Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

190
8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 1/190  / REPORT 549-Part  T"T  

Transcript of Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

Page 1: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 1/190

 

REPORT 549-Part 

T"T 

Page 2: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 2/190

 ..  1   I   II  .»■  II- —~ —-   - w -  — -----  -  

A G A R D E P O R T 549 - A R T I 

NOR TH A T L A N T I C TREATY O R G A N I Z A T I O N  

A D V IS O R Y G R O U P F OR A E R O S P A CE RESEARCH N D D E V E L O P M E N T  

( O R G A N I S A T I O N   D U T R A I T E D E L' T L A N T I Q U E O R D ) 

C O N S I D E R A T I O N S IN   TH E D E T E R M I N A T I O N OP 

S T A B I L I T Y A N D C ON T R OL D E R I V A T I V E S A N D  

D Y N A M I C C H A R A C T E R I S T I C S P R O M P L I G H T D A TA  

by 

Chester H.Wolowicz 

N A S A Plight Research Center 

Edwards Air Force ase, California, S A  

This Report w as repared at he equest of he light Mechanics anel f G A R D  

Page 3: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 3/190

  • . I . '  f>i 

i *M » 

CONTENTS 

LIST OF TABLES 

LIST OF FIGURES 

NOTATION 

1 . INTRODUCTION 

2 . AXIS SYSTEMS AND COORDINATE TRANSFORMATIONS 

2.1 xis Systems 

2.2 oordinate Transformations 

3 . EQUATIONS OF MOTION 

3.1 nertial Quantities 

3.2 yroscopic Couples of Rotating Masses 

3.3 ravitational Force 

3.4 erodynamic Derivatives 

3.5 ummary of th e Equations of Motion 

3.6 etermination of th e Roots of th e Determinant of th e 

Lateral-Directional Small-Perturbation Equations 

4 . MASS CHARACTERISTICS 

4.1 eight and Center-of-Gravity Location 

4. 2 oments of Inertia 

4.3 nclination of Principal Axis 

5 . INSTRUMENTATION 

5. 1 ach Number, Altitude, and Dynamic Pressure 

5.2 ontrol Position Transmitters 

5.3 ngle-of-Attack and Sideslip 5.4 ngular Velocities and Accelerations 

5.5 inear Accelerations 

5. 6 hase La g and Response 

5.7 anges and Sensitivity 

5.8 ulse Code Modulation (PCM) Data-Acquisition Systems 

6 . FLICKT TEST TECHNIQUES 

6.1 ac h Number and Altitude 

6.2 ngle-of-Attack and Load Factor 

6.3 eroelasticity 

6.4 ontrol Inputs 

6.5 aneuvers 

6.6 eneral Comments 

Page 

2 2 4 

10 10 13 13 1 5 23 

25 

3 0 31 

34 35 39 

39 42 

44 45 45 

46 46 4 7 47 48 48 

5 1 

i i i 

Page 4: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 4/190

TZr-SXSSZ-TT- iW 

£ 

7 . ANALYSIS OF PLIGHT DATA 7 .1 undamentals of th e Time-Vector Approach 7 .2 asic Flicht Data 7 .3 etermination of  nd  Fro* Free Oscillations 

th e Absence of or Questionable  nd  Data 7 .4 quations for Longitudinal Control and Stability 

Derivatives 7 .5 quations for Lateral-Directional Stability and 

Control Derivatives 7 .6 he Graphical Tine-Vector Technique 7 .7 ther Analytical Techniques 7 .8 nalog-Matching Techniques 

8 . APPLICATION OF FLIGHT DERIVATIVES 8.1 erification of Wind-Tunnel Data an d Theory 8 .2 ffects of Aeroelasticity 8 .3 tability Criteria 8 .4 light Guidance 

9 . CONCLUDING REMARKS 

REFERENCES 

TABLES 

FIGURES 

in 

Page 

51 51 5 3 

54 

56 

6 2 7 0 7 2 7 4 

8 0 8 0 81 8 2 8 7 

88 

8 9 

9 5 - 1 0 4 

1 0 5 

iv 

Page 5: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 5/190

LIST OF TABLES 

T A B L E   I 

T A B L E   I I 

T A B L E  I I I 

T A B L E  I V 

T A B L E  V 

T A B L E   V I 

T A B L E   V I I  

T A B L E  V I I I 

T A B L E  I X 

T A B L E X 

T A B L E  X I 

T r a n s f o r m a t i o n  o f   D e r i v a t i v e s  f r o m   S t a b i l i t y  t o   B o d y   A x i s 

T r a n s f o r m a t i o n o f   D e r i v a t i v e s  f r o m   B o d y  t o  S t a b i l i t y   A x i s 

T r a n s f o r m a t i o n  o f   M o m e n t s   o f  I n e r t i a  f r o m   O n e   A x i s   S y s t e m t o   A n o t h e r 

G e n e r a l  E q u a t i o n s   o f   M o t i o n  

L i n e a r i z e d S m a l l - P e r t u r b a t i o n E q u a t i o n s   o f   M o t i o n 

L a p l a c e   T r a n s f o r m   F o r m a t  o f S m a l l  P e r t u r b a t i o n   E q u a t i o n s o f   M o t i o n  

D e s i r a b l e   C h a r a c t e r i s t i c s o f   I n s t r u m e n t s  f o r   F r e e - O s c i l l a t i o n 

M a n e u v e r 

F o r m a t  u s e d  b y  N A S A  F l i g h t  R e s e a r c h   C e n t e r  t o R e c o r d   A c t u a l C o n d i t i o n s   a t  T i m e   o f   M a n e u v e r 

P a g e 

9 5 

9 6 

9 7 - 9 8 

9 9 

1 0 0 

1 0 1 

1 0 2 

1 0 3 

1 0 4 

1 0 4 

1 0 4 

LIST OF FIGURES 

F i g .   1  D e f i n i t i o n  o f  b o d y , s t a b i l i t y , p r i n c i p a l , a n d   w i n d  a x i s   s y s t e m s ,  c o n t r o l   s u r f a c e  d e f l e c t i o n s , a n d   f o r c e  a n d   m o m e n t   c o e f f i c i e n t s  1 0 5 

F i g . 2  R e l a t i o n s h i p   o f   b o d y , s t a b i l i t y , p r i n c i p a l , w i n d , a n d  s p a t i a l - r e f e r e n c e  o r t h o g o n a l   a x e s   s y s t e m s  w h e n   b o d y   x - a x i s   i s r o t a t e d i n s e q u e n c e   t h r o u g h -\p  a n d  > 0 6 

F i g .   3  R e l a t i o n s h i p o f  a e r o d y n a m i c a n g l e s a   , ß  a n d y  a x e s   a n g l e s T )  a n d  a n d   E u l e r   a n g l e s p  a n d  t > 0 7 

F i g .   4  S e v e r a l  m e t h o d s   o f   c o n s i d e r i n g   E u l e r a n g l e p e r t u r b a t i o n s 0 8 

F i g .   5  R e l a t i o n  o f p  , q  , a n d  a b o u t b o d y   a x e s  a n d   E u l e r  a n g l e r a t e s  / /   , 9  a n d  > 0 9 

Page 6: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 6/190

Page 

Pig . 6 ertinent elationships of otating nass or yroscopic ouple  consideration.  Rotating xis parallel o z-plane of ymmetry o 

Pig . 7 n xample f he nfluence f anges f isturbances uch s  (A/SJj and  (A/3)2  on he alue f derivative o 

Pig.8 ffect f im e a g of m odification of vortex low about ifting surface n he hange n  C N  following nitial nstant 

change n  a 1 1  

Pig.9 irect ropulsive ffects f propeller 11  

Pig . 10  Direct ropulsive ffects of jet ngine 1 2  

Pig . 1 1   Jet -exhaust nflow effect n orizontal ail 12  

Pig . 12  Determ ination f ertical position f enter-of-gravity y tilting ircraft n oll 13  

Pig.13   Determination f ertical enter-of-gravity nd olling moments of nertia y olling oscillations 14  

F ig . 14  Determ ination f pitching m o m e n t of nertia 1 5  

Pig . 1 5  Determination f nclination f principal xis nd yawing m o m e n t of nertia 15  

Pig . 1 6 hotograph howing eneral rrangement or eterm ining  inclination f principal xis nd yawing m o m e n t f nertia. Springs ttached o mounting rackets ocated elow ings 1 5 

Pig . 1 7 mplitude atio  |Ap|/|Ar|  a s unction f pring estoring  angle 1 6 

P i g .   1 8  Details of total-pressure  c h a m b e r  and static-pressure o r i f i c e s .  

Reproduced  f r o m  Reference  2 4 1 7 

Pig.19  Photograph of a   t y p i c a l  NASA installation of angle-of-attack  a n d sideslip vanes on nose  b o o m 1 8 

P i g .   2 0  Effect of  r a t i o  of  b o o m l e n g t h t o f u s e l a g e  diameter o n Mach number e r r o r . eproduced  f r o m  Reference 30 1 9 

P i g .   2 1  Variation of   Mach number error w i t h  Mach n u m b e r . eproduced  f r o m  Reference 30 1 9 

F i g .   2 2  A t y p i c a l calibration  c u r v e f o r determination of true  Mach number  120 

F i g . 2 3  Determination of dynamic pressure  f r o m   t o t a l  pressure 

2 1 

v i 

Page 7: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 7/190

P i g .   24  Control position transmitter and recorder 

Pig.25  Theoretical e f f e c t s  o n  angle-of-attack measurements of  u p w a s h f r o m t h e  nose boom  a n d f u s e l a g e  a t l o w   s p e e d s . eproduced f r o m Reference 30 

Page  

1 2 2  

1 23  

Pig. 26 nfluence of light-path urvature n ane ndications f angle-of-attack 24  

Pig.27 ime-vector olution or orrecting ngle-of-attack ecords o the enter-of-gravity f he ircraft 2 5  

Pig.28 pherical low-direction ensor.  (Note ocation f pitch nd ya w eaction-control nozzles f he irplane.) 2 6  

Pig.29(a) Magnetically amped ngular-velocity ecorder 27 

Pig . 29(b)  Detail f inkage nd amping ystem 28 

Pig.30 nfluence f nterference ngu lar elocity "q" ate) bout pin reference xis f ensitive ate yr o 29 

Pig.31 quations or orrecting ate yr o ecords or nstrum ent m i s a l i ne m e nt 3 0  

Pig.32  Equations or orrecting ecords f inear ccelerometers o he center-of-gravity f he ircraft 3 1  

Fig.33 hart or orrecting ensing-recording ircuit f nstrum ent for hase ag 3 2  

Pig.34 hart or orrecting ensing-recording ircuit f nstrum ent or 

dynamic mplification 3 2  

Pig . 3 5  Functional chematics f pulse od e m odulat ion P C M ) ata- 

acquisition y s t e m s 3 3  

Pig.36 esults f nalysis f light a ta n egion f apid hanges n aircraft haracteristics  1 3 4  

Fig.37 ariation f he period f n - 1 0 0 eries irplane s  unction of Mach umber, altitude, angle-of-attack, and oa d actor from  

Reference 1 ) 3 5  

Pig.38 nfluence f ngle-of-attack nd oa d actor pon ateral characteristics f ne ircraft 3 6  

Fig.39 omograph or planning light est onditions n nvestigating aeroelastic ffects n tability nd ontrol  1 3 7 

« 

vii 

Page 8: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 8/190

Pag e  

Flg.40  Com parison of ateral-directional esponses o different ypes of udder nputs 3 8 

Pig.41   Typical ime histories of he ongitudinal esponse haracteristics of he est irplane esulting rom brupt tabilizer deflection 3 9 

Fig. 4 2  Typical im e histories of he ateral nd directional esponse 

characteristics of he est irplane esulting rom brupt a w - damper deflection 4 0  

Pig. 4 3   Comparison f ings-level nd onstant-heading ideslips 41  

Fig. 4 4  Relation f mall-perturbation olling elocity nd cceleration vectors o mall-perturbation oll-displacement ector n transient scillation 4 2  

Fig. 4 5  De term inat ion f period nd ha s e ngles rom ree-oscillation ata  1 4 3  

Pig.46  Determ inat ion f im e - to-da m p o ne-half m plitude nd m p l itude ratios rom ree-oscillation ata 4 4  

Pig. 4 7  Vector olution of  Aa /|A<x|  using pitch ate s a se or am pl itude atio hen ngle-of-attack ecords re unavailable 45  

Pig.48  Vector solution f  |Aat/|A/?|  using aw ate s base or 

amplitude atios when ideslip ecords are unavailable 46  

Pig. 49   Typical etermination of flight uantities or he evaluation 

of ongitudinal ontrol erivatives 47  

Pig. 5 0  A graphical ime-vector solution or  C N( X  an d C N  + N(3t) 48  

Pig. 51   Time histories of ongitudinal ulses performed n he X-15 

analog with he tability augmentation ystem engaged nd  

disengaged from Reference 2) 49  

Pig.52  Variation of g ift oefficient nd orresponding rim angle- of-attack with Mach um b e r from Reference 3 ) 50  

Pig. 53   Longitudinal eriod nd amping characteristics of he D-558-II 

airplane as unctions of Mach um b e r nd altitude 51 

Pig.54  Variation of static nd ynamic ongitudinal tability erivatives 

of he D-558-II irplane with Mach umber from Reference 3 ) 52 

Pig. 55   Comparison f light-determined horizontal-tail ffectiveness with 

wind-tunnel esults 53  

Pig. 56 ypical etermination f light uantities or he evaluation of lateral ontrol erivatives 54  

viii 

Page 9: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 9/190

Pig . 57   Comparison of  Cn^  as etermined y evera l different pproximate  methods ith he im e-vector method 

F ig . 5 8   Comparison f esults f etermining   Cu  by im e-vector method and teady-sideslip quations  

Fig .59 ypical raphical im e-vector olution f yawing nd olling stability derivatives 

F ig . 60 esults f raphical im e-vector nalysis f he ffects of power on he ateral-directional eriod, amping, nd tability eriva-  tives of th e -558-II esearch irplane from eference 3 ) 

Fig .61 rid plot se d o race ource f ncom patibil ity etween light and ind-tunnel ata  

F ig . 62 ypical im e ictory f maneuver o etermine derivatives y least quaring he quations f motion Reference 8)  

F i g . 6 3   Lateral-directional erivatives etermined y east quaring he  equations f m otion, a s er Reference 8 

F i g . 6 4  Typical nalog-match f  recovery-from -sideslip" maneuver of a n xperimental ircraft. M  .84  ltitude 49,400 t 

Fig . 6 5 nfluence f lexibility nd ir ntake o ngine n he  directional tability erivative ,  Cn« 

Fig .66 omparison ith light ata f esults f nalog s im ulation studies f 6 0 ° olls sing l ight-determ ined derivatives 

