Steady Aircraft Flight and Aircraft Performance

324 Pages·2006·7.49 MB·English

Steady Aircraft Flight and Aircraft Performance
DocumentpreparedforAerospaceEngineering245
N.HarrisMcClamroch
DepartmentofAerospaceEngineering
TheUniversityofMichigan
AnnArbor,MI48109-2140
[email protected]
September1,2006
(cid:13)c N.HarrisMcClamroch2006
AllRightsReserved.
Contents
Preface x
1 AircraftComponentsandSubsystems 1
1.1 Aircraftsubsystemsforconventionalfixed-wingaircraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Aerodynamiccontrolsurfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Aircraftpropulsionsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Airdataandflightinstrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5 Guidance,navigationandcontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.6 Flightcontrolcomputers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.7 Communicationsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.8 Aircraftpilots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.9 Autonomousaircraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.10 Interconnectionandintegrationofflightsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 FluidMechanicsandAerodynamics 11
2.1 Fundamentalpropertiesofair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Standardatmospheremodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3 Aerodynamicsfundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4 Wingtheory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3 AircraftKinematicsandAerodynamicForcesandMoments 28
i
3.1 Aircraftkinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2 Aerodynamicforces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3 Aerodynamicmoments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4 PropulsionSystems 40
4.1 Steadythrustandpowerrelations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.2 Turbojets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.3 Propellerdrivenbyinternalcombustionengine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.4 Turbopropengines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.5 Throttleasapilotinput . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5 AnOverviewofthePhysicsofSteadyFlight 46
5.1 Aircraftforcesandmoments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.2 Steadyflightequations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.3 Steadylongitudinalflight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.4 Steadylevelturningflight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.5 Flightconstraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6 AircraftSteadyGlidingFlight 53
6.1 Steadyglidingflightmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.2 Steadyglidingflightanalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.3 Minimumglideangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.4 Steadyglidingflightenvelope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7 AircraftCruiseinSteadyLevelFlight 62
7.1 Steadylevelflightmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
7.2 Steadylevelflightanalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
7.3 Jetaircraftperformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.4 Propellerdrivenaircraftperformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
ii
8 AircraftRangeandEndurance 80
8.1 Fuelconsumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
8.2 Rangeofpropelleraircraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
8.3 Enduranceofpropelleraircraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
8.4 Rangeofjetaircraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.5 Enduranceofjetaircraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
9 AircraftSteadyClimbingandDescendingFlight 90
9.1 Steadyclimbingordescendingflightmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
9.2 Steadyclimbingordescendingflightanalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
9.3 Jetaircraftperformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
9.4 Propellerdrivenaircraftperformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
10 AircraftSteadyLevelTurns 108
10.1 Turnsbyside-slipping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
10.2 Bankedsteadylevelturningflightmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
10.3 Bankedsteadylevelturningflightanalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
10.4 Jetaircraftperformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
10.5 Propellerdrivenaircraftperformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
11 AircraftSteadyClimbingorDescendingTurns 126
11.1 Bankedsteadyclimbingordescendingturningflightmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
11.2 Bankedsteadyclimbingordescendingturningflightanalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
11.3 Jetaircraftperformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
11.4 Propellerdrivenaircraftperformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
12 AircraftManeuversBetweenSteadyFlightConditions 149
12.1 Assumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
12.2 Changeintheelevatordeflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
iii
12.3 Changeinthethrottle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
12.4 Changeinbankangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
12.5 Simultaneouschangesinelevator,throttle,andbankangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
12.6 Determinationofrequiredpilotinputstoachieveadesiredterminalflightcondition . . . . . 154
13 ExecutiveJetAircraft 155
13.1 Steadylevelflight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
13.2 Maximumrangeandmaximumendurance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
13.3 Steadyclimbinglongitudinalflight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
13.4 Steadydescendinglongitudinalflight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
13.5 Steadyglidingflight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
13.6 Steadylevelturningflight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
13.7 Steadyclimbingandturningflight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
13.8 Steadydescendingandturningflight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
13.9 Maximumflightpathangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
13.10Minimumradiusturns. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
13.11Moreflightenvelopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
14 SingleEnginePropellerDrivenAircraft 218
14.1 Steadylevelflight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
14.2 Maximumrangeandmaximumendurance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
14.3 Steadyclimbinglongitudinalflight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
14.4 Steadydescendinglongitudinalflight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
14.5 Steadyglidingflight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
14.6 Steadylevelturningflight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
14.7 Steadyclimbingandturningflight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
14.8 Steadydescendingandturningflight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
14.9 Maximumrateofclimbflight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
iv
14.10Minimumradiusturns. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
14.11Moreflightenvelopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
15 SteadyFlightAnalysisandPerformanceProblems 277
