新时代本科学历教育中“飞行力学”课程内容的(2)
通常将飞机在铅垂面内作对称飞行的运动称为纵向运动,相应的运动参数称为纵向运动参数,飞机在非对称面内的运动称为横航向运动,相应的运动参数称为横航向运动参数。最初建立的运动方程组的方程是耦合在一起的,需要进行联立求解,这样就意味着要想得到准确的解析结果非常困难。解决这一问题的方法是在一定条件下,将上述方程分离后分别进行研究,这样处理既能得到理想的研究结果,又会大大简化研究过程。
(四)理清“横向”及“方向”的相互影响问题
研究飞机的“静操纵性”时,理论上可以将“横向”及“方向”分开。但在实际飞行中,“横向”及“方向”总是相互干扰、相互影响的。比如:飞机出现坡度后一定会引起侧滑;反之,飞机出现侧滑后也一定会带来坡度。实际飞行中,对“横向”及“方向”的操纵也总是配合进行的。教学中要同学生讲清楚,坡度和侧滑的方向可以这样来判断:当侧滑是由坡度引起的,即先有坡度后有侧滑时,坡度与侧滑“同向”,即左坡度引起左侧滑,右坡度引起右侧滑;而当坡度是由侧滑引起的,即先有侧滑后有坡度时,侧滑与坡度“反向”,即左侧滑引起右坡度,右侧滑引起左坡度。
(五)建立“侧滑主导”地位的思想
当飞机受扰动偏离原来的横向平衡状态出现坡度后,坡度并不直接产生横航向稳定力矩,只有出现侧滑才会产生横航向稳定力矩。因此,横航向气动导数中有mxβ、myβ,但绝对不会出现mxγ、myγ等。从纯横向操纵的角度看,一定的压杆(盘)量对应一定的滚转角速度,但决不会是对应一定的坡度。
(六)明确建立模型、研究问题的前提和条件
飞机在飞行中的运动是很复杂的,要“完全准确”地加以描述,实际上是不可能的,也是没有必要的。因此,在实际建立数学模型具体分析问题与解决问题时,往往采用一种近似的方法,做出一些基本假设,将实际问题加以简化,这样的处理方式,不但会大大减少工作量,而且在满足基本假设的条件下会得出符合实际的结论。
在建立“刚体飞机的运动方程”时,其中的假设条件之一为:飞机是一刚体,且其质量为常数。这个假设认为飞机上的旋转部件、发动机转子等在飞机运动时所产生的陀螺力矩与飞机的惯性力矩相比可以忽略不计,飞机内部各活动部件的运动、飞机的弹性变形以及燃料和油液的流动对飞机的运动影响很小等。实践表明,对于飞行力学所研究的大多数问题,这一假设是合适的。
在对运动方程线化以及研究飞机的稳定性和操纵性时,均假设飞机所受到的扰动是“小扰动”。在这一前提下,可以认为飞机受外界扰动后的运动参数是飞机未受扰动前的运动参数即基准运动参数再加上一个微小扰动运动增量组成。在大多数飞行情况下,这种小扰动假设能够得出足够满意的结果,而离开这一前提,所得出的结论及研究的结果将不复存在。
四、结论
本学期教学实践中,我们在课程教学开始前、进行中、结束后,多次对学生讲解“课程内容优化及要点”,希望对提高教学效果有所帮助。课程结束后,采取问卷及对比评估等多种方式跟踪具体效果。结果发现,本学期学生对知识的理解与掌握明显好于往期。
今后的重点是加强研究,跟踪、了解最新的研究成果,掌握最新的发展动态,不断探索创新提高“飞行力学”课程教学质量的新方法和新思路,使“飞行力学”课程教学质量逐步提高,充分践行“四个回归”,落实新时代本科教育“以本为本”思想,跟上新时代的发展步伐。
[1]肖业伦.飞行器运动方程[M].北京:航空工业出版社,1987.
[2]方振平.飞机飞行动力学[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.
[3]胡绪照,王玉勤,陈宇.应用型本科院校理论力学课程教学探讨[J].黑龙江教育(理论与实践),2019,(6):71-72.