Page  

155  

155 

156-157  

158-159 

1 60  

161  

1 6 2 - 1 6 3  

164 

165 

166  

A  

ix 

Page 10: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 10/190

NOTATION 

The body  s y s t e m  of  a x e s , r a d i a n  m e a s u r e , and foot-pound-second  units  a r e  used throughout  t h e  paper unless specifically stated o r  indicated o t h e r w i s e . asic  s i g n conventions a r e   s h o w n   i n  Figure 1 . a  Section 1 ,  n  which a   number of  a x i s  systems a r e   c o n s i d e r e d , t h e  subscripts  a r e  used  t o  denote quantities referred t o   t h e  various s y s t e m s  except f o r  the quantities referred t o   t h e  b o d y  system of a x e s . h e  subscripts f o r  these quantities  a r e  omitted  f o r  convenience  e x c e p t   t o   i d e n t i f y   c o o r d i n a t e s , b  , y b  , a n d b  . 

perpendicular distance  f r o m   s p r i n g  t o  k nife  e d g e ( F i g . 1 3 ) , f t 

a, A   polynomial coefficients Section ) 

cross-sectional area of air-intake uct of et ngine at entrance, t2 

cross-sectional area of et-exhaust uct of et ngine at exit, ft2 

ax -afa

n  longitudinal, lateral, nd normal accelerations of he air- craft at he center f gravity elative o he ody ystem 

of xes; ositive orward, to he ight, and p, respec- tively,  g  units 

axl,ati,Bni  recorded values of  ax at and  aa respectively; corrected or hase ag nd misalinement ut no t or oca- tion elative o he center of gravity,  g  units 

b . B 

c ,   C 

w i n g   s p a n ,  t 

polynomial coefficients ( S e c t i o n   3 ) 

mean aerodynamic  c h o r d ,  t 

p o l y n o m i a l coefficients ( S e c t i o n   3 ) 

s p r i n g   c o u p l e ( S e c t i o n   4 ) , f t   l b 

coefficient of a x i a l  f o r c e   a l o n g   t h e  b o d y   x - a x i s ; positive t o   t h e   r e a r , X/qS 

phugold damping c o e f f i c i e n t , -   +  2C„ 3u  co s a co s ß 

< C o> u'P  contribution of ower o hugoid amping coefficient, 

y31 + _2C1_

B u   cosacos/3 

Page 11: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 11/190

Cc  a 

Cc. 3C „ ac 

B — 2 V  

2 k B*° 

2 V  

"CS. c

38. 

C La

CLS,

c.,(c,)8.(c,)w ,(cI)0 

ci„  

drag oefficient; oefficient f xial orce long he  stability -axis, ositive o he ear,  -X s/q S  

lift oefficient; oefficient f ift orce long he  

stability -axis, ositive p,  -Zs/q S  

W  qS 

lift-curve lope, Bc L /B<x 

B2V  

B*2 V  

BS_  

coefficient  o f  rolling-moment  a b o u t   t h e  b o d y , s t a b i l i t y , w i n d , a n d  principal x - a x i s , r e s p e c t i v e l y , ( r o l l i n g  moment)/qSb 

damping-in-roll  d e r i v a t i v e ,  B e , 

B  2V 

ft 

ch  B e _l_ 

r b 

2V 

x i 

Page 12: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 12/190

clß  

C lß  

c

 

cm l(ca)s(cm )m .(cm)0 

«Vp 

<C.ap 

effective dihedral  d e r i v a t i v e , 

«VP 

L«s , 

3 Cj  

18 

2 V  

pitchir-g-moment oefficient bout he ody, tability, ind, and principal y-axis, espectively, (pitching moment)/^Sc  

pitching-tnooent oefficient bout he erodynamic enter 

contribution f power o itching-moment oefficient 

3 CB 

longitudinal-stability erivative ,  -~da 

contribution of   power to longitudinal stability  (Equations ( 3 5 ) and  ( 4 4 ) ) 

2C_ 

«V , 

ac 2 V 

I3L 2 V  

V —Ä + B u   cosacos/3 

refer o quations 47), (48), and 4 9)  

norm al-force oefficient, coefficient f orce parallel o body -axis; ositive p ,  - Z / q T S  

contribution f power o orm al-force oefficient 

xii 

Page 13: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 13/190

4=  r  

C N c 3 c ,  

3a 

(CNJI  variation of contribution of C N)p i t h   a n g l e   o f  attack 

( C Na h . t .  variation of   normal-force coefficient of   horizontal t a i l with  l o c a l angle of  a t t a c k   a t   t h e   t a i l ; coefficient based 

on horiz ontal-tail area and l o c a l  dynamic p r e s s u r e ,  -Zh.t. gh.t.Sh.t. 

>%.t. 

(C N (X)v.t.  variation of coefficient of orce normal o vertical tail with vertical ngle of attack of vertical ail; oefficient based n vertical-tail area nd ocal ynamic pressure, 

( Yv-t-  ) 

Viy.tA.t./ 

'Vt. 

C N & 25L 3

2V  

CN, 

3CN  

3 H i 2V 

CNU longitudinal hugoid static-stability derivative, 

3 C „  2C « 3 u  co s a co s ß 

3S„ C „.<C

n>s-<Cn>w<Cn>o  yawing-moment coefficient bout ody, stability, wind, nd 

principal -axis, respectively,  (yawing moment)/qSb 

- n / 3 

3Cn 

static directional-stability  d e r i v a t i v e , ~öß  

ri ß ö C , n 

7 *  2 V 

- n r 3 C „ 

r b 

2 V 

x i i i  

Page 14: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 14/190

3 C  u«.p  

Cn j 

Cns. 

<Cx>. 

C y.(Cy)8(Cy)w.(Cy)0

cJß  

(Cy^Jp 

C*P 

3<* 2V  

3 8, 

thrust oefficient,  (thrust)/qS 

3u 

coefficient f xial orce long he ind -axis, qS 

side-force oefficient arallel o ody, tability, ind, and principal -axis, respectively,  C   = C_ )8 (Side orce)/qS 

3 /3 contribution f ower o C y  

2V 

3 C „ 

3* 2 V 

3  2V 

<Cz>w 

d . D  

e , E 

coefficient of  f o r c e  along the wind  z - a x i s , —- qS 

polynom ial oefficients Section ) 

2.178 

polynom ial oefficients Section ) 

xiv 

Page 15: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 15/190

K  

acceleration f ravity, ft/sec2

B  n  1  - sin£. V ec 

g - os 6 sin 0, —V ec 

h  

H  

H x.H y,H z

altitude,  ft 

angular-momentum ector f otating m a s s ,  Ir . b ft sec 

angular omentum f  H   about  x  body xes, respectively, lb t ec 

moment f nertia f otating m a s s f ngine bout ts rotating xis, slug t2

Wz

Ix o ,Iyo,Iz

Ix s 'Iy8

,Izs 

Ix r   I y r.Iz r 

moments of inertia  of aircraft  a b o u t  , y , z b o d y   a x e s , r e s p e c t i v e l y ,  l u g   f t

moments  o f  inertia  of aircraft  a b o u t  , y  , z principal a x e s , r e s p e c t i v e l y , s l u g f t

moments o f  inertia  of aircraft  a b o u t  , y  , z stability a x e s , r e s p e c t i v e l y , s l u g   f t

moments of inertia  of aircraft about  x   , y  , z reference a x e s , r e s p e c t i v e l y , s l u g f t

moment of i n e r t i a  of  c r a d l e  supporting aircraft ( S e c t i o n  4 ) , s l u g   f t

*;  i xz 

k  

K  

product f nertia f ircraft eferred o ody - nd z-axes, slug t2

stability-augmentation-system ain, sec 

linear pring onstant, lb/ft 

correlation onstant Section ) 

torsional pring onstant,  2 K ga2 ft b/rad 

xv  

Page 16: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 16/190

— 

I  

L.M.N 

distance as defined  l o c a l l y   a t  time of d i s c u s s i o n , f t 

r o l l i n g , p i t c h i n g , a n d  yawing  moments  a b o u t   b o d y  , y  , z a x e s , r e s p e c t i v e l y , f t l b 

LJ,II|,NJ  i n e r t i a l  r o l l i n g , p i t c h i n g , a n d   yawing  moments a b o u t   t h e respective body  a x e s ,  t   l b 

Lr.» M rB'Nr.  rolling, itching, and yawing moments ue o yroscopic action of otating m a s s f ngine, ft b  

( L )8, ( I I )8, ( N )S  r o l l i n g , p i t c h i n g , a n d  yawing  moments  a b o u t   t h e  stability x   , y  , z a x e s ,  t   l b 

r o l l i n g  acceleration a b o u t   b o d y   x - a x i s , r o l l i n g  moment)/Ix  , 1 / s e c

BL  qSb2 

= —= C ;  . f t l b   s e c Bp  ' P V 

= l,  q S b2 

2 V I . 

1  

s e c 

CP 

« ?  

i, 

>+1L„  +   -*£   N „ 

1  I  7  '  

_  xz 

hh 

BL  q Sb2

B r   =  C'rl7 

q Sb2  1  clr  2 VIX sec 

Cr X  

s e c 

, f t l b   s e c 

x z 

s e c 

BL —=  Cj^qSb.  t l b 

=  C q S b  1 

p Ix  sec' 

L« a 

BL —- =  C js qSb,  t l b BS  » a 

x v i 

Page 17: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 17/190

L $r 

L sr 

ma 

mi 

M ,  

M S ,  

8  . 

qSb 

s e c 

Cj j qSb. ft lb 

qSb 

mass of airplane, /g  slugs 

mass rate of  air intake of  jet engine, slugs/sec 

mass rate of  jet exhaust, slugs/sec 

Mach number 

ind jated Mach number 

Ditching acceleration about body y-axis, 

(pitching moment)/I  1/sec2 

ro^2 

= C„ q S c M 

Bq " *" « V 

qSc* 

,  t lb sec 

" 1 2VIy ' sec 

3M  qSc 

B u  = 

C f f l u T' 

l b SCC 

Cm q S c 

u y  sec

BM = —=  C^qSc  ,  t lb 

B« 

=  Cm 

q S c 

—I y  e e '  

BM  q S c2 

B T=Cm (i1 

f t l b   s e c 

q S c *  1 Cm-  , a 2 V Iy  s e c 

BM 

e f t l b 

L  

xvii 

Page 18: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 18/190

N  

qSc  l 

yawing cceleration bout ody -axls, yawing m om ent) / I 1/sec2

BN Sb * =  r-=C

3p CP  2V , ft b ec 

qS5 z  1  aP V I, sec 

*P 1  iz sec 

BN Sb2 

= nr ft b sec »   on 

=  c , 

Br ' 2V  

qS b2  1  nr

2V I2  sec 

K   *'*h1

1 -  xz  sec 

BN  =  = n/3qS b ft b 

'-n/J " i ' S b  1 

Iz  sec' 

N $rBN  ~= Cn8rqS b ft b 

R « i  - n s qSb  1 

r z  s e e r  

Ns, 

N sa 

BN —=C n5aqSb  . f t l b 

q S b - n g 

z  e e2 

^ 1 

x v i i i 

Page 19: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 19/190

p.q.r 

Wo  

P8' V r8 

p.q.r 

P 0>c» o 'ro 

p'i  

Pi-Pj 

PT 

p  

q  

< > c  

q ct

Vt.' V.t. 

R  

R  

rolling, itching, nd awing velocities, respectively, about ody xes, ad/sec 

rolling, itching, nd awing velocities, espectively, about principal xes, ad/sec 

rolling, pitching, and awing elocities, respectively, about tability xes, ad/sec 

rolling, itching, and awing ngu lar ccelerations, respectively, about ody xes , rad/sec2

rolling, pitching, and awing ccelerations, respectively, about rincipal xes, rad/sec2

static pressure, lb/ft2

Indicated tatic pressure, ncorrected ecorded pressure, lb/ft

2

static pressures cting cross nlet f ir ntake nd 

exhaust, respectively, of et ngine, lb/ft2

stagnation pressure,  qc  lb/ft2

period of hort-period oscillation, sec 

dynamic ressure,  i£v2 lb/ft2

im pact ressure; dynamic pressure f ompressible lo w  

(Equations 98) nd 99)),  lb/ft2

indicated m p a c t ressure, lb/ft2

dynamic pressures t he orizontal nd ertical ail, respectively, lb/ft2

instantaneous adius f urn Pig. 27),  ft 

reaction orce Section ), lb 

1  Laplacian perator,  a  cu 

s e c 

° i n 

^.t.'^-.t. 

instrument sensitivity 

wing  a r e a ,  t2 

horizontal- a n d  vertical-tail a r e a » ,  e s p e c t i v e l y ,  t: 

t i m e ,  e c 

x i x 

Page 20: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 20/190

1/2 

1   1  T"~* T 

TR 'T8

U.V.W

U.V.» 

A V 

Vi 

VJ 

" c 

x . y . z 

X.Y.Z 

Xg. Yg.Zg 

thrust due to p o w e r , lb 

time required  f o r  absolute value of transient short-period oscillation  t o  damp to   one-half a m p l i t u d e , s e c 

roll-subsidence and spiral-divergence   r o o t s , r e s p e c t i v e l y ,  

of  t h e  lateral-directional  characteristic  e q u a t i o n , —s e c 

roll-subsidence  a n d  spiral-divergence time   c o n s t a n t s ,  sec 

q(s) pitch-attitude im e onstant n numerator f 

transfer unction, s e c Ms

>  linear velocities relative  to body i   , y  , z a x e s ,  r e s p e c t i v e l y ,  ft/sec 

linear accelerations relative t o   b o d y  , y  , z a x e s , r e s p e c t i v e l y ,  t / s e c

Au 

AÜ 

a i r s p e e d , ft/sec 

velocity of  i n t a k e   a i r   a t a i r   i n t a k e  o f  j e t  engine  f t / s e c 

velocity of  j e t e x h a u s t ,  t / s e c 

weight of  a i r c r a f t , l b 

w e i g h t  of  c r a d l e ( S e c t i o n   4 ) , l b 

distances f r o m t h e  center of gravity a l o n g  b o d y  , y , z a x e s , r e s p e c t i v e l y ,  t 

forces along  t h e  body  , y  , z a x e s , r e s p e c t i v e l y ;  positive f o r w a r d ,  o   t h e   r i g h t , and d o w n ,  e s p e c t i v e l y , l b 

components of gravitational f o r c e  acting along t h e  body  , y , z x e s , respectively 

3 x  _  qS —=  -CCuT  b  s e c / f t 

x x 

Page 21: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 21/190

-~~r 

II 

-Ccu

q S  

m V  

1  

sec 

3 x 

3a = -Cca Ö S .  lb 

qS  1  - cc0 

m V   sec 

3 X  

38 -Ccsä * lb 

lv.t. 

lf 

lß 

n o . 

