气动模型第六部分：力学模块

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本文翻译自 https://www.falcon-bms.com/articles/flight-model/the-mechanical-module/

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简介

主要的会影响物理引擎的力学参数是：

• 质量和重心位置（CG）（或是指Gravity Center）
• 惯性矩阵

基本上，在不涉及太多数学知识的情况下，质量是影响CG运动轨迹的参数，而惯性矩阵则影响刚体(solid)的旋转。

惯性矩阵相当于旋转运动的质量。它说明了使物体绕一轴旋转的难度，同时也决定了不同旋转轴之间的耦合关系，例如，物体绕X轴旋转也会影响其在Y轴上的旋转。惯性矩阵取决于物体内部质量的重新分配。

虽然原版Falcon 4.0的气动模型考虑了质量，但未考虑惯性矩阵，原因很简单，正如气动开发日志第一部分中的那样，初版的Falcon 4.0气动模型并未将物理学应用于旋转运动。

力学模块的主要目的是实时计算所有这些参数，并将其输入到运动方程模块中。

质量与重心位置

在新的飞行模型中，飞机质量数值会不断的更新，总质量受以下几个参数影响：

• 飞机空重
• 油重
• 武器重量

新功能在于，气动模型也会实时更新重心位置。

重力位置移动会有以下效果：

• 在X轴上的位置，重力将影响飞机的俯仰稳定性
• 在Y轴上的位置，重力将影响滚转配平状态

重心在X轴上的位置对于F-16非常重要，因为飞机本身的空载重心位置已经靠后，这会让飞机变的不稳定。不过，FLCS 能够在一定范围内控制这种负静态裕度。

FLCS所设计的维持重心的位置于0.35c（35%MAC），其中c代表主翼弦（11.32ft）。

重要的是要明白，在执行任务期间，重心位置会随着燃料的消耗和释放挂载而变化。一般的，工程师会对油箱位置和燃料管理系统进行了定位和计算，以重心保持在FLCS的极限范围内。飞机挂点的位置也会相应的被确定。不过，飞行员有责任确保在所选挂载下，飞机的重心在整个任务中都保持在限制范围内。

下图显示了以MAC%为单位的重心位移允许极限。从图中可以看出，FLCS对重心位移有相当大的抵抗力。在重载时，也要注意不对称问题。

我们还开发了一套新的功能完整的燃料管理系统。此系统包含了对所有位置上的油箱的控制，还包括一个在原版Falcon 4.0中不存在的新油箱（F-2）（以前版本的Falcon中他们将F-1和F-2油箱合并在一起），外部油箱被分为三个隔间，与真实飞机一样，燃料从一个隔间过渡到另一个隔间。

请注意，燃油选择器FWD（前油箱）/AFT（后油箱）现在实际上是作用于飞机的平衡，并影响重心沿Y轴的位置。理论上，它可以用来配平滚转中的飞机。你可能会问："我以为我们在说前/后油箱，这怎么会影响滚转呢？回想一下，油箱系统是一个由前-右和后-左油箱组成的两组系统。前油箱位于机身右侧，而后油箱位于机身左侧，因此会影响左右滚转。下面是油箱系统的示意图，请注意现在版本的BMS已实现F-2油箱及其相关功能。

我们对机翼和机腹下方的挂点都进行了修改，以对应真实飞机上的挂点，整个武器数据库已进行修改，以将武器置于正确的位置，并修正武器对重心的影响。

最后，考虑到燃料和武器，BMS现在可以实时准确的模拟重心位置的变化。对于飞行员来说，飞机的响应能力和偏离(departure)风险现在都取决于燃料和挂载。

以下是一般情况下重心随耗油量变化的情况。

• 

  重心变化(370的副油箱+300)

• 

  重心变化(600的副油箱+300)

从这些数据中我们可以看出，在任务开始时，飞机在满载燃油的情况下重心比较稳定。重心位置在33%MAC左右开始发生大幅变化，这意味着俯仰响应较慢。

但是，在任务尾声阶段，当低燃油状态下，重心位置会在36.5%MAC处，也就是非常靠后的位置。在这种情况下，飞机的俯仰反应会非常灵敏（可以达到更高的俯仰率），但偏离(departure)和深度失速的可能性也会增加（特别是你使用CAT I构型的情况下，此配置下，滚转率的限制较少，俯仰权限也更大）。在F-16的C型机上，当内部燃料剩余约2000磅时，重心最靠后。在D型F-16上，当副油箱刚刚排空时，飞机重心会移动到最靠后的位置。这是由于D型F-16额外存在一个座舱位，因此内部油箱F-1的容量较小。

惯性矩阵

在过去的几年里，人们曾尝试对惯性进行仿真，但效果都很拙劣。这些尝试基本上都建立在对飞机的滚转响应的取巧。现在，BMS将飞机的惯性矩阵进行建模并实时更新，此建模同时将油耗和武器的影响考虑在内。

当你携带重型武器或在机翼中加满燃料时，请细细的感受下较小的滚转响应。