具体描述
内容简介
本书围绕直升机设计中所涉及的动力学问题，按照工程问题的解决流程，提出相应的研究思路和设计方法。全书共分7章，主要内容包括旋翼动力学、机体动力学、旋翼与机体耦合动力学、传动链扭振动力学、直升机振动控制和武装直升机特有的动力学问题等。本书可供从事旋翼飞行器工程设计的科研人员参考。
作者简介
吴希明，男，出生于1964年，福建邵武人，研究员，博士生导师，中航工业飞行器机体技术首席技术专家，国务院政府特殊津贴专家，“全国劳动模范”，首批“新世纪百千万人才工程”国级人才，直10、直19武装直升机总设计师，现任中国航空工业集团公司科技委副主任、中国航空研究院副院长、中航工业直升机总设计师。
先后参加了多个重点国产直升机型号的研制，主持建立了全面成熟的直升机平台设计技术体系并成功研制我国首款国际先进专用攻击直升机，作为课题负责人或技术首席主持了国家“863”和国防“973”等课题的研究，推动了直升机装备和研制技术的跨越发展。
荣获国家科学技术进步奖一等奖1项、国防科学技术进步奖二等奖3项，荣获首届“冯如航空科技精英奖”、首届“航空航天月桂奖”。
目录
第1章概述…………………………………………………（1）
1.1直升机动力学工程设计的背景………………………………（1）
1.2直升机动力学的主要内容……………………………………（2）
1.2.1旋翼、尾桨动力学……………………………………………（2）
1.2.2机体动力学…………………………………………………（3）
1.2.3旋翼与机体耦合动力学………………………………………（3）
1.2.4传动链扭振动力学…………………………………………（3）
1.2.5直升机振动控制……………………………………………（4）
1.2.6武装直升机特有的动力学问题………………………………（4）
1.3直升机动力学设计流程………………………………………（5）
第2章旋翼动力学…………………………………………………（6）
2.1引言…………………………………………………（6）
2.1.1旋翼的功能与结构…………………………………………（6）
2.1.2旋翼动力学设计研究范围……………………………………（6）
2.1.3旋翼动力学设计要点…………………………………………（7）
2.2旋翼动力学设计通用要求……………………………………（8）
2.2.1设计依据……………………………………………………（8）
2.2.2设计目标……………………………………………………（8）
2.2.3设计准则……………………………………………………（9）
2.3各类结构形式的旋翼动力学特点……………………………（9）
2.3.1铰接式旋翼的动力学特性特点………………………………（9）
2.3.2无铰式旋翼或无轴承式旋翼的动力学特性特点…………………（11）
2.3.3不同构型旋翼气弹稳定性的特点……………………………（11）
2.4旋翼气弹耦合动力学建模及其求解方法……………………………（12）
2.4.1旋翼气弹耦合动力学建模方法概述…………………………（12）
2.4.2旋翼气弹耦合动力学建模……………………………………（14）
2.4.3旋翼动力学运动方程的求解…………………………………（18）
2.5旋翼动力学设计与验证………………………………………（20）
2.5.1旋翼动力学设计思想、设计程序……………………………（20）
2.5.2旋翼固有频率设计…………………………………………（21）
2.5.3旋翼气弹稳定性设计…………………………………（22）
2.5.4旋翼减振设计………………………………………………（22）
2.5.5旋翼动力学试验……………………………………………（23）
2.5.6旋翼动力学评估与改进………………………………………（26）
2.5.7尾桨动力学设计……………………………………………（27）
2.6设计实例———球柔性旋翼的动力学特性设计与试验评估……………（28）
2.6.1概述…………………………………………………（28）
2.6.2旋翼动力学特性设计要求……………………………………（29）
2.6.3旋翼动力学特性设计…………………………………………（29）