3Y  

=  -c,  qS cs 

3 Y _  

3 /3  

m V   sec 

«Wv.t.Qv.t.Sv.t. lb 

= Cy^S lb 

qS 

^ V sec 

lateral orce n plane f propeller isk ue c propeller, lb 

CySq S lb 

•  • ii 

=   C ys m V   sec 

3 Z qS -—  = - N — lb ec/ft 3 u V  -  qS  1  

" NU T — V   sec 

3z Sc  — - = - N„

 

lb ec 3 q q  2 V  

=  " N0 rqSc  

2mV  3 Z —= - NaqS lb 

xxi 

Page 22: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 22/190

Ö S 

( Z ) p 

Vt. a 

( a )p 

4 r 

Sa 

s .  

- CN<x— —

3 z 

mV  s e c 

q S c •   =   -  CN ; 

q S c 

2 V , l b  s e c 

-C«-  

contribution  o f  propulsion  s y s t e m   t o Z o r c e , l b 

-  ( C Na h . t . < i h . t .s

h . t . . l b 

angle of  a t t a c k  of a i r c r a f t  

change  i n  d u e   t o  influence of flight-path curvature 

a n g l e  of a t t a c k  of  a i r c r a f t   f o r  zero Z o r c e 

a n g l e  of a t t a c k of thrust  l i n e  relative  t o  airstream velocity a t  propeller or a i r   i n t a k e  of   j e t   e n g i n e ; thrust line considered  parallel  t o  axis 

maximum positive or  negative angle of attack obtained  i n  a 

r o l l  maneuver  ( F i g .   6 6 ) 

sideslip angle 

r a t e  of c h a n g e  of ß  w i t h   t i m e , rad/sec 

flight-path angle relative  t o  horizontal 

adiabatic  c o n s t a n t  

a i l e r o n   d e f l e c t i o n ; positive  w h e n   l e f t   a i l e r o n   i s  deflected d o w n 

iß elevator  d e f l e c t i o n ; positive w h e n  trailing edge  i s deflected d o w n 

rudder d e f l e c t i o n ; positive w h e n  trailing e d g e   i s  deflected t o   t h e   l e f t 

> rß 

dS, 

iß 

x x i l 

Page 23: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 23/190

sp 

r  

£ph 

V  

angle ncluded etween eference x-axis nd plane of spring 

couple Fig.15) 

increment 

a n g l e  between body  x - a x i s  a n d  principal  x - a x i s ; positive w h e n  reference  i s  a b o v e  principal axis a t  the  nose 

upwash  a n g l e   a t   t h e  propeller  d u e   t o   s u c h   f a c t o r s   a s f u s e l a g e  and wing 

short-period  r a t i o  of a c t u a l   d a m p i n g   t o   c r i t i c a l  damping 

phugoid  r a t i o  of a c t u a l t o   c r i t i c a l  damping 

i n s t r u m e n t  damping  r a t i o 

a n g l e  of inclination of p r i n c i p a l x - a x i s   r e l a t i v e   t o stability  x - a x i s ; positive  w h e n  principal x - a x i s   i s  a b o v e stability x-axis  a t  t h e  nose 

pitch attitude of angular-velocity v e c t o r , , of rotating

 mass of engine relative  t o   b o d y   x-axis 

"b  r e l a t i v e  aircraft  d e n s i t y , pS b 

P  a 

relative aircraft  d e n s i t y , pS c 

absolute viscosity, lb sec/in"2 

mass density öf ir, oiugs/ft3 

real part of Laplacian operator,  s a + w 

t ime arameter ,  -—  se c p\S 

< P A 4 >  

t ime constant or simplified stability ugmenta t ion ys tem, sec  

yaw, pitch, and oll, Euler orientation ngles, respectively, (In eneral ircraft motions, they are normally he orienta- tion ngles of he aircraft ody axis ystem o spatial (earth) eference ys tem.  In nstrument l inement, they  

refer o he misalinement f he nstrument eference axis system o he aircraft ody axis ys tem. )  

xxiii 

Page 24: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 24/190

« A  0.0 

$, 

$.  ij 

"n'^d 

"»in  

IJ I 

[L ] 

[L] 1

[ L ]8[Ub

w. ( b( s( w.( 0

()„ 

rate of rotation of t h e  Euler orientation  a n g l e s , rad/sec 

y a w , p i t c h , a n d   r o l l  Euler orientation angles of aircraft body axis system during  small perturbations relative t o body axis system preceding t h e  perturbations regardless of aircraft attitude preceding  perturbations ( F i g .   4 ( b ) ) , A t / / '  2 i   /Ardt  , Ö'  ~  jAqdt  . >'   jApdt 

damping a n g l e  

phase a n g l e  of vector quantity  elative a  vector quantity 

undamped a n d  damped natural f r e q u e n c i e s , r e s p e c t i v e l y , of the a i r c r a f t i n  short-period modes of  o s c i l l a t i o n , rad/sec 

undamped a n d  damped  natural f r e q u e n c i e s , r e s p e c t i v e l y , of t h e   a i r c r a f t i n  phugoid  modes of   o s c i l l a t i o n ,  r a d / s e c 

undamped n a t u r a l frequency of i n s t r u m e n t , r a d / s e c 

angular  r a t e  of  rotation of  rotating   mass of  e n g i n e , rad/sec 

absolute magnitude of a  vector quantity  ; a l w a y s  positive 

transformation matrix 

inverse transformation matrix 

transform  matrices t o  transform vector quantities  f r o m reference axis s y s t e m  t o   a i r c r a f t  stability a n d  b o d y   a x i s s y s t e m s , respectively 

transformation matrix representing transformation  f r o m  body t o  stability  a x i s   s y s t e m 

relative  t o   b o d y ,  t a b i l i t y , w i n d , a n d  principal a x e s s y s t e m s , respectively 

contribution  d u e   t o   p o w e r 

xxiv 

Page 25: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 25/190

r- 

CONSIDERATIONS IN TH E DETERMINATION OF STABILITY AND CONTROL DERIVATIVES AND DYNAMIC CHARACTERISTICS FROH FLIGHT DATA 

Chester  H.Wolowicz 

1 . INTRODUCTION 

T h e  determination of  stability and control characteristics f r o m   f l i g h t  data i n   t h e f o r m  of derivatives and  other behavior parameters h a s  become a n  important part of f l i g h t   t e s t i n g . s  new concepts  i n  airplanes  a r e  developed  or the airplane  f l i e s   i n new   Mach  a n d  altitude r e g i m e s , t h e r e   i s   t h e  need  to verify theory  a n d  wind-tunnel data and  t h e  various influences on stability c h a r a c t e r i s t i c s , t o  provide  i n f o r m a t i o n  not obtained  i n  wind-tunnel s t u d i e s , a n d  t o  uncover t h e   s o u r c e s  of discrepancies between prediction  a n d  a c t u a l f l i g h t   b e h a v i o r . h e r e  wind-tunnel data a r e  unavailable  o r  where s a f e t y  of  f l i g h t   i n t o  untested regions  i s  of  c o n c e r n , flight-determined derivatives have been extrapolated t o  predict airplane behavior prior t o   f l i g h t   i n t o   t h e s e   r e g i o n s .  

Because o f  t h e  exploratory nature of   many of t h e   i n v e s t i g a t i o n s , t h e  practical aspects of determining derivatives and  other behavior  p a r a m e t e r s ,  u c h   a s  oscillatory c h a r a c t e r i s t i c s ,  r o m   f l i g h t  data a r e   v e r y i m p o r t a n t . xperience h a s   s h o w n   t h a t   a maximum appreciation and  understanding  of  t h e  practical a s p e c t s   i s  attained w h e n  back- ground  knowledge  i n c l u d e s   a n  understanding of axis s y s t e m s , t r a n s f o r m a t i o n s , t h e equations of   motions and the limitations of   t h e   e q u a t i o n s , techniques used t o  determine t h e   mass characteristics  of the a i r p l a n e , the installation  a n d  behavior   of  f l i g h t  test I n s t r u m e n t a t i o n ,  l i g h t   t e s t   t e c h n i q u e s , and t h e   t h e o r y   a n d  limitations of techniques used  to determine the stability  a n d   c o n t r o l  characteristics f r o m   f l i g h t   d a t a . 

Although  s o m e   o f   t h e   f a c t o r s   mentioned  a b o v e ,  u c h   a s  a x i s   s y s t e m s   a n d  transformations a s   w e l l a s  aspects of t h e  equations of   m o t i o n , may  b e   f o u n d   i n   t e x t b o o k s , t h e  treatment i s  generally n o t  oriented t o w a r d   f l i g h t   t e s t i n g . o m e  of  t h e  techniques used  i n   d e t e r - mining stability and c o n t r o l  characteristics may  b e  found  i n  technical  r e p o r t s ; h o w e v e r ,  limitations of t h e  techniques occasionally may not b e   s h o r n . his paper attempts  t o bring a l l   t h e f a c t o r s  together t o  provide a r e a d y  reference of   pertinent  i n f o r m a t i o n .  I t i s , i n f a c t , a  greatly expanded  version of AGARD  Report 2 2 4 * . 

I t   i s   t h e  purpose of  t h i s  paper  t o  discuss  t h e  various  f a c t o r s  t h a t  influence t h e determination of stability  a n d  c o n t r o l derivatives  a n d  other behavior characteristics f r o m   f l i g h t   d a t a . ncluded  are illustrations of t h e  application of f l i g h t  derivatives t o  verification o f  predictions  a n d  t o  determination of aeroelastic  e f f e c t s , stability c r i t e r i a , and  f l i g h t  g u i d a n c e . his paper i s  intended  not o n l y f o r the practical engineer  w h o i s   w o / k i n g  w i t h   f l i g h t  data b u t   a l s o   f o r  the scientist  w h o   i s  attempting t o  develop n e w , sophisticated a n a l y t i c a l   t e c h n i q u e s .  

* StabilityDerivative Determination ro m Flight Data y  Chester H.Wolowicz  a n d Euclid C.Holleman, 

O c t o b e r  1 9 5 8 . 

Page 26: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 26/190

Acknowledgement f nvestigators hose ork as directly ontributed o he resent paper s m a d e n ach ection.  It s recognized that a n y noteworthy orks of ther Investigators re not eferenced. 

2 .  AXIS Y S T E M S N D O O R D I N A T E R A N S F O R M A T I O N S  

2 .1   Axis ystems  

In he tudy f th e ynamics f he irplane, as a n y s ix rthogonal xis ys tems  m a y e se d im ultaneously.  A n nderstanding of heae ys tems r eference rames nd their relation o he ircraft nd ts m otions t arious light onditions s ssential to th e roper nalysis f light ata.  Although omprehensive reatment f xis sys tems m a y e ound n eference , brief reatment of he xis ys tems s resented in his ection. 

2.1.1  Body Systems 

The ody xis ystem xb, b. b) s ody-fixed ith ts rigin t he enter of gravity f he irplane.  Th e  xb  axis s lways parallel o he u se l age eference  line nd h e n he enter f ravity s n he lane of ymmetry, s t ormally s, both he  xb  and  zb  axes re n he irplane' s plane f symmetry, s h o w n n  Figure .  T h e   yb  axis s ormal o he lane f ymmetry; hus, he ody ystem f axes s ngularly nvariant ith e spect o he ircraft tructure. 

Because f ts ngular nvariance ith e spect o he ircraft, the o d y xis ystem  is an xcellent rame f eference or mounting light est nstruments.  T h e rientation of he light est nstrum ents nd heir onsequent utput elative o he ody xe s - especially he inear ccelerometer nd ngular a te nd cceleration ensors - m a k e t convenient o etermine , f r o m light ata, stability nd ontrol arameters ith e spect to his eference raoe.  Aside r o m onvenience, his eference rame s he ogical frame bout hich o rient a t e s , ccelerations, and he tability n d ontrol ara- meters n he tudy f handling-qual ity riteria, inasmuch s he rientation f th e  pilot s nvariant elative o his rame. 

s * ' s *  z s) < s  a  s p e c i a l  case  of t h e  body axis s y s t e m . 

2.1.2  Stability System  

The stability  a x i s  system  ( x , Like  t h e   b o d y   s y s t e m , t h e 8 n d g x e s   a r e   i n   t h e  plane of s y m m e t r y   w h e n   t h e center of  g r a v i t y   i s   i n  this  p l a n e , a n d   parallel  t o   t h e   p l a n e   o f   s y m m e t r y   w h e n  the center  of  gravity  i s   not  I n   t h e  p l a n e . nlike t h e  body  s y s t e m , h o w e v e r , t h e g nd zs x e s   a r e   a n g u l a r l y   v a r i a n t  relative t o  t h e   f u s e l a g e  reference  l i n e . he g x i s i s  perpendicular t o   t h e   r e s u l t a n t velocity vector  a n d  t h e fl x i s  1s a r a l l e l t o   t h e component of t h e  resultant velocity vector projected onto  t h e  plane o t   s y m m e t r y ,  s h o w n i n Figure 1 . 

as 

T h e mportant arametric elationship etween he ody n d tability xe s yst ems is he ngle f attack,  a  hich s he ngle etween he   x  and  xb  axes F i g . 1 ).  

T h e tability xis ystem s o m m o n l y se d n theoretical ubsonic erodynamics nd 

subsonic ind-tunnel orce nd m o m e n t nvestigations.  It s lso mployed, n ccasion, in lace f ody xe s n light est nvestigations f ongitudinal tability nd control haracteristics.  

Page 27: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 27/190

2.1.3  Principal System 

T h e  principal a x i s   s y s t e m ( z r, y0 z 0) defines t h e  natural axes of rotation of  t h e a i r c r a f t . hey  a r e   t h e   a x e s  which  r e s u l t   i n  maximum  a n d   minimum  moments of i n e r t i a .  The  orientation of   this axis  s y s t e m   i n  the aircraft  i s  a function of  t h e   mass distri- bution  o f  the aircraft  a n d  w i l l  remain  f i x e d  a s   l o n g  a s   t h e  mass and  mass distribution r e m a i n f i x e d . hen the  l a t e r a l distribution of   mass  i s  symmetrical relative t o  the plane of  s y m m e t r y , which  i s  generally the  c a s e , t h e y0 xis w i l l coincide  w i t h  the yb a x i s , and t h e 0 nd zQ  axes w i l l l i e   i n  the plane o f   s y m m e t r y , a s   s h o w n   i n Figure  1 .  

T h e  inclination of t h e Q xis  ( P i g .   1 ) t o  t h e  x i s  of t h e  reference axis s y s t e m ( g e n e r a l l y  body axes  i n f l i g h t   t e s t  investigations) has a d i r e c t  bearing  on  t h e i n e r t i a l  moments experienced about t h e  reference axes  & &  reflected i n  the product of inertia t e r m J2 n   t h e  equations of   motion  a n d , h e n c e , on t h e   l a t e r a l  stability of t h e   a i r p l a n e .  