15.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
15.1.1 Executivejetaircraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
15.1.2 Singleenginepropellerdrivenaircraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
15.2 Problems: Chapter2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
15.3 Problems: Chapter3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
15.4 Problems: Chapter4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
15.5 Problems: Chapter5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
15.6 Problems: Chapter6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
15.7 Problems: Chapter7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
15.8 Problems: Chapter8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
15.9 Problems: Chapter9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
15.10Problems: Chapter10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
15.11Problems: Chapter11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
15.12Problems: Chapter12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
A StandardAtmosphere 300
References 309
v
List of Figures
1.1 Aircraftsubsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Aerodynamiccontrolsurfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1 StandardAtmosphereinSIunits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2 Flowoverairfoil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 WingcrosssectionorAirfoil(NACA2411) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4 Winggeometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5 Typesofwing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5 Typesofwing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1 Aircraftkinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
6.1 Freebodydiagramofanaircraftinsteadyglidingflight. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.2 Flightenvelopesurfaceforsteadyglidingflight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.3 Flightenvelopeforsteadyglidingflight(Stallspeed······,Lowerglidingspeed−·−·,−,
Higherglidingspeed ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
7.1 Freebodydiagramofanaircraftinsteadylevelflight. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
7.2 Thrustrequiredforsteadylevelflight. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
7.3 Powerrequiredforsteadylevelflight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.4 Maximumthrustlimit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7.5 Steadylevelflightenvelope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
vi
7.6 Maximumpowerlimit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
9.1 Freebodydiagramofanaircraftinsteadyclimbingflight. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
9.2 Flightenvelopesurfaceforsteadyclimbingflight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
10.1 Freebodydiagramofanaircraftinasteadyturnbybanking. . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
11.1 Freebodydiagramofanaircraftinasteadybankedturnsinclimb. . . . . . . . . . . . . . . 128
13.1 Executivejetaircraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
13.2 Thrustrequiredforsteadylevelflightat10,000ft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
13.3 Steadylevelflightenvelopeat10,000ft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
13.4 Maximumrangeflightat35,000ft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
13.5 Maximumenduranceflight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
13.6 Thrustrequiredforsteadyclimbingflight(γ = 3degree) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
13.7 Thrustrequiredforsteadyclimbingflight(γ = 3degree) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
13.8 Flightenvelopeforsteadyclimbingflight(γ = 3degree) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
13.9 Thrustrequiredforsteadydescendingflight(γ = −2degree) . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
13.10Thrustrequiredforsteadydescendingflight(γ = −2degree) . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
13.11Flightenvelopeforsteadydescendingflight(γ = −2degree) . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
13.12Thrustrequiredforsteadylevelturningflight(φ = 30degree) . . . . . . . . . . . . . . . . 183
13.13Thrustrequiredforsteadylevelturningflight(φ = 30degree) . . . . . . . . . . . . . . . . 185
13.14Flightenvelopeforsteadylevelturningflight(φ = 30degree) . . . . . . . . . . . . . . . . 189
13.15Thrustrequiredforsteadyturningflightinclimb(γ = 3degree,φ = 15degree) . . . . . . . 191
13.16Thrustrequiredforsteadyturningflightinclimb(γ = 3degree,φ = 15degree) . . . . . . . 193
13.17Flightenvelopeforsteadyturningflightinclimb(γ = 3degree,φ = 15degree) . . . . . . . 196
13.18Flightenvelopesurfaceforsteadyturningflightinclimb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
13.19Thrustrequiredforsteadyturningflightindescent(γ = −2degree,φ = 15degree) . . . . . 199
13.20Thrustrequiredforsteadyturningflightindescent(γ = −2degree,φ = 15degree) . . . . . 201
vii
13.21Flightenvelopeforsteadyturningflightindescent(γ = −2degree,φ = 15degree) . . . . . 205
13.22Flightenvelopesurfaceforsteadyturningflightinclimb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
13.23Minimumradiussteadylevelturnat10,000ft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
13.24Minimumradiussteadyclimbingturnat10,000ft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
13.25Minimumradiussteadydescendingturnat10,000ft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
13.26Flightenvelopesurfaceforsteadylongitudinalflight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
13.27Flightenvelopesurfaceforsteadylevelturningflight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
14.1 Singleenginepropellerdrivenaircraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
14.2 Powerrequiredforsteadylevelflightat10,000ft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
14.3 Steadylevelflightenvelopeat10,000ft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
14.4 Maximumrange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
14.5 Maximumendurance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
14.6 Powerrequiredforsteadyclimbingflight(V = 16ft/s) . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
climb
14.7 Powerrequiredforsteadyclimbingflight(V = 16ft/s) . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
climb
14.8 Flightenvelopeforsteadyclimbingflight(V = 16ft/s) . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
climb
14.9 Powerrequiredforsteadydescendingflight(V = −10ft/s) . . . . . . . . . . . . . . . 239
climb
14.10Powerrequiredforsteadydescendingflight(V = −10ft/s) . . . . . . . . . . . . . . . 241
climb
14.11Flightenvelopeforsteadydescendingflight(V = −10ft/s) . . . . . . . . . . . . . . . 244
climb
14.12Powerrequiredforsteadylevelturningflight(φ = 25,degree) . . . . . . . . . . . . . . . . 246
14.13Powerrequiredforsteadylevelturningflight(φ = 25degree) . . . . . . . . . . . . . . . . 248
14.14Flightenvelopeforsteadylevelturningflight(φ = 25degree) . . . . . . . . . . . . . . . . 252
14.15Powerrequiredforsteadyturningandclimbingflight(φ = 10,degree,V = 10ft/s) . . 254
climb
14.16Powerrequiredforsteadyturningandclimbingflight(φ = 10degree,V = 10ft/s) . . 256
climb
14.17Flightenvelopeforsteadyturningandclimbingflight(φ = 10degree,V = 10ft/s) . . 260
climb
14.18Powerrequiredforsteadyturninganddescendingflight(φ = 10,degree,V = −10ft/s) 262
climb
14.19Powerrequiredforsteadyturninganddescendingflight(φ = 10degree,V = −10ft/s) 264
climb
viii