飞行模拟实验

实验内容

使用X-Plane软件进行模拟飞行，直观体验感受固定翼飞机的飞行操纵。

导出部分操纵飞行的数据，绘制曲线并进行分析说明。

实验过程

实验准备：启动 X-Plane 软件，选择塞斯纳172机型，配置飞行摇杆、脚蹬、油门杆及航模遥控器，确保设备与软件信号正常通信，开启数据记录功能（记录操纵量、舵面偏转、姿态角、速度、高度等参数）；

起飞：在X-plane的地图设置页面，将飞机置于跑道起点，进入模拟界面后，启动飞机，推满油门杆，待速度达到50节左右（VR）后，轻拉摇杆使飞机抬头离地，持续爬升至某一高度，记录的Data自动保存至Data.txt；

飞机稳定平飞后，保持其他操纵量不变，单独前后拉动摇杆控制升降舵,观察俯仰 / 升降响应,左右摇动摇杆控制副翼,观察滚转响应，左右踩脚蹬，观察偏航响应，前推油门杆，观察速度 / 高度响应。

完成上述飞行动作后小五边进近准备着陆，降低油门减小速度，调整姿态使飞机缓慢下降，观察飞机空速和下降率防止失速，对准跑道后平稳接地，接地后拉起刹车，油门降低至慢车，直至飞机滑跑停止。

实验数据分析

图1：升降舵操纵 - 偏转关系曲线

曲线呈现线性关联特征，当升降舵摇杆操纵量从 - 1（向下推）变化至 1（向上拉）时，升降舵偏转角度随之同向变化，且在操纵量为 0 时，偏转角度接近 0，说明升降舵操纵无明显死区和迟滞。同时该关系符合飞行操纵逻辑：向上拉摇杆（操纵量为正）时，升降舵上偏，为飞机提供抬头力矩；向下推摇杆（操纵量为负）时，升降舵下偏，提供低头力矩。

图2：副翼操纵 - 偏转关系曲线

左副翼与右副翼的偏转曲线呈对称分布，当副翼摇杆操纵量从 - 1（向左压）变化至 1（向右压）时，左副翼先下偏后上偏，右副翼先上偏后下偏，且偏转角度与操纵量呈线性对应。向左压摇杆时，左副翼下偏（升力增大）、右副翼上偏（升力减小），飞机向左滚转；向右压摇杆时则相反。

图3：方向舵操纵 - 偏转关系曲线

方向舵偏转角度与脚蹬操纵量呈线性关系，脚蹬操纵量在 - 0.2~0.2 的范围内，方向舵偏转角度随之同向变化，操纵量为 0 时偏转角度归零。向左蹬脚蹬（操纵量为负）时，方向舵左偏，飞机向左偏航；向右蹬脚蹬（操纵量为正）时，方向舵右偏，飞机向右偏航。

图4：油门 - 推力关系曲线

油门开度从 0 增大至 1 的过程中，发动机推力呈近似线性增长趋势，开度达到 0.1 后推力转为正向并快速提升，开度 1 时推力达到 800lb 左右。该特性确保飞机起飞时可通过推油门快速获得足够推力加速。

1.3.2 飞行过程分析

图5：飞行过程参数时序曲线

滑跑阶段（0~25s）：油门开度迅速推至最大并保持，真空速从 0 快速提升至 50ktas 以上，海拔高度维持在 0 附近，俯仰角接近 0，升降舵偏转较小，飞机沿跑道平稳加速。

离地阶段（25~100s）：速度达到VR后，升降舵偏转角度增大（向上偏），俯仰角从 0 提升至 20° 左右，飞机抬头离地，海拔高度开始缓慢上升。

爬升阶段（150~350s）：真空速稳定在 100~150ktas，海拔高度攀升至 2000ft 左右，俯仰角基本维持在 10~20°，油门开度保持最大，确保爬升动力充足，升降舵偏转微调以维持姿态稳定。符合固定翼飞机起飞的动力学规律。