When  t h e  principal axes are used a s  reference a x e s , as they occasionally a r e   i n theoretical a n d  simulator i n v e s t i g a t i o n s , they  a r e  used t o  simplify  t h e  equations of motion  b y  the elimination of t h e xz t e r m . 

2.1A Kind System T h e  wind a x i s  system  i s  related t o  the resultant velocity vector and t h e  plane of 

s y m m e t r y  of t h e   a i r p l a n e . s  s h o w n   i n  Figure 1 , t h e w xis  i s  parallel  t o  t h e resultant velocity vector and l i e s  i n  t h e  transverse plane of  t h e  stability axes ( x sy8  p l a n e ) . o n s e q u e n t l y , t h e w xis i s  coincident with t h e g a x i s . he w 

a n d yw axes coincide  w i t h  their respective counterparts g nd yg h e n  t h e a i r c r a f t   h a s   z e r o   s i d e s l i p .  

T h e  important parameters associated w i t h   t h e  wind system  a r e   t h e  sideslip  a n g l e ,  ß  and t h e  angle of c l i m b ,  y basic definition  t h e  angle  of  s i d e s l i p ,  i s t h e   a n g l e  between  t h e , x i s   a n d  t h e  plane of  s y m m e t r y  and thus  l i e s   i n  t h e  trans- verse stability  a x e s  p l a n e , a s   s h o w n   i n  Figure  1 . t should  b e  noted t h a t   n o t   a l l / 3 - s e n s o r s  necessarily measure this ß  this w i l l   b e  discussed  i n  Section 5  on " I n s t r u m e n t a t i o n " . h e   a n g l e  of  c l i m b   a l w a y s   l i e s   i n  the  v e r t i c a l p l a n e  and  i s   t h e 

a n g l e  included between  t h e w x i s   a n d   t h e  horizontal  p l a n e .  

2.1.5  Spatial Reference System T h e  preceding axis  s y s t e m s  a r e  tied i n   w i t h  t h e  plane of symmetry of t h e  airplane 

w i t h   t h e i r  origins  a t   t h e   c e n t e r  of g r a v i t y ; a s   s h o w n   i n  Figure  1 . o  complete  t h e systems of a x e s   u s e d , a t   l e a s t  one i n e r t i a l ,  p a c e - f i x e d , axis system  i s   r e q u i r e d .  I n  dealing with  g e n e r a l  motions o f   a i r c r a f t , t h i s   s p a t i a l  s y s t e m i s  generally earth- referenced t o  describe  t h e  motion  o f   t h e  airplane  w i t h   r e s p e c t   t o t i m e f o r   s h o r t  time i n t e r v a l s . uch  a  situation  i s  indicated  i n  Figure  2 , w h i c h  shows t h e  relationships of  t h e  various  a x i s  systems previously described  a n d   t h e  relationship  o f   t h e  body  a x i s s y s t e m   w i t h r e s p e c t  to  t h e   s p a t i a l r e f e r e n c e ( x r, y r, zr) . hown i n   t h e f i g u r e a r e f l i g h t   p a t h y  a n g l e  of sideslip ß a n g l e   o f   a t t a c k  , a s   w e l l a s   t h e  Euler 

orientation a n g l e s , / '   , 6  and  >   of t h e  a i r p l a n e '   s  body axes relative t o the spatial a x i s   s y s t e m . his  i s   s h o w n i n  a  m u c h s i m p l e r f o r m a t i n  Figure  3 . h e  sequence of rotations of t h e  Euler  a n g l e s i s   i m p o r t a n t . e n e r a l l y , t h e  sequence of rotation i s 

Page 28: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 28/190

y p  and  p  this means t h a t  t h e  airplane  i s  initially  y a w e d , then p i t c h e d , a n d finally  r o l l e d . 

I t  should  b e  noted that y - 6 - a only w h e n   t h e  aircraft  i s  unbanked ( < t > =  0 ) . 

2.1.6 Perturbation Reference  rames 

I n  using  perturbation theory  i n  stability a n a l y s i s , Euler angle perturbations  may be considered t o  be superimposed o n   t h e  unperturbed a n g l e s , a s  s h o w n   i n  Figure  4 ( a ) , with the result that the perturbed angles are p +   A i / /   , 8  A#, and  / >   +   A < / >   , or t h e y  may b e  based o n  a secondary  s p a t i a l  reference  f r a m e   w h i c h   i s   t h e  unperturbed airplane axis system ( x t > 0 yb0 Zb0) . n  Figure  4 ( b ) t h e  unperturbed  body axes con- stitute the secondary  s p a t i a l  reference  f r a m e   a n d  a r e  oriented t o   t h e  basic  s p a t i a l  reference  f r a m e  through t h e  angles p  and  p  o w e v e r , the perturbed  planes a r e  oriented  to  t h e  secondary  s p a t i a l  reference plane  b y  t / ; ' , Ad'  and A0 '  w h i c h generally  a r e  not  t h e   s a m e   a s  « / »   , A0  , a n d A0  . 

2.2 Coordinate Transformations 

Coordinate transformations a r e  used s o f r e q u e n t l y   i n  dynamic studies of aircraft that some consideration should b e   g i v e n  t o  this  s u b j e c t . iterature o n  transformations is extensive and ranges  f r o m   t h e   c l a s s i c a l mathematical treatments (Reference  2 , f o r e x a m p l e ) t o  engineering applications  (References 3  and  4 ,  o r  e x a m p l e ) . t this  t i m e ,  the  most pertinent transformations a r e  considered  t o   s e r v e   a s  guidelines f o r  other transformations  t h a t  may  b e   d e s i r e d . 

2. 2.1  Transformation ro m Earth Reference 

Axes o Airplane Axes 

Consider Xr , Yr , ordinates  y z .  

a n d Zr s  generalized vector quantities acting along the  c o - , r e s p e c t i v e l y . h e  transformed vector quantities  , Y , Z 

acting along b  , yb  , a n d z b x e s , r e s p e c t i v e l y , a r e  obtained b y  performing t h r e e  successive r o t a t i o n s , / /   , 8  and  >  t o  define  t h e   a i r p l a n e '   s orientation with r e s p e c t   t o  t h e  reference a x e s r  y r , and z r hrough  a  transformation matrix L ] 

a s  follows 

Y  \~

Y  =  [L ] 

Y

r Z   _

Zr = 

& ] 

(la) 

1 0  cos < p  sin >  

0  -sin 4 >  cos t>  

L  cos # cos l/ / 

sin 4 >  sin 8 cos \ p  -sini/'cost/j 

cos i f »  cos 4 > sind . +sin</'sin<£ 

-sin 8 

0  

cos 

" c o s 8  0  

0 sin  0  

cos 8 sin«/ ' 

sin i /'  sind sin < p  

+cosi/ /cos</>  

s ini />cosc />sin 8 -cosi />s in<£ 

cos /» in 0 -sin 0 os /*  

0 -sin 8 

sin-/>cosö 

cos <£^os6>  

(lb) 

(lc) 

Page 29: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 29/190

2.2.2  Transformation rom Airplane Axes o Earth Axes Since projection rom airplane xe s o earth xe s s n nverse process of he 

preceding ransformation, premultiplication of Equation la) y he nverse rans- formation matrix  [L]"

1  results n 

" Xr  x  

Yr  =  [L]-1

Y  

w  Z 

(2a) 

H o w e v e r ,  i n c e   t h e  orthogonal projections o n   t h e  airplane axes are being transformed t o  orthogonal projections on  t h e  e a r t h   a x e s , t h e  inverse of  the transformation matrix [ L ] n  Equation ( l c ) i s   t h e   s a m e   a s  i t s   t r a n s p o s e ; t h u s  

008 00081/) 

cos#sini/> 

-sin 8 

sin  t >  sin Ocos^p  -sini/icosc^ 

sin sin sin  

+COS</>COS<£ 

sin < p  co s 8 

co s < / <  co s i >  sin 8 +sin</'sin<£  

sin'/'cos^sinö 

-cos i / >  sine/) 

co s 0co s 6  (2b) 

2.2.3  Relationship Between Airplane Rates  p q and  r  and Euler Rates  \ p  8  and  t>  

It hould e ecognized rom Figure  hat, although he airplane ate-vector quantities,  p q  and  r  are orthogonal, the Euler ate-vector quantities are not. Thus, to obtain he elationships of  p q and  r  as unctions of  \f i  nd  4 > it s necessary o ransform   \ p  nd  j>   to omponents long  xr  r and  zraxes nd he n pply Equation lc).  The first ransformation s ccomplished apidly 

by pplying Equation 2b ) nd considering ac h Euler quantity s special case of transformation f  ody axis quantity.  T o wit: in Equation 2b ) oth  4 >   and  8  are 

considered er o or  \p   and  8  and  < £   is onsidered er o or  < p  Hence, the e- sulting ransformation o he eference xes will e 

co s 8 co s \ p  co s 8  sin < />  

-sin 8  

- s i n i / ' 

cos^  ( 3 a ) 

Substituting Equation ( 3 a ) i n t o  Equation ( l c ) results  I n   t h e   f o l l o w i n g : 

X   P  1  0  -sin 8   '

Y   =   q  =  0  COS0  sin 4 > c o s 8   e 

Z  r  0  -sin$  co s 8  co s 4 >   t ( 3 b ) 

T o  obtain  t h e  inverse of Equation  , ( 3 b ) < f i t   i s  necessary  t o s o l v e   f o r t h e  inverse of the transformation matrix since  >  8  and ^ a r e  n o t  orthogonal and hence  d o  not 

Page 30: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 30/190

penult he use of th e ranspose or he nverse .  This s ccom plished y olving or  th e nverse matrix  [L]"

1  n he elationship 

10  0  

[L ] & J"1  =   0  1  0  . 

0  0  1  

After olving or [L]"1 th e nverse f quation 3 b) s etermined o e 

(4) 

0  1   s in  <£tan &   cos0tani9  P 

6  =   0   C O S 0   -sin<p  q  

t  0   s in  4 >  seed  cos<t>sec8  r 

(5 ) 

2.2.4  Transformat ion of Euler Angles ro m he Body to he Stability Axis System  

If wo different otation eries iv e he am e tarting nd nding orientation, he  matr ices epresenting he otation eries re qual , e l ement or lement , In he wo transform ation m atrices .  Thus, he uler ngles ,  i/ /g B  nd  4 > s  f he tability axes an e erived rom he Euler ngles , \ p b  b  nd  4^  f he ody xe s y he  following ransform ation matrix elationship 

w ,  .u .  (6) where  [L S is he ransform ation matrix of Equation lc) sing tability xis rienta- tion ngles  \p 8  & B  and  4 > s  in lace f  0 6  and  4 > and  [L ] b  is he a m e  transform ation matrix sing ody xis rientation ngles  \ pb  & b  and  4 \ >  in lace  of  4 >  nd  < p f he am e uccess ive otation eries s mployed.  The rans- form ation  [a ]s is he matrix epresenting he ransform ation r o m he ody o he  stability xis ystem , r 

W . cos a  0   s in a  

0 0 -sin a 0  co s a  

(7) 

U p o n erforming he matrix multiplication h o w n y quation 6), nd hecking  corresponding l em ents n he quated esults o btain he ost easible l ements or  th e esired esult, th e ollowing elationships re rrived t 

sini9„ 

sin0s 

sini// 

co s a  s in  & b - in a  co s  6b cos  <^  

s in  < t \ y  cos  6b 

co s  6. cos acosöjjSinv^ in a sini/^, cos «^  sin & b - os</^ sin^j , )  

C O S 

(8) 

Page 31: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 31/190

2.2.5  Transformation of Aerodynamic Coefficients o 

Var ious Axis Systems 

The ollowing ransformations re ccom pl ished eadily y mploying quat ion 2 b) an d eplacing  < / >  and  4 >  in he quation y  -ß  a .  and  0  espectively. Thus, o ransform rom ody o tability xes, et  ß  hereby btaining 

C„  =  Cc cos a + N sin a 

<CJ > s =  < V  

-Cc sin a  N cos a 

(C.)  _ I  = Cj os a  n sin a 

(9) 

(10) 

<C

B>s  = C B 

(Cn)s =  -Cj sin a  „ cos a 

Similarly, o ransform rom od y o in d xes 

(Cx)w Cc cosacos/3  y sin/3 - N sinacos/3 

(C w c cosasinp  y cosp N sinasin/5 

(Czw CL  = C c sin a - N cos a 

(Cj)w j cosacos/S  Bsn/3  n sin acos/0 

(C B)W B cos/3 - j cosasin/3 - n sinasin/3 

(Cn)w n cos a - j in a 

Also, or tability o in d xes, et  a  obtaining 

(Cx)w =  -C„cos/3  Cy)8sn/Ö 

(Cy)w = C Dsn/3  Cy)8cs/? 

<Cz> w =  -CL 

(cl = (Cj)scos/3+ CB)8sn/S 

«Vw =  «V8 cos/3- Cj)8 in/3 

T o  transform f r o m  wind  t o stability  o r   b o d y   a x e s , o r   s t a b i l i t ) ' t o  body  a x e s , u s e   i s 

made of   Equation ( l c ) . 

( I D 

Page 32: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 32/190

2.2.6  Transformation of Derivatives The transformation of  derivatives  f r o m  one axis system  t o  another goes beyond pure 

kinematic  transformations. ongitudinal derivatives a r e  relatively simple  i n  their t r a n s f o r m a t i o n s ; lateral'directional derivatives are   more complex i n   t r a n s f o r m a t i o n s .  The s e v e r a l  examples w i l l  illustrate t h e  procedure to obtain derivative t r a n s f o r m a t i o n .  Influence  of factors such a s  power i s not considered a t  this  t i m e . 

Transformation of   longitudinal derivatives  i s  accomplished by direct differentiation of   the coefficient e q u a t i o n s . his is possible because  and q are n o t  modified by the axis system  u s e d . or  e x a m p l e , t o  obtain the derivative of CL ith r e s p e c t   t o 

a  n  a  transformation  f r o m  body t o  stability a x e s , differentiate the equation f o r C , n  Equation  ( 9 )   o b t a i n i n g , on a  per radian b a s i s ,  

CLn -CCasin a + C N (xcos a - C„  ( 1 2 ) 

T h e  transformation of   the lateral-directional derivatives  i s   more  c o m p l i c a t e d , i n a s - much  a s   t h e  angular  r a t e  variables  nd p r e  affected  b y   t h e   t r a n s f o r m a t i o n . t this t i m e , sideslip  a n g l e ,  is n o t  considered t o   b e  affected b y  t h e  transformations b e c a u s e  of i t s  d e f i n i t i o n ; h o w e v e r , t h e  type of   / 3 - s e n s o r used  i n f l i g h t  tests -  whether i t   b e  a v a n e , floating c o n e , or  b a l l  nose - does  have a  bearing o n   t h e  interpretation of t h e ß  r e a d o u t  a n d  the meaning of t h e  derivatives with  r e s p e c t   t o   t h e  sensed ß T h i s   i s  discussed  i n  Section  5 . 