2.6.4旋翼塔试验与相关性分析……………………………………（30）
2.6.5飞行试验评估和改进设计与验证……………………………（32）
2.6.6分析结论……………………………………………………（35）
第3章机体动力学…………………………………………………（36）
3.1引言…………………………………………………（36）
3.1.1机体的功能和结构…………………………………………（37）
3.1.2机体动力学主要研究对象……………………………………（37）
3.1.3机体动力学研究方法…………………………………………（38）
3.1.4机体动力学设计要点…………………………………………（38）
3.2机体动力学设计准则…………………………………………（39）
3.2.1机体动特性设计准则…………………………………………（39）
3.2.2旋转部件每转1次振动要求…………………………………（39）
3.2.3发动机与主减速器安装动力学设计要求………………………（40）
3.2.4机载设备安装动力学设计要求………………………………（40）
3.2.5武器系统安装动特性要求……………………………………（40）
3.2.6局部结构动力学设计要求……………………………………（40）
3.3机体动力学理论与建模要求…………………………………（40）
3.3.1基本假设……………………………………………………（40）
3.3.2机体结构动力学建模通用要求………………………………（41）
3.3.3机体结构动力学建模准则……………………………………（42）
3.3.4机体结构全机模型检查要求…………………………………（46）
3.3.5试验建模基本原则…………………………………………（47）
3.4机体动力学设计与验证………………………………（47）
3.4.1机体动力学设计各阶段主要工作及设计流程……………………（47）
3.4.2全机结构动力学建模…………………………………………（49）
3.4.3机体结构动特性和振动响应分析……………………………（50）
3.4.4机体动力学试验……………………………………………（51）
3.4.5机体结构动力学模型修正……………………………………（53）
3.4.6典型直升机机体动力学问题剖析……………………………（55）
3.5工程设计案例…………………………………………………（62）
3.5.1全机结构动力学建模…………………………………………（62）
3.5.2全机动特性分析……………………………………………（62）
3.5.3全机动响应分析……………………………………………（63）
3.5.4机体结构动力学试验…………………………………………（64）
3.5.5机体结构动力学模型修正……………………………………（67）
3.5.6全机振动响应评估…………………………………………（67）
第4章旋翼与机体耦合动力学……………………………………（69）
4.1引言…………………………………………………（69）
4.2地面共振和空中共振问题的物理本质………………………（70）
4.3防止地面共振和空中共振的设计措施………………………（71）
4.3.1防止地面共振的措施…………………………………………（71）
4.3.2防止空中共振的措施…………………………………………（73）
4.3.3发生地面共振时的现象和处置办法…………………………（73）
4.4设计准则………………………………………………（73）
4.4.1旋翼与机体耦合稳定性设计准则……………………………（73）
4.4.2旋翼与机体耦合动特性设计准则……………………………（75）
4.5旋翼与机体耦合动力学建模…………………………………（75）
4.5.1机体模型……………………………………………………（75）
4.5.2旋翼模型……………………………………………………（76）
4.5.3气动模型……………………………………………………（83）
4.5.4只考虑旋翼摆振运动的地面共振分析模型………………………（86）
4.5.5旋翼与机体耦合动力学综合分析模型…………………………（88）