一、“飞行力学”课程教学中需要破解的难点2012 年出版的“国家本科专业目录”以及教育部高等教育司2018 年制定的“普通高等学校本科专业类教育质量国家标准”(以下简称“国标”)均将“飞行力学”课程列入“飞行器与动力工程”与“飞行器制造工程”等航空类专业的核心课程,我校相应专业人才培养方案也将该课程列为核心课程之一。在该课程教学过程中以及课程结束后,经多种渠道反馈,学生普遍认为该课程“难学”或“很难学”,具体分以下几种情况:一是有些内容理解起来比较困难,不能准确掌握;二是学习后不知道重难点在哪;三是对课程知识结构不清楚,知识体系建立不起来,即使想要自学,也不知如何下手。这说明,学生对该课程知识的掌握不够全面,还处于“离散”的模糊阶段,没有将知识由“点”到“面”再上升到“体”,对该课程的知识结构以及相关知识之间的联系并不完全清楚,无法形成整体概念,这正是“飞行力学”课程教学中需要破解的难点。二、“飞行力学”课程的特点(一)对数学基础要求高“飞行力学”课程以多学科为基础,在学习时,学生必须具备“普通物理”“高等数学”“理论力学”“空气动力学”以及“现代自动控制理论”等知识。其中对数学知识的要求最为突出,因为课程学习时要使用大量的数学知识,如:在“建立运动方程”包括质心运动方程及刚体运动方程时均要用到矩阵理论;在确定“飞机的气动导数”时要用到导数的概念和求导法则;在分析“飞机的动态特性”时要建立并求解微分方程;在进行“刚性飞机运动方程的简化及无因次化”时要用到拉氏变换等。因此要求学生必须加强对相关知识特别是数学知识的掌握,打好数学基础。(二)部分内容相对抽象,需要较强的空间想象力该课程部分内容比较抽象,主要体现在以下三个方面:一是结论往往是经数学推导,经理论分析得出,其基本概念及原理需要准确理解;二是在建立模型、推导方程和分析解决问题时,要经常在不同的坐标系中进行转换;三是由于飞机运动的复杂性,所建立的运动方程最初是耦合在一起的,不易解析求解,必须进行纵向和横航向的分离。因此,需要学生有较强的空间想象能力和转换能力。三、“飞行力学”课程内容优化及要点经过多次研讨,我们形成了如下“共识”,希望在提高教学效果上取得突破。(一)掌握“飞机”这一研究对象“点”和“体”的区别从知识结构看,该课程可划分为以下几部分:对飞机“飞行性能”的研究,对飞机“平衡、静稳定性及静操纵性”的研究,对飞机“动稳定性及动操纵品质”的研究。其中,在研究飞机的飞行性能时,将飞机当作一个“质点”来看待,而忽略飞机的尺寸,因此建立的是“质心”运动方程,即只考虑力对飞机的影响,不考虑力矩的影响,方程组中没有力矩方程;而在研究飞机的平衡、稳定性、操纵性以及动态飞行品质时,将飞机当作一个“刚体”来看待。这样,在建立飞机运动方程时,不仅要考虑“力”对飞机的影响,而且要考虑“力矩”的影响,即方程组中既有“力”方程,还包括“力矩”方程。只有把握这一点,才能准确地建立数学模型,为准确分析问题与解决问题打下良好基础。(二)重视稳定性与操纵性中“静”与“动”的联系与区别对稳定性的研究与分析,是按照从“静”到“动”的过程进行,并且在面向应用型人才培养时,一般将重点放在对静稳定性的分析上。实际上,静稳定性不同于动稳定性,因为静稳定性研究的是飞机在受到扰动,扰动消失后是否具有恢复原平衡状态的“趋势”,只要有这个“趋势”,就认为飞机具有静稳定性;动稳定性则是指飞机受到扰动,扰动消失后是否具有恢复原平衡状态的“能力”,是真正的稳定性。虽然静稳定性与动稳定性的具体含义不同,但两者又是相互联系的:一是研究的前提必须是“小扰动“;二是静稳定性是动稳定性的前提和条件,即飞机只具有静稳定性不一定具有动稳定性,但飞机要具有动稳定性就必须先具有静稳定性。(三)弄清“纵向”与“横航向”的划分问题研究飞机的平衡、稳定性及操纵性时,一般遵循着先“纵向”后“横航向”的顺序。