CoiPider t h e  transformation of lateral-directional derivatives f r o m  t h e  stability t o   t h r b o d y   a x i s  s y s t e m . ransformation of  t h e  yawing  a n d  rolling  moment equations  i s a c c o n , )   1 1   s h e d   b y 

N  N )8  c o s   a  +   ( L )ssina 

L  L )8cosa   - ( N )s  s i n   a , 

where  L  and  N   represent olling nd yawing moments, espectively. 

However, 

( N )s 

(D8  = 

r«b

  ,n   .,     .   ,n  , P

8b  A  ,„  x   s] < C aß)*ß + Cnr)8 -i- + Cn/3 )s—+ Cnp)8-A-  Cn?)8S  gSb 

r  3b

 (C iß)sß + Clr8 -i-  Cnß)B — + C ip), A- + C /5)8S|gSb 

(13) 

(14) 

It will e necessary o xpress Arg  and Ap8  in Equation 14 ) s unctions of Ar  and Ap  using he ransform  

r co s a - sin a 

p co s a + sin a 

(15) 

Page 33: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 33/190

: - ' M  

Upon substituting Equation ( 1 5 ) i n t o   ( 1 4 ) and  Equation ( 1 4 ) i n t o ( 1 3 ) , a n d  regrouping t e r m s ,  

Üb 

+ (C Er)8cs2a + Cjp)ssn2a+ CBn Cir3sn np wr "jrb  

J V  

ßb 

pb  

2V  

and  

KCn^sCOsa Ciß)asin a\ß + 

+ KCn^scosa + C gslna — 

+ (Cnp)8cs2a-C ir8sn2a- C„r - jp)8sin acos a 

+ (Cnj)sCosa+ ClssSina 

L o —  =  (Cl^s cos a - C n ^ g ) s sin a p 

+  'C /p)8cos2a + Cnr)8sn2oc - C„p  jr8sinacos a — 

T I 3 b +  (Ci^s cos a - Cn/g)8sin a — 

'  ( 1 6 a )  

[ < (C j  Jscos'a- C„_)8sn<a- Cn  - j 8 sin r  -'p' -lrb 

, a cos a — J V  

[ ' (C ls8cosa- Cns8sn 2s. 

( 16b) 

Summari e s f ransformations f erodynam ic erivatives rom tability o ody xis sy s t e m , and ice ersa, a re iven n able s  nd I. 

2.2.7  Transformation of Mom ent s f Intrtia ro m  

O ne Axis System o Anothe r 

Although his opic s overed n pplied m echanic s iterature, an llustrative exa mp l e s iven s efresher.  Also ncluded re ables of ransformations or ready eference. 

T o btain IXg  in e r m s f ody xes quantities, se s ade f he undamental  

relation 

i*s "<y.+ 8> * (17) 

Page 34: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 34/190

10  

Substituting he ollowing ransform nto quation 1 7 ) , 

x g  =   x cos a + s in  a  

zs  =   z co s a - x sin a 

and xpanding, 

Ix B  =   [/(*£ Zjj) m ] co s2 a + /(y£ £) t a i l in2 a - r' xbzbd m | sin a co s a 

=   Ix cos2 a + I2 s in2 a - 2IJZ sin acos a 

=   i (Iz Ix) - i (Iz - Ix) co s a - IIZ 3 in 2 < x 

( 1 8 ) 

3 . EQUATIONS OF MOTION 

T h e  equations of  notion of a n  airplane a s  found i n   t e x t s  o n  aircraft dynamics ( s u c h 

as  Reference  5 ) a n d  a s  normally presented i n   t h e  t e c h n i c a l l i t e r a t u r e ,  l t h o u g h prosaic 

i n   a p p e a r a n c e , d o   c o n t a i n  complexities  i n  the  s i g n i f i c a n c e  of the individual  t e r m s .  

T h e  following discussion  i s  intended  t o   a c q u a i n t t h e  reader  w i t h  the  s c o p e  of  t h e  

complexities which  m a y  be encountered and which should b e  recognized and   managed  i n 

dealing w i t h  t h e  equations  of   m o t i o n . n  understanding  o f  t h i s   matter  i s  important 

i n  applying  t h e   equations  t o  d e r i v a t i v e  determination f r o m   f l i g h t   < < a t a . 

3 . 1 n e r t i a l Quantities 

I n a l l considerations of t h e   i n e r t i a l portions of  t h e   e q u r n s of m o t i o n , t h e   a x i s 

system used has  a  d i r e c t  bearing  o n   t h e  expressions  f o r   i n e r t i a l f o r c e s ; t h e  degree 

of asymmetry of the  mass distribution of t h e  aircraft  a n d  the  magnitude  a n d  violence 

of t h e   a i r c r a f t noti/ws  a f f e c t   t h e   f o r m a t  of the expressions f o r   i n e r t i a l   m o m e n t s .  

I t   i s   a s s u m e d , f o r   t h e  purposes o f  this p a p e r , t h a t   t h e   a i r c r a f t  b e h a v e s   a s   a  rigid 

b o d y . here aeroelasticity  i s   a   f a c t o r , i t  i s  assumed t h a t  proper  precautions  w i l l 

have been taken to provide assurance  t h a t  t h e  rigid-body  c o n c e p t   w i l l  provide  a  good 

degree of a p p r o x i m a t i o n . 

Inertial  quantities  a r i s e   f r o m   t h e   I n h e r e n t   a c t i o n  of t h e   a i r c r a f t w h o s e  various 

components  a c t   a s   a   r i g i d - b o d y   a s s e m b l y and  f r o m   t h e  rotating masses attached t o   t h e 

a i r c r a f t .  

3.1.1  Inherent Aircraft General nertial orce Expressions Inasmuch  a s our interest  l i e s   i n  t h e  analysis of  f l i g h t   t e s t  data oriented t o   t h e  

b o d y axis  s y s t e m , t h e   i n e r t i a l f o r c e  expressions  a p p l i c a b l e   t o  this axis s y s t e m  and 

f o r  a l l attitudes of  f l i g h t   a r e  

X j  m( ü  +  qw   -  r v ) 

Yj  m( v +   r u  - p w ) 

Zi -  m( w   - q u + p v ) . 

( 1 9 a ) 

( 1 9 b ) 

( 1 9 c )  

Page 35: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 35/190

1 1  

If he tability xis ystem ere mployed s he eference nstead f he ody xis s y s t em ,  q w w  inasmuch s here s o inear elocity omponent long he z-stability xis. 

3.1.2  General Inertial-Moment Expressions 

F or he eneral ase here he principal xes re sym m etr ic o he arious planes of he eference xes,  th e nertial-moment xpressions re  

Lj  =  Ixp  (rp - )  X2(r q) yzr2 - 2)  Iz - y)qr 20a) 

Ui = Iyq yzrq - )  r r) xzp2 - 2)  I, - zrp 2 0 b ) 

N j   =   Izf xz(qr - ) yzq p) + I q2 - 2)  Iy - xpq  20c) 

Fortunately, situations nvolving eneral symmetry f he ircraft re are. ormally ,  the ehicle will a ve m a s s distribution y m m et r i c a l elative o he z-body lane f symmetry , with he esult hat he principal -axis oincides ith he -body xis. Under uch ircumstances,  ITV  = and he eneral nertial-moment xpressions reduce o he ollowing orma lly mployed orm: 

Li  =  TxP xz(i  S) dz  y)qr 2 1 a )  

M j  =  Iyq xz(p2 - 

2)  Ix - zrp 2 1 b ) 

N j  = Izr - xz(p - r)  Iy  x q  21c) 

The nertial xpressions n quations 2 1 a , b, c) re nonlinear nd hus ot uitable for use n he erivation f losed-form tability quations.  However, they re e- quired n nalog r igital omputer tudy f he m otion f he ircraft n eneral or iolent aneuvers nd n h e nalog matching f light a ta rom uch ma n euver s in ttempts o e t ermine he ffective alues of he tability nd ontrol erivatives for he aneuver. 

In iolent maneuvers , the e r m s nvolving  pq   and rp a re particularly m portant . These e r m s , a s well s qr a re yroscopic e r m s .  Modern igh-perform ance ircraft tend o ave ow alues f I% compared o I  an d Iz with he esult hat yro- scopic ction epresented y (Ix  2rp an d  (Iy  xpq in particular, ha s een responsible or he uncontrollable, catastrophic oll-coupling behavior f t east one et ircraft fter  eliberate ig h oll ate nput. 

W h e n he m otions f he ircraft re m a l l r radual , the nertial-moment xpressions m a y e implified o 

( 2 2a ) 

( 22b)  

(22c) 

h   =  I«p- "W 

Mi  =   ^

Ni

=   v- w >  

Page 36: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 36/190

1 2 

3.1.3  Small-Perturbation Inertial Expressions 

T h e  classical approach  t o   t h e   s t u d y  of a i r c r a f t  dynamic stability and c o n t r o l  involves the use of s m a l l  disturbances  ( p e r t u r b a t i o n » ) . estricting t h e motions t o  s m a l l   d e - viations  f r o m  steady-state conditions allows the elimination of   non-linear  t e r m s   f r o m  t h e   i n e r t i a l   e x p r e s s i o n s . uch  motions  a r e  u s e f u l i n  defining  t h e   s t a b i l i t y , c o n t r o l ,  and   handling qualities of t h e   a i r c r a f t , a n d  t h e  p i l o t  effort  o r  autopilot character- i s t i c s  required t o   c o n t r o l  t h e m o t i o n . t  h a s  b e e n  found  that t h e  use of s m a l l   - perturbation t h e o r y g i v e s  good results and permits t h e  development of a n a l y t i c a l  e x p r e s s i o n s .  

T o   a r r i v e   a t   t h e  small-perturbation  i n e r t i a l   e x p r e s s i o n s , r e p l a c e  the  i n d i v i d u a l  acceleration and velocity terms i n  Equations  ( 1 9 a , b , c ) a n d  ( 2 2 a , b ,  ) by accelera- tions a n d  velocities made up of disturbances superimposed on equilibrium conditions so that ü  , e t c . , i s  replaced by ü   +   Aü   , e t c . , r e s p e c t i v e l y ; expand t h e  p r o d u c t t e r m s ; n e g l e c t   t h e  second-order quantities ( A r A u , f o r   e x a m p l e ) ; and s u b t r a c t   t h e   i n i t i a l conditions  f r o m  t h e   f i n a l  resulting c o n d i t i o n s . n e  resulting small-perturbation i n e r t i a l  expressions  a r e 

AX j  m[Aü +  w Aq + qA w   - rAv  v A r ]  ( 2 3 a ) 

A Y ,   i l A v  +  uA r  + rAu - w Ap - pAw] 

AZ j  m[Aw   -  uAq  - qA u  +  pAv +  vAp] 

( 2 3 b ) 

( 2 3 c ) 

a n d 

A L ,  

A M ,  

I^P 

IyAq 

I xzAr 

ANi  A-I P

( 2 4 a ) 

( 2 4 b ) 

( 2 4 c ) 

Equations ( 2 3 a , b , c ) show  t h a t lateral-directional-mode perturbations Av ,   Ar , and Ap p p e a r i n  t h e  longitudinal-mode equations Ax i n d Az i , a n d  t h a t   t h e longitudinal-mode perturbations Au n d Aw a p p e a r   i n  t h e  lateral-directional-mode equation Azi . h i s  coupling of  t h e   t w o  modes  c a n  normally  b e  minimized  t o  p e r m i t 

practical use of  t h e  uncoupled  practical approximation of   Equations ( 2 3 a , b , c ) s h o w n i n  Equations ( 2 5 a , b , c ) . his m 'limization  i s  achieved  i n f l i g h t   t e s t  maneuvers s u c h as elevator pulses  f o r  perturbation of t h e  longitudinal mode  a n d  rudder or  a i l e r o n pulses  f o r  perturbation of  t h e  lateral-directional  mode initiated during s t e a d y   w i n g s -  l e v e l  or steady turn  f l i g h t .  

Ax ,  m[Aü + wAq]  ( 2 5 a ) 

AYA  [A v A r  Ap]  

AzA  -  mfaw - A q - A u]  

( 25b) 

(25c) 

Page 37: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 37/190

L—' . 

13  

3.2  Gyroscopic Couples of Rotating M a s s e s  

Spinning m a s s e s ounted n he ircraft  uch s propellers nd otating l e m e n t s  of ngines - possess ngu lar omentum elative o he eference body) xes nd pro- duce yroscopic ouples n he ircraft hich ould e ignificant, s as he ase n the -5 irplane6.  Normal ly , the yroscopic ouples re negligible; owever , he dvent of ertical-rising ircraft ith ilting ngines nd he ncrease n ize f propulsion units n igh-perform ance ircraft ak e t nadvisable o rbitrarily gnore his coupling. 

F or  otating m a s s aving otating xis n r parallel o he z-plane f ymmetry bu t t n ngle & rm  to he -body xis Pig.6), it a n e hown rom he oment f momentum elation,  ü >  f  and  H rmQ hat he yroscopic ouple bout ach f he body xes s 

Lr m   =   1«z-ry  -Irmn1snör m 26a

>  

M rB  =  r H x-z =  rBQ(reo8 0rB psinV 26b) 

N rm  =   pHy-qHx  =  -IrBnqcos0rm  . S6c)  

These otating m a s s ontributions re dded o he nertial oments xpressed y Equations 2 0 a , , c),  ( 2 1 a , b, c), and 2 2 a , b, c). 

F or mall perturbations of he ircraft, he perturbations f br . yroscopic ouples resulting rom he otating m a s s re xpressed y 

ALr»   =   -Irm QSin0rill 2 7 a ) 

AMr m   =  Irft(Arcos0riB+APsn0rill) 27b) 

ANr m   =   -IrB qcos0rm  . 27 c ) 

These erturbations re dded o quations 2 4 a , b, c) hen ignificant, in hich  case, quations 2 4 a , , c) will ecome nter-dependent because f he oupling f he longitudinal-mode nd ateral-directional-mode oment quations.  It hould e oted  that, if 9ra were ariable, the bove elations n quations 2 7 a , b, c) ould ave  required urther xpansion nd ntroduced n dditional egree f reedom n h e orm  0f  Aör.  •  m  

3 . 3 Gravitational F o r c e 

T h e   g r a v i t y f o r c e   w i l l   n o t  contribute  t o  t h e  moment  equations  a s I o n s   a s   t h e  origin 

of  t h e   a x i s   s y s t e m i s   a t   t h e   c e n t r e  of  g r a v i t y .  

Page 38: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 38/190

1 4 

3.3.1  Components of Gravity F o r c e  

With the gravity  f o r c e W acting along  the r x i s , the expressions  f o r  the 

components of gravity  f o r c e  acting along  the body axes a r e readily deduced f r o m  Figure 

4 ( a )  to be 

Xg = -Wsind 2 8 a ) 

Yg  Wcosdsin<£ 2 8 b ) 

Zg  Wcosdcos$  2 8 c ) 

T h e s e  components  a r e  subtracted  f r o m  t h e  inertial-force quations ( 1 9 a , b , c ) . 