4.6旋翼与机体耦合动力学设计与验证…………………………（91）
4.6.1旋翼与机体耦合动力学设计与验证流程………………………（91）
4.6.2地面共振和空中共振设计要求的确定…………………………（94）
4.6.3旋翼与机体耦合动特性设计…………………………………（105）
4.6.4地面共振和空中共振详细分析………………………………（106）
4.6.5旋翼与机体耦合动特性和响应分析…………………………（133）
4.6.6旋翼与机体耦合稳定性验证试验与设计改进……………………（139）
4.6.7旋翼与机体耦合振动飞行试验与评估…………………………（143）
4.7飞控系统对耦合稳定性的影响与主动控制……………………………（143）
4.7.1飞控系统对耦合稳定性的影响………………………………（143）
4.7.2旋翼与机体耦合稳定性主动控制……………………………（144）
第5章传动链扭振动力学…………………………………………（147）
5.1引言…………………………………………………（147）
5.2设计准则………………………………………………（148）
5.3扭振动力学建模………………………………………………（148）
5.3.1扭振特性分析模型…………………………………………（148）
5.3.2扭振稳定性分析模型…………………………………………（150）
5.4扭振动力学设计与验证………………………………………（151）
5.4.1扭振动力学设计与验证流程…………………………………（151）
5.4.2扭振设计与分析……………………………………………（152）
5.4.3扭振稳定性设计与分析………………………………………（155）
5.4.4扭振动力学试验……………………………………………（157）
5.4.5扭振动力学设计改进…………………………………………（158）
5.5工程设计实例…………………………………………………（159）
5.5.1扭振分析实例………………………………………………（159）
5.5.2扭振稳定性分析实例…………………………………………（161）
第6章直升机振动控制……………………………………………（163）
6.1引言…………………………………………………（163）
6.2直升机振动及其测量评价……………………………………（164）
6.2.1直升机的振动特征…………………………………………（164）
6.2.2直升机的振动测量…………………………………………（167）
6.2.3直升机振动测量的基本方法…………………………………（168）
6.2.4直升机振动测量的数据处理…………………………………（169）
6.2.5直升机振动水平的评价………………………………………（169）
6.3直升机振动控制的基本策略…………………………………（172）
6.4直升机振动被动控制技术……………………………………（174）
6.4.1动力吸振技术………………………………………………（174）
6.4.2振动隔离技术………………………………………………（179）
6.5直升机振动主动控制技术……………………………………（186）
6.5.1直升机振动主动控制技术的技术分类及概况……………………（186）
6.5.2直升机振动主动控制技术的基本原理…………………………（189）
6.5.3直升机振动主动控制技术的算法简述…………………………（191）
6.6直升机型号振动控制设计流程………………………………（196）
6.6.1设计目标……………………………………………………（197）
6.6.2设计策划……………………………………………………（197）
6.6.3工程详细设计………………………………………………（198）
6.6.4飞行试验验证………………………………………………（198）
6.7直升机振动主动控制设计思路及案例………………………（199）
6.7.1作动器………………………………………………（199）
6.7.2加速度传感器………………………………………………（201）
6.7.3控制器………………………………………………（201）
