准备多、实时性能差	高精度仿真、控制器测试、CFD匹配仿真

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✅ 二、在你的物理引擎中，推荐做法是：

如果目标是：实时飞行仿真（如模拟器、游戏引擎、自研飞控测试平台）

✅ 推荐用基础形状堆叠建模法

做法是：

• 主翼 → 长矩形
• 副翼 → 可以旋转调整的矩形
• 机身 → 圆柱
• 尾翼 → 可以旋转的两个小矩形翅片（竖的方向舵，横的升降舵）
• 引擎简化成定向推力源，不需要实体的建模，可以仅仅设计为一个提供定向推力给整个模型的系统
• 将各部件组合，各自贡献空气动力和力矩

示例：

// 假设你有多个飞行部件
Wing mainWing;
Tail elevator;
Propeller prop;

Vec3 totalForce = mainWing.getForce(state) + elevator.getForce(state) + prop.getThrust(state);
Vec3 totalMoment = mainWing.getMoment(state) + elevator.getMoment(state) + prop.getTorque(state);

这使你可以：

• 快速修改参数（如翼展、位置）
• 清楚控制每个部件的力与贡献
• 易于调试、性能开销小

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如果目标是：气动精度优先（如风洞匹配、CFD校验、控制器测试）

✅ 可以考虑整体建模或基于模型数据的集中建模法

你需要提供一套：

• 空气动力数据表（lookup tables）：如 CL(α),CD(α)C_L(\alpha), C_D(\alpha)
• 机体惯性参数：Ixx,Iyy,IzzI_{xx}, I_{yy}, I_{zz}
• 整体升力/阻力/力矩的合成点（气动中心）

此时不必处理每个部件，而是：

totalForce = aerodynamicModel.getTotalForce(state);
totalMoment = aerodynamicModel.getTotalMoment(state);

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🔍 总结建议：

你想要…	推荐方式
快速构建可调模型、用于调试和教学	✅ 基础形状堆叠法
实时仿真、接入飞控算法测试	✅ 基础形状 + 简化气动模型
高精度仿真（例如需要匹配风洞或控制律验证）	✅ 整体模型（或CFD数据驱动）

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