1.3.4 两平飞范围对比分析

图8：两平飞范围速度 / 油门分布对比（箱线图）

速度分布：第一平飞范围的真空速集中在较低区间（约 50ktas以下），第二平飞范围的真空速集中在较高区间（大于50ktas），两个区间的速度分布无明显重叠，同时根据在Aviation Stack Exchange网站上（其数据参考塞斯纳官方的Pilot’s Operating Handbook）查找到的塞斯纳172的陡升速度约为60ktas，基本上符合第一第二平飞范围的分界点。

油门开度：第一平飞范围的油门开度平均值高于第二平飞范围，反映低速平飞时需要更大的油门开度维持升力平衡，高速平飞时空气升力充足，无需过大油门。

图9：两平飞范围姿态稳定性对比（折线图）

俯仰角稳定性：第一平飞范围的俯仰角波动幅度较大（-30°~20°），第二平飞范围的俯仰角波动幅度较小（-10°~10°），说明高速平飞时飞机俯仰姿态更稳定，受外界扰动或操纵微调的影响更小。

滚转角稳定性：第一平飞范围的滚转角波动范围为 - 100°~150°，第二平飞范围波动范围集中在 - 50°~100°，同样体现高速平飞时横向姿态稳定性更优。整体来看，第二平飞范围（高速区间）的飞行姿态稳定性优于第一平飞范围（低速区间），符合固定翼飞机的动力学特性。

Simulink建模仿真实验

铅垂面内飞机质点运动Simulink建模仿真

实验内容

根据所给的Navion飞机模型数据，搭建铅垂面内飞机质点运动Simulink模型，并设置不同参数进行仿真分析。

Simulink模型搭建

图10：铅垂面内飞机质点运动Simulink建模

模块核心使用 Aerospace Block 中的 “Point Mass” 模块（铅垂面内质点运动方程模块），配合力投影模块、飞行参数解算模块、显示模块组成完整模型。

使用初始化脚本输入飞机模型基础数据，包括质量、机翼参考面积、平均气动弦长 、初始速度以及气动系数公式等。

将升力、阻力、推力、重力等力信号通过 “力投影模块” 分解到机体轴系 x、z 轴，输入 “Point Mass” 模块，该模块根据质点运动方程输出速度（u、w）、位置（x、z）等运动参数，最终接入显示模块（Scope）。

仿真设置：采用固定步长求解器 ode4（龙格 - 库塔法），步长 0.1s，仿真时长 10s。

仿真分析

图11：铅垂面内飞机质点运动Simulink仿真结果

γ(∘)曲线在初始阶段滚转角出现小幅波动，后续逐渐稳定在 0° 附近。之后基本无波动。（如仿真时长延长至300s+）

V(m/s)曲线初始速度随滚转角波动出现微小速度变化（在 53.64~53.655 m/s 之间震荡），后续稳定在 50 m/s 左右。

X east曲线位移随时间呈线性增长，说明飞机在水平方向保持匀速运动线性趋势无明显波动，进一步验证了飞机运动稳定后，水平飞行状态未受干扰，符合匀速直线飞行的特征。

X lateral曲线初始阶段随滚转角波动出现小幅侧向位移震荡，后续稳定在 0 附近。（如仿真时长延长至300s+）

铅垂面内飞机刚体运动Simulink建模仿真

实验内容

根据所给的Navion飞机模型数据，搭建铅垂面内飞机刚体运动Simulink模型，并设置不同参数进行仿真分析。

Simulink模型搭建

图12：铅垂面内飞机刚体运动Simulink建模

模型按功能划分为四大模块，构成闭环仿真。控制模块提供升降舵偏角（deltaE，经单位转换为弧度）和推力（T）操纵指令，为仿真提供输入。受力 / 力矩计算模块以 funAero 为核心，接收操纵指令与飞行状态反馈参数，计算升力、阻力等纵向力及俯仰力矩，投影至机体坐标系后输出载荷数据。飞行动力学 / 运动学方程模块采用 3 自由度刚体模型，解算俯仰角、攻角、速度分量、位置等状态参数，并反馈至受力模块形成闭环。飞行参数解算显示模块集成 ISA 大气模型、WGS84 重力模型，提供环境参数，经单位转换后通过 Scope呈现仿真结果。