6.7.4旋翼转速同步………………………………………………（202）
6.7.5应用案例……………………………………………………（202）
第7章武装直升机特有的动力学问题……………………………（204）
7.1引言…………………………………………………（204）
7.2武器安装的动力学设计………………………………………（205）
7.3武器发射对直升机的影响……………………………………（207）
7.4瞄准具及其安装………………………………………………（209）
7.4.1瞄准具对载机振动环境的适应性……………………………（209）
7.4.2瞄准具与航炮的相容性………………………………………（211）
7.4.3桅杆式瞄准具………………………………………………（213）
7.4.4悬臂式外部装备……………………………………………（214）
7.5动态参数测试和分析…………………………………………（217）
7.5.1概述…………………………………………………（217）
7.5.2试验设计……………………………………………………（218）
7.5.3外场测试中干扰的排除………………………………………（219）
7.5.4采样率和分析截止频率的确定………………………………（220）
7.5.5载荷识别……………………………………………………（223）
参考文献……………………………………………………（225）
精彩书摘
《直升机动力学工程设计》：桨叶扭转主动控制是在桨叶大梁中封装智能材料（如压电晶体执行元件或敏感元件和形状记忆合金），改变桨叶的弹性扭转，产生一个高阶的桨距输入，来实现降低高阶振动载荷。NASA兰利研究中心、美国陆军研究实验室、密歇根大学和麻省理工学院合作于2000—2002年进行了主动扭转旋翼控制技术的研究，并进行了缩比模型的风洞试验。缩比模型为4叶全铰接式旋翼，其直径为2.794m，在桨叶径向位置（0.3—0.98）R间预置了主动纤维复合材料压电陶瓷执行元件，使用两个周期变距模态来降低每周4次的振动，同时使用了一个总距模态来降低每周一次的振动，设计了一个闭环控制系统。缩比模型在NASA兰利中心的跨声速风洞进行了吹风试验。试验结果表明：在所有试验的前进比状态下，旋翼的各阶振动水平都有明显的降低，在某些飞行条件下每周4次的振动载荷可以降低40dB。美国陆军研究实验室正考虑将该项技术应用到无人直升机上。
……
用户评价
这本书的封面设计实在是太吸引人了，那种硬朗的线条，配合着充满科技感的蓝色和银色调，让我一眼就爱上了它。光是看着封面，就能想象出书中那些复杂的机械结构和精密的计算过程。我一直对机械工程抱有浓厚的兴趣，尤其是那些能够征服天空的交通工具，直升机无疑是其中的佼佼者。它的悬停能力、垂直起降的特性，以及在复杂地形中的灵活性，都让我惊叹不已。所以，当我在书店里看到这本《直升机动力学工程设计》时，就像是发现了宝藏一样。我迫不及待地翻开它，虽然我并不是这方面的专业人士，但书中的图表和配图都非常直观，让我能够大致理解那些复杂的理论。我尤其对其中关于旋翼动力学的部分很感兴趣，它解释了为什么直升机能够产生升力，以及如何在不同条件下进行控制，这对我来说简直是打开了一个全新的世界。我设想，如果我能够深入理解这些内容，也许有一天我真的可以参与到直升机的设计工作中，或者至少能够更深刻地理解我所看到、所驾驶的直升机的原理。这本书不仅仅是一本技术手册，更像是一扇通往航空工程奇妙世界的大门，它激发了我对科学探索的渴望，也让我看到了工程设计的无穷魅力。我非常期待能够花更多的时间去啃读这本书，去领略其中蕴含的智慧和创造力。
评分从一个普通爱好者的角度来看，这本书的标题《直升机动力学工程设计》听起来就充满了挑战性。我一直对直升机那种“反重力”的飞行方式感到好奇，但又觉得这其中的技术门槛很高，普通人很难触及。然而，这本书却以一种似乎是“深入浅出”的方式呈现出来，至少从目录和章节划分来看是这样。我尤其关注那些关于空气动力学和结构力学的章节，因为我一直觉得直升机的稳定飞行和承受强大力量的能力，离不开这两个学科的支撑。想象一下，当旋翼以惊人的速度旋转时，产生的气流是如何托举起沉重的机身，又是如何在复杂的飞行姿态下保持平衡的？这背后的数学模型和物理原理一定是极其精妙的。我希望能在这本书中找到答案，了解那些设计者是如何通过严谨的计算和无数次的模拟，最终将这些理论转化为实际的飞行器。虽然我可能无法完全掌握其中的所有公式和推导，但我相信，通过阅读这本书，我能够建立起对直升机工作原理的整体认识，理解其设计的核心要素。这对我来说，是一种智力上的享受，也是一次对工程思维的启蒙。这本书就像是一个知识的宝库，等待着我去挖掘其中的闪光点。