3.3.2  Small Perturbations 

S n a i l  perturbations of t h e  components of t h e  gravity  f o r c e may  b e  based o n  Euler 

a n g l e  perturbations superimposed  on  t h e  unperturbed angles using  the same basic 

reference  f r a m e , or on Euler  a n g l e  perturbations relative  to a secondary s p a t i a l 

reference  f r a m e made up of t h e  unperturbed aircraft axis  s y s t e m  a s  discussed  i n 

Section  2 . 1 . 6 . and as  s h o w n   i n  Figure  4 ( b ) . n  this second  a p p r o a c h , unperturbed 

b o d y  axes  a r e  used a s   t h e  secondary  s p a t i a l reference  w h e n i n t e r e s t i s  primarily  i n 

perturbations of body-oriented  f l i g h t   t e s t   d a t a . 

Using  the  f i r s t   a p p r o a c h , replace 9  and  >   i n  Equations  ( 2 8 a , b , c ) b y d   +  Ad 

and  > +   A < / >   ,  e s p e c t i v e l y ; expand  t h e  resulting trigonometric  f u n c t i o n s ,  consider cosA_~  l   sinA  _~  A_,   a n d A_A_~  0 ; a n d  subtract t h e   i n i t i a l  conditions  f r o m 

t h e   r e s u l t . h e   resulting small-perturbation expressions  a r e  

AX. 

AZ „ 

-WAd cos e A yg  =  W(Ad cos 8 cos < t> - A d sin 6 sin < p )  

-W(A<£ osdsin<£ + A d ind  cos < £ ) 

( 2 9 a ) 

( 2 9 b ) 

( 2 9 c ) 

I n   t h e   s e c o n d   a p p r o a c h , using  t h e  unperturbed  b o d y  axes  a s   t h e  reference and & )'  AÖ '  a n d A < £ ' F i g .   4 ( b ) ) a s   t h e  Euler angles of t h e   p e r t u r b a t i o n s , t h e  p e r - 

turbations of t h e  components of  g r a v i t y  a r e  obtained b y  using Equations ( l c ) a n d 

( 2 8 a , b , c ) . n  Equation ( l c ) t h e  generalized quantities Xr , Yr , and Zr r e  replaced  b y   t h e  expressions  f o r Xg  g and Zg  , r e s p e c t i v e l y ,  a s   g i v e n   i n 

Equations ( 2 8 a , b , c ) ; a n d   t h e  Euler angles  p 8 a n d   4 >   a r e  replaced by  i / / ' , 

Ad' , and A < £ ' , r e s p e c t i v e l y . h e  generalized quantities Xb  , Yb  , a n d Zb  n 

Equation ( l c ) a r e  now   e q u a l  t o .   ( Xg  + Ax g) ,  Yg  +   Ayg) , a n d ( Z g  +  Azg) , r e s p e c t i v e l y .  

B y  subtracting  t h e   i n i t i a l  conditions ( E q u a t i o n s  ( 2 8 a , b , c ) ) f r o m  t h e  resulting 

perturbed  e q u a t i o n  after considering osA_^  i  sinA_2*A_ , and A_A _ 2 *   o  , 

t h e   perturbation expressions  f o r  this  s e c o n d  approach  w i l l  have  t h e  following  f o r m : 

Axg = W(co*d sin0   A < / / '  - c o s  dcos Ad') 

AYg  ( s i n A i / / '  +  cosdcos^   A0') 

A Z . -W (sind Ad'

 osdsin<£A</>') 

( 3 0 a ) 

( 30b ) 

(30c) 

Page 39: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 39/190

1 5 

T h e  advantage  i n using  Equations  ( 3 0 a , b , c ) instead  of Equations ( 2 9 a , b , c ) is t h a t ,  o r   s m a l l  perturbations during highly banked a s   « e l l   a s  wings-level f l i g h t , 

A i / / ' ~ /Ar   d t 3 1 a ) 

A ( 9 ' ~ /Aq d t 3 1 b ) 

A < £ ~ /Ap d t . 3 1 c ) 

T o   a p p l y   s u c h   s i m p l e  integrations t o A i / /   , Ad  , and A#  n  Equations ( 2 9 a , b ,  c ) 

requires t h a t  >  a n d 6  b e   s m a l l . 

Both Equations ( 2 9 a , b , c ) a n d   ( 3 0 a , b , c ) s h o w  coupling of t h e  longitudinal and l a t o r a l   m o d e s . n   b o t h   s e t s  of e q u a t i o n s ,  t h e   l o n g i t u d i n a l modes ( Ax and Az ) are  uncoupled from  t h e  lateral-mode perturbations b y  performing a longitudinal pulse when  i n i t i a l  conditions a r e   s t e a d y - s t a t e . n  performing a  lateral-directional pulse f r o m  steady-state  c o n d i t i o n s , t h e  lateral-mode expression ( 3 0 b ) i s  inherently  u n - coupled f r o m  longitudinal  p e r t u r b a t i o n s , whereas expression  ( 2 9 b ) shows interaction of t h e  l o n g i t u d i n a l  perturbation AÖ which  i s  excited b y  t h e lateral-directional p u l s e .  

When banked a n d  climbing  f l i g h t   a r e  being c o n s i d e r e d , i t may  b e  surmised  f r o m  the preceding t h a t  Equations  ( 3 0 a , b , c ) a r e  more amenable than Equations  ( 2 9 a , b ,  c ) to 

theoretical stability analysis a n d   f o r  analysis of  f l i g h t  data when  l o n g i t u d i n a l  or l a t e r a l  pulses a r e  applied  f r o m   i n i t i a l steady-state  c o n d i t i o n s .  

3 . 4 Aerodynamic Derivatives 

I n  stability and c o n t r o l investigations based  on  f l i g h t   d a t a , the previously  d i s -  cussed  i n e r t i a l , g y r o s c o p i c , a n d   g r a v i t a t i o n a l quantities  a r e  normally equated  t o aerodynamic parameters  o n l y . b i s   i s  d o n e  primarily  t o facilitate  t h e  analysis of f l i g h t   d a t a . o w e v e r ,  n  doing t h i s , t h e  parameters a r e   no longer pure aerodynamic p a r a m e t e r s , inasmuch  a s   t h e y w i l l   h a v e  been modified b y influences arising  f r o m  power and aeroelasticity  a s   w e l l   a s  p o s s i b l e  other  s o u r c e s . e n e r a l l y , these i n f l u e n c e s c a n   b e  accounted  f o r  a n d  t h e   p u r e  aerodynamic parameter arrived  a t . 

Inasmuch  a s  t h e  equations  a r e   s e t  up under t h e  principle of super-position of i n f l u e n c e s , situations may  b e  encountered  i n   w h i c h   t h e  accuracy of  t h e  results obtained f r o m   t h e  equations  w i l l d e t e r i o r a t e . his  i s  of particular  c o n c e r n  w h e r e   v e r y   r a p i d c o n t r o l inputs are  e n c o u n t e r e d . l s o ,  n a s m u c h   a s  t h e  aerodynamic parameters a r e i n t h e f o r m  o f   d e r i v a t i v e s , c a r e  m u s t   b e  exercised n o t   t o  exceed t h e  validity of  t h e d e r i v a t i v e . 

F i n a l l y , t h e r e  a r e   s o m e  limitations i n  combining s e v e r a l   o f   t h e   d e r i v a t i v e s , C n r - C n / a   ,  o r   e x a m p l e . 

Consideration i s   g i v e n   a t  this t i m e   t o   t h e  above-mentioned  f a c t o r s  which have significance i n t h e  utilization  o f  aerodynamic derivatives i n  t h e  equations of   motion a n d   i n   t h e  determination  o f   t h e  derivatives f r o m f l i g h t   d a t a . o r  c o n v e n i e n c e , t h e  c o n v e n t i o n a l derivatives  a r e  tabulated o v e r l e a f . 

Page 40: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 40/190

1 6 

Longitudinal Derivatives 

Cl» u 2C„ 

3u  cosacos/3 

3CN  CN

« 17  CN« 

3CN _  9CN  

' ( f ) (f) CN S =  3C, 

38 

3r Cc.  = V—£ 

2C„   3C„ Bu  cos acos/3 3a  "ca

3C „ 

• ( S ) c  = -** -C S BCg 

3S  

3cm  2 C „ , C.„  V-JS-+ 3cm  P  _ 3u  cos acos ß 3a  3C_   3C. 

f)  *"'©  3S  

Lateral-Directional Derivatives 

°Jß  3/3  uy/3 

© 3c„ 

*

3 c. 

(£)  ^ ys  

5L 3S  

C|4

3Cj clfi 

3C  3Ä 

\2V, 

C/,  3 c, 

3 (V 2 V >  

ciB  =  3C 3

\2V> 

C l>   3 C j  3? 

3cn 

* 3 3j/J  

Cn ^ =  

\2V 

Cn,  3C„ 3

2 V 

Cnr3C„ 3f'£

2V  

-ns  3S  

3.4.1 Significance f he Derivatives 

Tlie erodynamic erivative rovides he lope f he urve f he erodynamic orce 

or om ent oefficient, s he ase ay e, with espect o n ndependent ariable 

other ndependent ariables eing onsidered onstant  t particular alue f he variable.  In nalog imulation tudies, onlinear urves re educed o traight-line 

segments, ach egment eing alid nly or n ncremental ange f he ndependent 

variable. 

In he nverse roblem f btaining erivatives ro m light ata, he erivative s valid nly or he ncremental ange f isturbance i he ndependent ariable, at he 

steady-state ondition, sed n etermining he erivative.  An xample nvolving 

nonlinear ariation f C n with ß  is hown n igure .  In his xample, he 

origin, , epresents teady tate nd   ( ß)x a nd  (A/3)2 represent w o isturbance 

ranges f he ariable.  It will e noticed hat he erivative btained ay differ

appreciably n magnitude ecause f he onlinearity f he urve n he isturbance 

ranges  A/3), and  A/3)2 

Page 41: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 41/190

17 

.7.4. 2   Unsteady low Effects 

3u 

i?***'"

8

*s  fy +  2C

N   Algs, \  Bu  co s acos /?/ 

(32) 

1

I n  dealing  w i t h   t h e  derivative  c o n c e p t i n  accounting  f o r   t h e  influence of Independent variables o n   a n  aerodynamic f o r c e  or moment  c o e f f i c i e n t ,  o r  example 

Arb  A,?b  Apb ACn  n^A5 + C nr + Cnj +Cnp +C„SrASr 

i t i s  assumed  t h a t  each derivative contributes t o   t h e   t o t a l a s  t h o u g h i t  acted  a l o n e  

a n d   t h a t   t h e  aerodynamic f o r c e   a n d  moment coefficients  a r e functions of t h e i n s t a n - t a n e o u s  values  o f   t h e disturbance displacements  a n d  v e l o c i t i e s , c o n t r o l a n g l e s , and t h e i r   d e r i v a t i v e s . u r t h e r , t h e  derivatives  a r e  based o n   t h e  variation of t h e   c o - efficients under near-steady-state conditions of  t h e   v a r i a b l e . lthough  t h e  deriva- t i v e   c o n c e p t  of treating aerodynamic f o r c e   a n d  moment perturbations has generallyworked w e l l , t h e  application  t o  situations of  r a p i d l y  changing  i n d e p e n d e n t  variables ( u n s t e a d y flow c o n d i t i o n s ) ,  s   i n   t h e   c a s e   o f   a  v e r y  r a p i d   c o n t r o l  displacement or  a sharp-edged  g u s t , does n o t  necessarily  g i v e  c o r r e c t   a n s w e r s . his  i s   d u e   t o  apparent mass effects of  t h e   a i r , w h o s e  i n e r t i a  w i l l  not produce instantaneous changes  i n circulation and consequently  c a u s e s  aerodynamic  l a g . h i s i s  illustrated  i n  Figure  8 ,  w h i c h   s h o w s   t h e  variation of C N s   a  function of nondimensional t i m e , /2 V  , a s   a r e s u l t  of  a  step  g u s t . h e  derivative  c o n c e p t   would show a   c o n s t a n t s l o p e   c u r v e , whereas  t h e   a c t u a l variation of C N(t) o u l d  show a   l a g   a t   t h e i n i t i a l i n s t a n c e  of 

t h e   s t e p  gust  i n p u t . 

W h e n   a n  aircraft i s  oscillating  s i n u s o i d a l l y , t h e   l i f t   w i l l follow t h e  sinusoidal variation i n   a n g l e  of attack  b u t   w i l l   b e  of smaller magnitude  a n d   t h e r e   w i l l   b e   a p h a s e  difference between  t h e   l i f t   a n d   a n g l e  of a t t a c k . his unsteady flow e f f e c t i s a   f u n c t i o n  of reduced oscillating  f r e q u e n c y , > c / 2 V   , a s   w e l l   a s  M a c h   n u m b e r . lthough t h e  magnitude  o f p |a i s  not normally affected appreciably  f o r  n o r m a l airplane osci^iting frequency c o n d i t i o n s , t h e   p h a s e   l a g may bring  a b o u t   a   l a r g e   c h a n g e i n N  . T h i s   m a y   b e  of considerable i m p o r t a n c e   i n   p i t c h  damping of tailless aircraft ( R e f .7) . 