MATLAB Function “funAero”的代码如下：

图13：“funAero”代码

仿真分析

图14：铅垂面内飞机刚体运动Simulink仿真结果1

图15：铅垂面内飞机刚体运动Simulink仿真结果2

滚转角γ(°)刚体模型的滚转角在初始阶段出现小幅震荡，随后逐渐稳定在 0° 附近；质点模型则始终保持 0° 无波动。这是因为刚体模型考虑了姿态转动的动态响应，初始操纵或扰动会引发滚转震荡，而质点模型忽略姿态转动，仅体现平动，因此无滚转变化，反映了刚体模型对运动细节的刻画更贴近实际。

速度V(m/s)曲线。刚体模型的速度初始震荡后稳定；质点模型速度保持 55m/s 无波动。刚体模型的速度波动与滚转姿态调整对应（姿态变化改变气动力分布，进而影响速度），而质点模型假设力直接驱动平动，速度无动态变化。

水平位移X east (m)曲线。刚体与质点模型的水平位移均呈线性增长，但刚体模型的位移增长斜率略大。这是因为刚体模型稳定后的速度略高于质点模型的恒定速度，速度差异累积为位移差。

侧向位移Xlateral (m)曲线中刚体模型的侧向位移初始小幅波动后逐渐负向增长；质点模型始终保持 0m。这是刚体模型滚转姿态调整引发轻微侧滑的结果，而质点模型无侧滑自由度，因此无侧向位移。

总结及感想

本次实验涵盖飞机纵向刚体运动Simulink建模仿真与横向运动仿真分析两大核心内容，形成了对飞机三维运动特性的完整探究。纵向仿真中，通过搭建控制、受力/力矩计算、动力学方程及参数解算显示四大模块，构建了闭环仿真系统，对比刚体与质点模型的差异，验证了刚体模型在刻画姿态转动、气动力耦合等细节上的优势，其滚转角、速度等参数的“初始震荡→逐渐稳定”特征更贴合实际飞行规律。横向运动仿真则聚焦滚转、速度、水平及侧向位移的动态变化，清晰呈现了飞机受扰后恢复“无滚转、无侧滑、匀速水平飞行”的稳定过程，印证了横向运动的静稳定性设计。两个实验相互补充，不仅完成了模块搭建、参数调试与结果可视化的全流程实践，更系统验证了飞行动力学中“操纵-姿态-气动力-运动参数”的联动逻辑，深化了对六自由度运动方程在纵向（俯仰）与横向（滚转）应用的理解，为后续复杂飞行控制系统设计奠定了坚实基础。

此次两项实验的开展，让我在理论与实践的结合中收获了全方位成长。从纵向刚体模型的模块化搭建到横向运动曲线的细致分析，我不仅熟练掌握了Simulink中Aerospace Blockset等工具的应用技巧，更深刻体会到飞行动力学建模的严谨性——小到单位转换的一致性，大到模块连接的逻辑闭环，每一个细节都直接影响仿真结果的可靠性。纵向实验中，通过对比刚体与质点模型的曲线差异，我不再是机械记忆“刚体考虑转动、质点仅含平动”的概念，而是直观理解了姿态变化与气动力、运动参数的耦合效应；横向实验中，从曲线波动中追溯受扰与稳定的物理成因，让抽象的稳定性理论变得具象可感。实验过程中，模块连接错误、参数配置不当等问题曾带来困扰，但通过查阅资料、逐步调试的过程，不仅提升了我的问题解决能力，更培养了严谨细致的科学态度。两项实验的联动让我认识到，飞机的飞行是纵向与横向运动的有机结合，只有全面掌握各方向的运动规律，才能真正理解飞行器的动态特性。此次经历不仅巩固了飞行动力学的核心知识，更让我体会到仿真建模作为工程实践预演的重要价值，未来我将继续深化对复杂系统建模的学习，为相关领域的研究积累更多实践经验。

附录

初始化脚本代码文档

h = 0; %ft

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deltaE = 0; %deg

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T = 1353.44206;%N

disp('Done!')