1903怀特飞机
介绍
注意:本节的最后一部分需要Simulink 3D。
这节的例子介绍了1903年怀特飞机的模型。由怀特兄弟设计制造的怀特飞机于1903年12月飞向天空，开启了可控飞行器的时代。怀特飞机实现了如下指标：
- 依靠自身动力飞离地面
- 向前飞行并可以保持速度
- 降落点高于起飞点
这个模型是基于早期文献的模拟[1]，研究了怀特飞机的纵向稳定性，因此只模拟了前向运动和由俯仰角控制的纵向运动。怀特飞机遭遇了许多工程上的挑战，包括动态和静态不稳定性问题、侧风和阵风环境下飞机滚转以及俯仰角的波动问题[2]。
在这些约束条件下，模型重现了怀特兄弟遭遇到的纵向动力学问题。由于怀特兄弟可以孔子横行运动，飞机可以保持一定程度的直线运动。
需要注意的是，在Matlab命令行窗口中运行该模型时会在诊断查看器内出现警告信息，这是因为模型使用了Assertion模块来指示飞机在降落时撞击地面。
怀特飞机模型
在Matlab命令行窗口中输入aeroblk_wf_3dof打开怀特飞机模型。
机身子系统
机身子系统模拟怀特飞机的刚体动力学，包括迎角、空气动力学系数、力和力矩以及三自由度运动学方程。
机身子系统包含以下几个部分
升降舵操纵的迎角子系统
该子系统计算怀特飞机的有效升降舵角度并将其反馈给飞行员子系统。
空气动力学系数子系统
该系统包含空气动力学数据，并由此计算空气动力学系数，将其传递给力和力矩子系统。这里使用Prelookup模块将存储的数据利用插值方法获取空气动力学系数。
力和力矩子系统
作用在机身上的力和力矩通过空气动力学系统得到。该系统计算作用在机身重心上的力和力矩。这些数值取决于空气动力学系数、推力、动压和参考机身参数。
3DOF(机体坐标系)模块
3DOF模块利用动力学方程定义飞机机身的线运动和角运动。同时他也执行模型坐标轴系统和机体坐标轴的转换。
环境子系统
怀特飞机在1903年12月17日进行试飞。怀特兄弟选择在靠近大西洋海岸的北卡罗来纳州里一个叫基地霍克的小镇上进行试飞。当天记录的风力超过25m/s，这天的最后一次飞行后，风推翻了飞机，飞机损坏并无法修复。
该子系统包含了许多Aerospace Blockset中的环境子库，包括风、大气、重力、空速和动压模块。Discrete wind Gust模块为模拟环境提供阵风环境，其他的一些模块包括：
- Incidence & Airspeed模块计算迎角和空速
- COESA Atmosphere Model模块计算大气密度
- Dynamic Pressure模块根据大气密度和速度计算动压
WGS84 Gravity Model模块根据飞机所处的维度、经度和高度计算重力
飞行员子系统
该系统通过响应俯仰角(姿态角)和迎角来控制飞机运动。如果迎角和设定的迎角相差超过1度，系统就会给舵偏一定程度的修正。当角速度超过+/-0.02rad/s时，系统还会考虑角速度和叫加速度对舵偏作额外修正。
飞行员的反应时间很大程度上决定了飞行的成败[1]。在没有自动控制器的情况下，0.06的反应时间是最佳的。飞行员延时(Variable Time Delay)模块产生了不超过0.008秒的延时。
运行仿真
仿真给出的默认参数可以使飞机模型成功的起飞和降落。飞行员反应时间(wf_B3)设置为0.06秒，期望的迎角(wf_alphaa)被定义为常数，另外，设定的海拔也较低。该模型与真实的怀特飞机有相似的响应。飞机离开地面，向前飞行最终在高于起飞点的位置降落。该模型还展示了原始飞机的纵向波动。
拥有快速反应时间的飞行员可以在理想飞行状态下成功的驾驶怀特飞机，该模型证实了操纵怀特飞机纵向运动是一个不小的挑战。当天飞行的最长飞行记录为仅仅为持续飞行59秒，飞跃852英尺。虚拟现实显示
这部分需要Simulink 3D Animation。
该模型同时提供了一个用虚拟显示建模语言(VRML)编写的虚拟世界可视化环境[3]。模型中的VR Sink模块允许用户使用三维视角观察飞机运动。
参考文献
- Hooven, Frederick J., "Longitudinal Dynamics of the Wright Brothers' Early Flyers: A Study in Computer Simulation of Flight," from The Wright Flyer: An Engineering Perspective, ed. Howard S. Wolko, Smithsonian Institution Press, 1987.
- Culick, F. E. C. and H. R. Jex, "Aerodynamics, Stability, and Control of the 1903 Wright Flyer," from The Wright Flyer: An Engineering Perspective, ed. Howard S. Wolko, Smithsonian Institution Press, 1987.
- Thaddeus Beier created the initial Wright Flyer model in Inventor format, and Timothy Rohaly converted it to VRML.
更多关于怀特飞机的信息请查阅
http://www.wrightexperience.com
http://wright.nasa.gov