I n   g e n e r a l , a l l   t h e  aerodynamic derivatives  b e h a v e   i n   a  similar m a n n e r . h i s ,  t i s   s e e n   t h a t attempts  t o   u s e   t h e  derivative  c o n c e p t  i n  analog simulators involving v e r y  rapid  c h a n g e s  of t h e independent variables  c a n l e a d  t o e r r o r s ; c o n v e r s e l y , d e t e r - 

mination of derivatives f r o m f l i g h t   d a t a   r e q u i r e s  awareness  o f   t h e  maneuvering or unsteady f l o w   f a c t o r s  mentioned w h i c h   c a n i n f l u e n c e   t h e  magnitude  o f  t h e d e r i v a t i v e . 

i 3.4.3  Derivatives with Respect o  u 

Aerodynamic derivatives  w i t h   r e s p e c t   t o  r e  of  c o n c e r n   w h e n  phugoid modes  a r e b e i n g   i n v e s t i g a t e d . ecause  t h i s  mode i s  o f t e n   o v e r l o o k e d ,  h e s e  derivatives  a r e generally  u n f a m i l i a r . h u s , s o m e  consideration i s   g i v e n   t o   t h e m   a t  this  t i m e f o r f u t u r e reference  a s  n e e d e d . onsider -Z  =  C NqS  . ifferentiation  w i t h   r e s p e c t t o u h o w s 

BZ  3cN  3v 

Page 42: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 42/190

18 

where  Bv/Bu /(cos acos/9)  fron  u Vcos/Scosa Th e Az  du e o hange n  u is ow xpressed s 

_  qS " i  "  CN

U "7  (33) 

Since 

2C„  cM  3u  cosacos/Sy  

is more ha n i m p l y he ariation of he ormal oefficient ith espect o elocity, u  t an ittingly e alled he ffective erodynamic derivative f  C „ with espect to  u  r  C Nu 

with espect o .  Similarly, he ffective erodynamic derivatives of u are 

3 C L   2 C _  3 u  cos a cos / 3>  

or  5 i» u an d  C c„ respectively. 

and  2C„   \ f ^c 

V  +  —=  ] V   du  cosacospy 

and  C „  

J.4.-5  Z)ert i>at ives with Respect o q and  d, and  r  a/«f  p 

It s ustomary n eporting light-determined derivatives, herein ransient oscillations re se d n he nalysis, to pair he derivatives arying ith espect to q and a  an d hose arying ith espect o  r an d  p  F or xample  

Aqc  A dc   A q c q - + ä--  -  (Cm q <W —

and 

Cn,  A rb  

2 V  + ,  A/?b nß- 

2 V  Ä   (Cnr - n/§ )  

A rb  

i v

(34) 

Inasmuch s he henomenon nvolving d  is ifferent rom hat nvolving  q an d the henomenon nvolving  r  is different rom hat of  p  he pairing s alid nly when mall-perturbation ransient oscillations f maneuv er re nvolved nd atisfy the inearized quations f m otion.  In ddition, l though he pairing orks well or the ongitudinal quations hether r not tability r ody xes re mployed, he validity f he paring or he ateral-directional quations s ependent n he use 

of he tability ystem f xes ; if ody xe s re s ed , he pairing of  r and  p 

derivatives s permissible t ow ngles of ttack. 

In erform ing mall-perturbation ongitudinal ransient scillation, the enter of ravity of he ircraft ends o ove long he light a th s hough t ere not disturbed; consequently, he m plitude atio  | A q | / | A & |  is imilar o ,0 nd he 

vector uantities A q  an d A d  a re pproxim ate ly n ha s e .  Thus A q  ca n e ub- stituted or A« In he ase of ateral-directional Dutch oll) ransient oscillation elative o he tability xis y s t e m , the ircraft, in ending o 

Page 43: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 43/190

1 9 

m a i n t a i n   i t s  c e n t e r   o f g r a v i t y a l o n g  t h e   f l i g h t  p a t h  a s  t h o u g h   i t  w e r e   n o t   d i s t u r b e d , w i l l  e x p e r i e n c e Ar   ^-A/3   , i n a s m u c h  a s  a n d ß  a r e   n o w   r e f e r r e d   t o  t h e  s a m e   a x i s  s y s t e m . h u s , t h e  a m p l i t u d e r a t i o A r l / l A / 3 l s s i m i l a r  t o  1 . 0 ,  b u t  t h e   p h a s e  r e l a t i o n i s  a p p r o x i m a t e l y   1 8 0 ° ; c o n s e q u e n t l y , t h e  s i g n  o f t h e A / 3  e r i v a t i v e  i s c h a n g e d   t o   m i n u s i n  p a i r i . g r a n d ß  d e r i v a t i v e s . n  d e a l i n g   w i t h  t h e  b o d y a x i s  s y s t e m , A r | / | A / ? | a n d $tß  c a n  d i f f e r   a p p r e c i a b l y   f r o m  1 . 0  u n d   l o O

0, r e s p e c t i v e l y , a t h i g h  a n g l e s   o f  

a t t a c k . 

I t  i s  r e i t e r a t e d t h a t   p a i r i n g  t h e  d e r i v a t i v e s  i s  v a l i d o n l y   f o r   t h e   s p e c i a l   c o n - d i t i o n s   m e n t i o n e d . n  t h e   o t h e r   h a n d , i t h a s  n o t  b e e n p o s s i b l e   t o  s o l v e   f o r   t h e ä d e r i v a t i v e s   i n d e p e n d e n t   o f   t h e q  e r i v a t i v e s , a n d $  d e r i v a t i v e s  i n d e p e n d e n t   o f d e r i v a t i v e s , f r o m  f l i g h t d a t a   w i t h  a n y  d e g r e e   o f  c o n s i s t e n c y  a n d  c o n f i d e n c e . 

3.U.5  Power Effects 

T h e   p r o p u l s i v e   s y s t e m   m a y  h a v e  a   s i g n i f i c a n t   i n f l u e n c e   o n  t h e  s t a b i l i t y  a s   w e l l   a s t h e  t r i m  o f  t h e  a i r p l a n e . t s  f o r c e  a n d   m o m e n t   c o n t r i b u t i o n s  t o  t h e  e q u a t i o n s   o f m o t i o n   m a y   b e   p r e s e n t e d   a s  d e r i v a t i v e s  i n t h e  e q u a t i o n s . f t h e  p o w e r   c o n t r i b u t i o n s a r e   n o t  a c c o u n t e d   f o r   b y  t h e i r   o w n  d e r i v a t i v e s , t h e y  w i l l  b e  r e f l e c t e d  i n t h e   m a g n i t u d e s  o f  t h e  a e r o d y n a m i c  s t a b i l i t y   a n d  c o n t r o l   d e r i v a t i v e s  w h i c h  w i l l  t h e n   b e c o m e , i n e s s e n c e , e f f e c t i v e  d e r i v a t i v e s . c o m p r e h e n s i v e  t r e a t m e n t o f   p o w e r  e f f e c t s   i s c o m p l e x  a n d  b e y o n d t h e   s c o p e   o f   t h i s  p a p e r . n l y  m a j o r  e f f e c t s  a r e  c o n s i d e r e d , t o  s h o w   h o w   p r o p u l s i o n s y s t e m  d e r i v a t i v e s   c o n t r i b u t e  t o  t h e  e f f e c t i v e  v a l u e s   o f   t h e  a e r o d y n a m i c  d e r i v a t i v e s . 

I t  i s  e s s e n t i a l  a t t h i s  t i m e  t o   e m p h a s i z e  a n  i m p o r t a n t p o i n t r e g a r d i n g  c o n s i d e r a t i o n o f   t h e  e f f e c t  o f p o w e r  o n  s t a b i l i t y . r u e   i n h e r e n t  s t a b i l i t y  o f   t h e  a i r c r a f t w i t h p o w e r   o n  c a n  o n l y   b e  e v a l u a t e d   b y  k e e p i n g  t h e  s e t t i p g s o f   t h e e n g i n e a n d  p r o p e l l e r c o n t r o l s  f i x e d   d u r i n g t h e   m a n e u v e r . n y m a n e u v e r   t h a t  e n t a i l s  a l t e r a t i o n   o f t h e   p r o - p u l s i v e  s y s t e m   c o n t r o l s  d u r i n g   t h e   m a n e u v e r  w i l l  n o t  p r o v i d e  a  t r u e  i n d e x   o f   t h e s t a b i l i t y f r o m  a n  a n a l y s i s   o f   t h e   t i m e  h i s t o r y   o f   t h e   m a n e u v e r . 

Influence of propellers:  I n f l u e n c e s   o f p r o p e l l e r s  c o n s i s t o f   d i r e c t   p r o p e l l e r  e f f e c t s a n d  a l s o   i n d i r e c t   e f f e c t s   d u e   t o  t h e  p r o p e l l e r  s l i p s t r e a m o n  t h e  w i n g - f u s e l a g e a n d  t h e t a i l   s u r f a c e s . 

Direct propeller effects:  D i r e c t p r o p e l l e r  e f f e c t s , a s  s h o w n   i n F i g u r e   8 , c o n s i s t o f   a   d i r e c t  t h r u s t  a c t i n g  a l o n g   t h e  t h r u s t a x i s , a n d  a  t r a n s v e r s e   f o r v e ( Y ) 

a s w e l l   a s  a   n o r m a l  f o r c e ( - Z ) p e r p e n d i c u l a r   t o  t h e  t h r u s t   a x i s   i n t h e  p l a n e  o f t h e   p r o p e l l e r  d i s k . h e  t h r u s t T  s a p r i m a r y   f u n c t i o n  o f a  n d V   . Q u a n t i t a t i v e  d e t e r m i n a t i o n o f  t h e   n o r m a l   a n d  t r a n s v e r s e  f o r c e s - Z )p a n d  Y )   m a y  b e a c c o m p l i s h e d b y  s o l v i n g  f o r C NäP n d ( C y / 3 )p  , a s  d i s c u s s e d  i n R e f e r e n c e s   8 a n d   9 . c t u a l l y , t h e  d e r i v a t i v e s  a r e  o f   m o r e   c o n c e r n   f o r  t h e  p u r p o s e s o f  t h i s  p a p e r  t h a n  t h e  a c t u a l m a g n i t u d e s  o f   t h e   f o r c e s . 

T h e  c o n t r i b u t i o n s o f   t h e  d i r e c t  p r o p e l l e r   e f f e c t   ( F i g . 9 )  o n l o n g i t u d i n a l   a n d  l a t e r a l s t a b i l i t y  a r e  r e f l e c t e d  i n 

( C ma p = CTa   +  ( CNa p X-£ 3 5 ) 

a n d 

«Vp = ~(Cyß)v    • 3 6 ) 

Page 44: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 44/190

2 0 

I t i s  opportune  t o  note  t h e  influences of  t h e   d i r e c t  propeller e f f e c t s  o n « h e n  performing a  transformation f r o m   t h e   b o d y  t o   t h e  stability  a x i s   s y s t e m . 

C L( X  

T he net 

effective  C L  and  C D  of he aircraft, in he absence of angular ates nd or ixed 

controls, ca n e xpressed s 

Aero  Po wer 

cos a -sin a 

sin a  cos a 

sina,, 

-cos a„

cos a„ 

sin a. 

CN  

<Cn>p 

(37) 

where he direct hrust s ssumed o be vectored parallel o he od y x-axis nd  

< x _   =  a  +  e _ P  Differentiating Equation ( 3 7 ) w i t h r e s p e c t   t o  f o r C ; -a 

(38) L«  =  ( C Naosa - C (Xsina)  D  Tainap  C Napcosa  , 

where  C D  is he effective value as hown n Equation 37). 

Sti'dy f Equation 38) hows hat ower ncrease? he ffective  C Lä of he ircraft. O n ow-performance aircraft, the ower effect s enerally negligible. 

Propeller lipstream: The propeller lipstream nfluences he istribution of he 

aerodynamic orces n he aircraft tructure as a esult f i) he ncrease n ocal velocity over he tructure ue o nd n he propeller lipstream, an d ii) pwash nd  

downwash ffects of he otating lipstream f he propeller. T he lipstream an e 

stabilizing or estabilizing, depending po n he direction of otation of he propeller an d he position of he ail elative o he otating slipstream.  Analytical echniques 

to uantitatively ccount or he propeller slipstream ffects n he tability of he 

aircraft have not ee n atisfactory.  Generally, powered mode ls re used o provide 

engineering data n ew designs. 

Influence f jet npines: he jet ngine has he ounterpart of he ffects hat 

were hown or he propeller.  It rovides direct hrust, shows normal nd ransverse 

force effects at he ntrance of he ntake duct, an d - depending n eometry - s capable of nfluencing he quilibrium nd tability f he ircraft y nflow of air 

into he jet xhaust.  Unlike he propeller, the nfluence of he jet ngine n he tail urfaces, an d hence he tability of he airplane, is menab le o analytical techniques o uantitatively ccount or hese ffects. 

T he hrust roduced n he ircraft quipped with jet ngine s qual, as hown 

in igure 0, to he ectorial hange n momentum of he ir nd uel assing hrough 

the engine plus he esultant of he pressure orces acting across he nlet nd outlet 

areas.  Where he ntake nd exhaust re n ine with he hrust xis nd he -body 

axis 

T  =   CrS 

=   nijVj  r^Vcoscxjj  pjAj pjAj)  ( 39 ) 

Page 45: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 45/190

Page 46: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 46/190

22  Th e variations of orces nd moments ue o he jet ngine are primarily unctions 

of ß  nd ssuming hat control ettings are constant. rom he preceding 

it a y e eadily educed hat 

_  m .V  cos a_ 3a_ f v f  3(ah  „ I(C„ap  = -1— J-E + •« •  * *•  n.t.'p ——*-=r* + CNa)h.t ~

qS a S  3a  (44a) 

z„  m„Vcoso„x„3a„ A.t.'h.t ("h.t.>p  (44b) _  m^v cos a_ _ o« 

qSc  

2«VP  ma cos/3  (C N(x)v.t.  5ts

v.t. K.t.>{ qSb  3a  (45a) 

2<VP  maVcos/3x tsv.t.xv.t. K.t.>i — -r - CiOv. t. 

qS   b Sb  3a  (45b ) 

where  xp  is positive when he air ntake s orward of he center of gravity nd  

xy t  is negative wii;h ertical ail ft of he center of gravity, nd  

/ C,  2C,  (C cu)p  =  -  V  

on  cos a cos pi 

( C i nu)p 2C „  \C„ 

,  3u  cos a cos ßj \ p 

(46) 

(47) 

where 

z„ m aVsin a„ „ 

c S (Cm}p ^ PAt.), qS c 

(48) 

an d 

3 .J ,.  3cT zp  a

sin p p 

W n  3u  c  qS   c (49) 

3.4,6  Aeroelastic Effects Th e preceding discussions ssumed hat he ircraft as igid.  This ssumption as 

permissible n he past; owever , odern ircraft lying at high peed under ynamic- 

pressure onditions re ubject o degrees of lexibility of omponent parts hich 

cannot, t imes, b e gnored nd which affect he tability of he ircraft11"16.  Th e 

contribution of aeroelastic deformation o derivatives s dependent primarily n 

aircraft eometry nd ynamic pressure as well s tructural igidity nd Mach umber . 

Aeroelastic henomena m ay e onsidered n wo eparate parts: tatic nd ynamic 

peroelastic effects. 

Page 47: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 47/190

2 3  

When aerodynamic loading takes place  a t   a  sufficiently slow r a t e   i n  comparison  t o t h e  n a t u r a l frequency of vibration of t h e  pertinent p a r t  of  t h e  structure  t o  permit t h e  assumption of  s t a t i c  deformation cf t h e   s t r u c t u r e , t h e  influence of aeroelasticity c a n   b e  accounted  f o r   b y  modifying t h e   d e r i v a t i v e s . llustrations of  steady-state distortions  w h i c h  have  b e e n  serious  i n   t h e  p a s t   a r e   a i l e r o n r e v e r s a l a n d  wing d i v e r g e n c e . T o d a y ,  u c h f a c t o r s   a s   t h i n n e r  w i n g s   a n d  more f l e x i b l e fuselages have magnified  t h e e f f e c t s  of  s t r u c t u r a l flexibility  o n   s t a b i l i t y  a n d  c o n t r o l  of a i r c r a f t . 

