飞行力学

新时代本科学历教育中“飞行力学”课程内容的 

来源:飞行力学 【在线投稿】 栏目:期刊导读 时间:2021-02-05

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。

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