评分作为一名对航空史略有研究的爱好者，我一直对各种飞行器的发展演变充满兴趣。《直升机动力学工程设计》这个书名，让我联想到早期那些充满探索精神的工程师们，是如何在有限的条件下，一点点攻克直升机设计中的各种难题的。这本书或许能够揭示那些不为人知的细节，比如早期直升机在稳定性、操纵性以及动力系统方面的挑战，以及他们是如何通过不断的实验和改进，最终才有了今天我们看到的成熟的直升机。我特别期待书中能够包含一些历史性的案例分析，或者是对一些经典直升机型号的设计理念进行解读。毕竟，了解过去才能更好地理解现在和未来。如果书中能够介绍一些关于直升机在特殊环境下，例如高原、海况、或是搜救任务中的设计考量，那就更棒了。因为这些场景往往对直升机的性能提出了更高的要求，也更能体现出设计者的智慧和创新。这本书不仅仅是关于技术，更是关于人类挑战极限、不断突破的勇气和精神的体现。我希望它能让我看到，那些工程师们是如何将科学的严谨与艺术的想象力相结合，创造出如此令人赞叹的飞行器。
评分我是一名对模拟飞行游戏情有独钟的玩家。在游戏中，我虽然可以操控各种型号的直升机，体验它们在虚拟世界中的飞行乐趣，但我总觉得，对这些飞行器背后的真实原理缺乏深入的了解，这在一定程度上影响了我沉浸式的体验。所以，当我在书店橱窗里看到《直升机动力学工程设计》这本书时，我立刻被吸引了。我猜想，这本书或许能够为我提供一些现实世界中直升机设计和操作的理论基础。比如，书中关于旋翼叶片的气动外形设计，是如何影响升力和阻力的？不同类型的旋翼系统（如共轴反转、串列旋翼、单旋翼带尾桨等）各自有什么优缺点？在游戏中，我常常需要应对侧风、紊乱气流等复杂情况，这本书是否能够解释，直升机的设计是如何应对这些挑战的？又或者，当我在游戏中进行复杂的空中机动时，书中是否有关于操纵系统的原理讲解，让我知道我的每一个操作是如何转化为直升机实际动作的？如果这本书真的能帮助我从一个“操作者”转变为一个“理解者”，那我将受益匪浅。我希望这本书能让我更好地理解游戏中那些看似“理所当然”的飞行特性，从而提升我的游戏体验，甚至激发出我学习更专业知识的兴趣。
评分从工程教育的角度来看，一本好的技术书籍应该兼具理论深度和实践指导意义。《直升机动力学工程设计》这个书名，让我对其在教学和科研领域的作用充满了期待。我猜测，这本书的编写，可能参考了国内外一些经典的航空工程教材，力求在内容上做到严谨、系统和全面。我尤其关注书中是否对直升机的动力学模型进行了详细的介绍，例如如何建立描述直升机运动的数学方程，以及如何求解这些方程以预测和分析直升机的飞行性能。同时，对于工程设计而言，性能评估和优化是至关重要的环节。我希望书中能够包含一些关于直升机性能评估的指标和方法，以及如何通过设计参数的调整来优化其稳定性、操纵性、载荷能力等关键性能。此外，如果书中能够涉及到一些现代直升机设计中常用的先进技术，例如先进的旋翼控制系统、减振降噪技术、甚至是复合材料的应用等，那就更具前瞻性了。一本优秀的教材，不仅能够传授知识，更应该能够启发思考，培养学生解决实际工程问题的能力。我期待这本书能够成为直升机工程领域学生和研究人员的有力工具，帮助他们在这个充满挑战和机遇的领域取得更大的成就。
评分这本书的装帧和纸张质量给我的第一印象非常好，有一种厚重感和专业感。我本身是汽车工程领域的从业者，虽然与航空航天工程有所区别，但我一直坚信工程设计的原理是相通的。我猜想，《直升机动力学工程设计》这本书中，关于结构力学、材料强度、振动分析等方面的内容，或许能给我带来一些跨学科的启发。例如，直升机在高转速旋翼的驱动下，会承受巨大的应力和复杂的振动，这些都与汽车发动机和传动系统所面临的问题有异曲同工之妙。我特别好奇书中是如何处理这些复杂受力情况的，是否会涉及到有限元分析等现代工程计算方法。同时，对于轻量化和高强度的材料选择，也是汽车工程和航空工程共同关注的焦点。我希望书中能介绍一些用于直升机设计的特殊材料，以及它们在结构设计中的应用。如果书中还能提及一些关于可靠性工程和故障分析的内容，那就更好了，这对于任何工程设计都是至关重要的。这本书就像是一扇窗户，让我能够窥探到另一个工程领域的精妙之处，并从中汲取灵感，反哺我自己的工作。