而“横航向”这一部分又进一步分解为“横向”及“方向”两个方面,这种划分是有前提条件、依据及实际意义的。通常将飞机在铅垂面内作对称飞行的运动称为纵向运动,相应的运动参数称为纵向运动参数,飞机在非对称面内的运动称为横航向运动,相应的运动参数称为横航向运动参数。最初建立的运动方程组的方程是耦合在一起的,需要进行联立求解,这样就意味着要想得到准确的解析结果非常困难。解决这一问题的方法是在一定条件下,将上述方程分离后分别进行研究,这样处理既能得到理想的研究结果,又会大大简化研究过程。(四)理清“横向”及“方向”的相互影响问题研究飞机的“静操纵性”时,理论上可以将“横向”及“方向”分开。但在实际飞行中,“横向”及“方向”总是相互干扰、相互影响的。比如:飞机出现坡度后一定会引起侧滑;反之,飞机出现侧滑后也一定会带来坡度。实际飞行中,对“横向”及“方向”的操纵也总是配合进行的。教学中要同学生讲清楚,坡度和侧滑的方向可以这样来判断:当侧滑是由坡度引起的,即先有坡度后有侧滑时,坡度与侧滑“同向”,即左坡度引起左侧滑,右坡度引起右侧滑;而当坡度是由侧滑引起的,即先有侧滑后有坡度时,侧滑与坡度“反向”,即左侧滑引起右坡度,右侧滑引起左坡度。(五)建立“侧滑主导”地位的思想当飞机受扰动偏离原来的横向平衡状态出现坡度后,坡度并不直接产生横航向稳定力矩,只有出现侧滑才会产生横航向稳定力矩。因此,横航向气动导数中有mxβ、myβ,但绝对不会出现mxγ、myγ等。从纯横向操纵的角度看,一定的压杆(盘)量对应一定的滚转角速度,但决不会是对应一定的坡度。(六)明确建立模型、研究问题的前提和条件飞机在飞行中的运动是很复杂的,要“完全准确”地加以描述,实际上是不可能的,也是没有必要的。因此,在实际建立数学模型具体分析问题与解决问题时,往往采用一种近似的方法,做出一些基本假设,将实际问题加以简化,这样的处理方式,不但会大大减少工作量,而且在满足基本假设的条件下会得出符合实际的结论。在建立“刚体飞机的运动方程”时,其中的假设条件之一为:飞机是一刚体,且其质量为常数。这个假设认为飞机上的旋转部件、发动机转子等在飞机运动时所产生的陀螺力矩与飞机的惯性力矩相比可以忽略不计,飞机内部各活动部件的运动、飞机的弹性变形以及燃料和油液的流动对飞机的运动影响很小等。实践表明,对于飞行力学所研究的大多数问题,这一假设是合适的。在对运动方程线化以及研究飞机的稳定性和操纵性时,均假设飞机所受到的扰动是“小扰动”。在这一前提下,可以认为飞机受外界扰动后的运动参数是飞机未受扰动前的运动参数即基准运动参数再加上一个微小扰动运动增量组成。在大多数飞行情况下,这种小扰动假设能够得出足够满意的结果,而离开这一前提,所得出的结论及研究的结果将不复存在。四、结论本学期教学实践中,我们在课程教学开始前、进行中、结束后,多次对学生讲解“课程内容优化及要点”,希望对提高教学效果有所帮助。课程结束后,采取问卷及对比评估等多种方式跟踪具体效果。结果发现,本学期学生对知识的理解与掌握明显好于往期。今后的重点是加强研究,跟踪、了解最新的研究成果,掌握最新的发展动态,不断探索创新提高“飞行力学”课程教学质量的新方法和新思路,使“飞行力学”课程教学质量逐步提高,充分践行“四个回归”,落实新时代本科教育“以本为本”思想,跟上新时代的发展步伐。参考文献:[1]肖业伦.飞行器运动方程[M].北京:航空工业出版社,1987.[2]方振平.飞机飞行动力学[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.[3]胡绪照,王玉勤,陈宇.应用型本科院校理论力学课程教学探讨[J].黑龙江教育(理论与实践),2019,(6):71-72.
文章来源:《飞行力学》 网址: http://www.fxlxzz.cn/qikandaodu/2021/0205/329.html