评分我是一名退休的工程师，年轻的时候也曾参与过一些大型机械项目的研发。虽然我没有直接接触过直升机设计，但对于精密的机械结构和复杂的动力学系统，我始终保持着浓厚的兴趣。这本书的题目《直升机动力学工程设计》，让我回想起当年那种一丝不苟、追求极致的工程精神。我猜想，这本书一定凝聚了作者多年的心血和经验，能够深入浅出地讲解直升机设计中的核心技术。我尤其关注书中对“动力学”的解读，这涉及到运动、力、能量等一系列物理概念，在机械设计中至关重要。我希望书中能有详细的推导过程，解释直升机是如何通过复杂的动力学耦合，实现稳定而精确的飞行控制的。同时，对于“工程设计”的部分，我希望能够看到一些实际的设计流程和方法论的介绍。比如，从概念设计到详细设计的转化，如何进行方案的评估和选择，以及在设计过程中如何应对各种约束条件（如成本、制造工艺、安全标准等）。这本书对我来说，不仅是学习新知识的平台，更是对那段辉煌工程年代的回忆和致敬。
评分我是一名热爱科幻作品的读者，尤其喜欢那些描绘未来科技的硬科幻。直升机作为一种现实存在的、但又充满未来感的交通工具，一直是我关注的焦点。这本书的标题《直升机动力学工程设计》，让我联想到那些在科幻电影中出现的、性能更加卓越、功能更加强大的飞行器。我猜想，这本书或许能为我揭示这些未来飞行器的设计雏形和理论基础。比如，书中是否会探讨一些关于提高直升机飞行速度、增加载荷能力、或者提升隐身性能的设计思路？又或者，是否会涉及一些新型的动力系统，例如更高效的发动机、或者全新的能源解决方案？我特别好奇，在动力学层面，如何才能设计出能够执行更复杂、更精细的空中任务的直升机，例如自主导航、精确打击、或者是在极端环境下进行救援。如果这本书能够让我看到，现实世界中的工程设计是如何一步步接近甚至超越科幻的想象，那将是一件令人兴奋的事情。它不仅满足了我对未来科技的好奇心，也让我看到了科学与想象力结合的巨大力量。
评分我是一名航空爱好者，一直以来都对直升机的飞行原理和设计理念充满好奇。读完《直升机动力学工程设计》这本书的目录，我发现其中涵盖了空气动力学、结构力学、材料学、控制系统等多个方面，这正是我一直想要深入了解的领域。我特别期待书中能够详细阐述旋翼气动设计的奥秘，比如叶片是如何设计成特定的翼型来产生最大的升力，以及如何通过改变迎角来控制升降。同时，我对于直升机如何实现精确的飞行控制也十分感兴趣。书中的“动力学”部分，是否会介绍各种控制面的作用，以及它们是如何协同工作的，以实现直升机的悬停、前进、后退、以及复杂的机动动作？此外，材料科学在现代直升机设计中的作用不容忽视。我希望书中能够介绍一些先进的复合材料是如何被应用于旋翼和机身的设计，以达到减轻重量、提高强度的目的。这本书就像是一本“直升机设计百科全书”，能够满足我对这个复杂而迷人飞行器的一切疑问。
评分我是一名希望在工程领域有所建树的年轻学子，对于航空工程尤其向往。《直升机动力学工程设计》这本书，给我一种“权威”和“系统”的感觉。我猜想，这本书的编写，一定遵循了严谨的学术逻辑，能够帮助我建立起扎实的理论基础。我非常关注书中关于“动力学模型”的讲解，我希望能够理解直升机在各种飞行状态下的运动方程是如何建立的，以及如何利用这些方程来分析和预测直升机的飞行性能。同时，对于“工程设计”的部分，我希望能够学习到一些实际的设计流程和方法，例如如何进行参数优化，如何评估设计的可靠性和安全性，以及如何考虑环境因素对设计的影响。如果书中能够包含一些实际的案例研究，例如对某个经典直升机型号的设计思路进行剖析，那将对我理解理论知识的应用非常有帮助。这本书对我来说，不仅仅是一本教材，更是一本“工程思维的启蒙书”，能够帮助我打开通往航空工程领域的大门，并为我未来的学习和职业发展奠定坚实的基础。
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