I f   t h e  aerodynamic  l o a d i n g  f r e q u e n c y   w e r e   t o  approach  t h e   s t r u c t u r a l frequency of 

t h e  pertinent  c o m p o n e n t , me  s t r u c t u r a l deformation  w o u l d  produce perturbations  i n   t h e aerodynamic forces and   moments which have t o   b e  accounted  f o r  by the introduction of a d d i t i o n a l  appropriate derivatives i n  t h e  equations of   motion  a n d   t h e  introduction of a d d i t i o n a l  e q u a t i o n s , w h i c h  would  b e  elasticity  e q u a t i o n s .  

3.It. 7  Other Effects 

T h e  preceding discussion  h a s  included  major  f a c t o r s  w h i c h  influence analysis and a c c o u n t f o r  discrepancies between wind-tunnel  a n d   f l i g h t   d a t a ; h o w e v e r , i t   d o e s  not a c c o u n t  f o r   a l l f a c t o r s . ther f a c t o r s   c o u l d   i n c l u d e   j e t   p l u m i n g ,  l o w  separations associated w i t h  movements of  s h o c k   w a v e s , a n d   f u e l s l o s h i n g . i n c e   o n e  never knows w h a t  phenomena w i l l   o c c u r ,  t i s   i m p e r a t i v e   t o  have  a n  open min^  i n  trying  t o  account f o r  discrepancies  i n  comparisons of d a t a . 

3 .   5 S u m m a r y   o f   t h e  Equations of Motion 

T h e   v a r i o u s dynamic relations  w h i c h   h a v e   b e e n  discussed a r e  pertinent  * o   a n  under- standing of  t h e  equations of   motion a n d   t h e  conditioning of  d a t a   t o   t h e   e q u a t i o n s . h e i n f l u e n c e   o f  power  a n d   s t r u c t u r a l f l e x i b i l i t y  o n   t h e  various aerodynamic parameters ( c o e f f i c i e n t   a n d  stability derivatives) was  s t r e s s e d , and  i t   w a s  pointed  out that the n e t   r e s u l t  cf  t h e s e   i n f l u e n c e s , or  m o d i f i e r s , w a s   t h e  emergence of a n   effective  a e r o -  d y n a m i c  p a r a m e t e r . 

I t i s  easily recognized  t h a t   t h e i n t r o d u c t i o n  i n t o   t h e  equations of   motion of  e a c h i n d i v i d u a l  modifier  t o   t h e aerodynamic parameters  w o u l d   r e s u l t i n   a  cumbersome  s e t  of e q u a t i o n s . t i s  more practical t o   l e t   t h e  normally accepted stability  s y m b o l ( Cna , f o r  e x a m p l e ) represent  t h e  effective value  t h a n   t o   l i s t   a l l   m o d i f i e r s . n   s o   d o i n g , o n e  should  b e   a w a r e  of  t h e   v a r i o u s  s o u r c e s   w h i c h  contribute  t o   t h e  magnitude of  t h e effective parameter  i n  order  t o  properly  a c c o u n t  f o r   t h e s e  contributions during  a n analog  i n v e s t i g a t i o n , or   other  s t u d y , i n   w h i c h  wind-tunnel  and calculated data  a r e u s e d . n t h e  other h a n d ,  n   t h e i n v e r s e  p r o b l e m  of determining coefficients and derivatives f r o m f l i g h t d a t a , a  discrepancy  i n t r e n d s a s   w e l l  a s  magnitude  b e t w e e n  w i n d - t u n n e l  a n d   f l i g h t   d a t a   w i l l s u g g e s t  possible influences f r o m   s o u r c e s   n o t  accounted f o r  b y   t u n n e l d a t a . 

3.5.1  General quations 

T h e f o l l o w i n g assumptions  a r e  made  w i t h  r e g a r d   t o   t h e  equations  o f  motion summarized i n Table  I V : 

( i ) T h e  airplane behaves  a s   a  r i g i d  b o d y ,  n   t h a t   t h e  moments of  i n e r t i a ,  n c l i n a - t i o n  of  p r i n c i p a l a x e s ,  t c . , a r e   n o t   affected significantly 

Page 48: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 48/190

- f 

2 4 

( i i )  The airplane  i s  symmetrical about the xz-plane with regard t o  geometry and mass d i s t r i b u t i o n . 

( i i i )  The  a x e s  of rotating elements o n   t h e  aircraft  a r e   f i x e d   i n  a d i r e c t i o n  relative t c  the b o d y  reference a x e s . 

( i v ) The  e a r t h   i s   f l a t . ircraft s p e e d s   a r e  assumed  t o  be insufficient  t o  i n c l u d e e a r t h  curvature  i n   t h e   e q u a t i o n s . 

( v ) The forcing frequency  of  a  disturbance  i s  sufficiently  f a r  removed  f r o m   t h e n a t u r a l frequency of  t h e  pertinent  p a r t  of  t h e  structural components  t o   p e r m i t 

t h e  disturbance  t o   b e  considered a s   a  static load and t h e  effect of deformation t o   b e  accounted  f o r  b y  modification of t h e  aerodynamic p a r a m e t e r s .  

( v i ) E a c h  aerodynamic parameter  i s   a n  effective p a r a m e t e r , i n   t h a t  i t i n c l u d e s   a l l sources contributing  t o   i t s   net  v a l u e . 

Although listed  i n  Table IV f o r   c o m p l e t e n e s s , experience has  s h o w n 

Cy/ j and C Cq and C c&  t o  b e  normally n e g l i g i b l e .  yp 

uyr 

3.5.2  Small-Perturbation Equations 

T h e   g e n e r a l  equations of   motion  i n  Table  I V  a r e  suitable f o r  analog a n d   d i g i t a l  programing w h i c h  involves  l a r g e  disturbances  a n d  nonlinear  t e r m s ; t h e y   a r e  not suitable f o r  analytical  p u r p o s e s . or  s u c h   p u r p o s e s , i t i s  necessary  t o  linearize  t h e  equations 

a t   l e a s t   t o   a n  engineering degree of a c c u r a c y . his  i s  accomplished  b y  restricting their applications  t o   s m a l l   p e r t u r b a t i o n s , as  has  b e e n  discussed p r e v i o u s l y . n a d d i t i o n ,  h e  perturbations  a r e  referred  t o  a   s e c o n d a r y   s p a t i a l reference f r a m e , discussed  i n  Section 2 . 1 . 6 , w h i c h  i s   t h e  unperturbed airplane axis  s y s t e m   s h o w n   i n Figure 4 ( b ) . sing t h e  secondary reference  s y s t e m f o r   s m a l l perturbations permits t h e   u s e  of Equations ( 3 1 a ,  , c ) , w h i c h simplifies analysis  a n d  extends  t h e  validity of  t h e  linearized perturbation equations  t o  maneuvers involving  high pitch attitude a n d   l a r g e   b a n k   a n g l e s . 

T h e  u n c o u p l e d , linearized  perturbation equations a r e   s h o w n   i n  Table V i n   a   f o r m a t w h i c h  generally constitutes  t h e   b a s i s  f o r  application t o  derivative d e t e r m i n a t i o n .  T h e  assumptions listed f o r   t h e   g e n e r a l  equations of   motion  a r e   a l s o  valid  f o r   t h e equations  i n   t h i s   t a b l e . n   a d d i t i o n , i t   i s  assumed t h a t t h e  maneuvers  a r e   s u c h   a s t o minimize

 t h e

 errors

 i n t h e  e r m s

 arising f r o m

 t h e

 approximation of

 t h e

 gravity t e r m s   s h o w n   i n  Equations ( 4 0 a , b , c ) . l s o , i t   i s  assumed t h a t   t h e  gyroscopic couples of rotating elements  a r e   n o t s i g n i f i c a n t , w h i c h   m a y  n o t   a l w a y s   b e   t h e c a s e . h e equations  a r e  complete within  t h e  limits of   t h e   a s s u m p t i o n s , and analysis would  r e v e a l  a l l modes of  l o n g i t u d i n a l and  l a t e r a l   m o t i o n s . 

Omission of   the longitudinal f j r c e  equation  a n d   t h e ' a i r terms  i n   t h e  longitudinal equations ( 5 0 a , b ,  ) would  r e m o v e   t h e  phugoid mcde  f r o m   t h e  analysis  o f   t h e   l o n g i t u d i n a l m o t i o n s , leaving o n l y   t h e  short-period m o d e . h i s  short-period f o r m a t  of   the  l o n g - i t u d i n a l equations  i s   t h e  one  u s - j a l l y  e m p l o y e d . lthough  t h e  small-perturbation e q u a t i o n s , s h o w n   i n   T a b l e   V   a r e f r e q u e n t l y  used  i n t h e f o r m a t s h o w n t o  develop  r e l a t i o n s f o r  derivative  d e t e r m i n a t i o n ,  i t   i s   a l s o  desirable  t o   l i s t t h e  equations  i n   a n  o p e r a - t i o n a l f o r m a t a s  Laplacian transforms with Laplace operator s 

Page 49: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 49/190

2 5 

Using aplace ransform s nables he ynamic properties f he irplane o e defined by eries f ransfer unctions elating he arious esponsive m otions of he irplane to isturbing nputs.  H ie ransfer unctions re xtensively se d n tability nd control, andling ualities, nd utomatic light ontrol nvestigations o ssess he effects of onfiguration hanges , he ffects of particular tability erivatives, nd  the ffects f hanges n utom atic ontrol ystems.  They re lso helpful n btaining stability erivatives rom light a ta . 

With ero nitial ondition? nd nputs ue nly o ontrol eflections, the aplace  transforms f he mall-perturbation quations of m otion ake n he perational orms  shown n able I s quations 6 2 a , b, c) nd 6 3 a , , c).  The notations  X ^ a 

etc., shorn n he qut tions, a re  onvenient eans of isting he a r a m e t ers . 

3.6  De t erm ination f he oots f he eterm inant f he Lateral-Directional mall-Perturbation quations  

Th e ollowing discussion egarding he etermination f he oots f he et erm inant of he ateral-directional mall-perturbation quations s ased n eference 7.  Although he ain points re rought ut t his i m e , ecourse hould e ade o he reference or more etailed onsiderations. 

3.6.1  Th e Determinant 

Using he aplace ransform orma t f he ateral-directional quations Equations ( 6 3 a , , c) n able I) , the e t erm inant f hese quations ay e xpressed n ither of w o o r m a t s , a s ollows: 

(i) h e n xpressed s  

As"  s3  s2  s  =  0  ( 65 ) 

then 

I'l' 

B   =  (Ln IX)  Nr  'L,)  I Iiljtf p   *x"p  r  z '  Vz'

C   =  ( N pLr - rLp)  Lp I Yg - N r l£)Y > 

- (1  ^ sin x ) N g - sin a - L^] 

D   =  (N/p - pL^ )  N^p - p Lr)Y 0 Bl(fy  ß> 

-g{tfi  $iß)  N ^ C r - $j£ß) sin a 

E   =   gl(L ß N p - pNg)  2( Cr Kfy)  . 

(66) 

Page 50: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 50/190

2 6 

( i l ) W n e n  expressed a s 

su +   b s

3  +   c sz  +  d s  +  e  0   ,  ( 6 7 ) 

then 

b EJ-M;-?. 

c N ^ L ; N ; L ^ ) L^3 npß + sß-üß sm  « 

d (N  N££>  N;L;- *#)?, - glN ä +  

gp - Hjfe - N ; L ^ ) in a 

e  =   - gl(L - L ß)  2(N^I; - Üfiß) 

where he rimed a lues re qual o 

m huh. - I'I' 

X 2 

a n d l  -   I'I' 

XX 

( 6 8 ) 

( 6 9 ) 

T h e  determination of t h e   r o o t s  of the determinant  i s  dependent upon t h e  modes of 

motion of t h e   a i r c r a f t . h e  modes m a y   b e : 

( a )  Lateral phugoid  (coupling of s p i r a l  and r o l l  m o d e s )  and   Dutch  r o l l . 

( b ) S p i r a l d i v e r g e n c e , r o l l s u b s i d e n c e , and oscillatory ( D u t c h   r o l l ) .  

3.6.2  Determination of he Roots hen Lateral Phugoid nd Dutch Roll Modes Exist 

T h e  determinant ( E q n . ( 6 7 ) ) c a n   b e  approximated b y   t h e  following biquadratic 

d\  /  bd s *   + (b - - B + [ c  -  - 

c/ s '   +  -   s  + 

c

 C

( 7 0 ) 

i n   w h i c h   t h e   f i r s t  and second quadratics represent  t h e  D u t c h   r o l l  and l a t e r a l  phugoid 

m o d e s , respectively. 

T w o   s e t s  of conditions  must be satisfied  i f Equation ( 7 0 ) i s   t o  b e  applicable 7 .  

( a ) T h e  approximate nature of   Equation ( 7 0 ) requires t h a t / c2 «  1 nd bd/c

2 « t o  assure  v a l i d i t y of t h e   e q u a t i o n .  

( b ) I t   i s  necessary  t h a t 2 -  4 e d   <   1 n  order t h a t   t h e   l a t e r a l phugoid  e x i s t . 

Reference 1 7 points o u t , o n  t h e   b a s i s  of  l i m i t e d   e x p e r i e n c e , t h a t ,  o r   v a l u e s  of / c2 

of approximately  0 . 0 5  o r   l e s s , d/c2 a n   b e   a s l a r g e   a s   0 . 2 5   a n d 

2/4ec s   l o w  a s 

0 . 0 0 5   w i t h o u t compromising  t h e  engineering accuracy of Equation ( 7 0 ) . h u s , t h e  

Page 51: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 51/190

equation applies  i f 

2 7 

e d -r «  -j < 0.25  , cz z  0.005 — 

4 e c ( 7 1 ) 

T h e  second quadratic  i n  Equation ( 7 0 ) expresses  t h e   l a t e r a l  phugoid v e r y   s i m p l y ; t h u s ,  

f r o m  s '   +  -   s   +   - c 

a n d  » p h 

2 £ „ h < 4 » h d 

( 7 2 ) 

The irst uadratic n quation 7 0 ) s nwieldy.  It s impler o e t ermine he characteristics of he utch oll ode y he ollowing actored orm f eterm inant 

(a2  £a)ns +a#(s2  £phw „phs a^ph)  =  0  . 

Expansion f iiis e t erminant nd om parison ith quat ion 67) hows hat 

(73 ) 

b =  2&n  C p h^ nph 

c =  wn ph 2 ^ n >  (2^ptf^ph>  

d   = (2£phwnphK  & w n)^ph 

e  ^ptPn 

( 7 4 ) 

S i n c e  j | ph n d ( 2 £p , c ü npll) r e  obtained  f r o m  Equation ( 7 2 ) , * n d  2 £ & )n) c a n now b e  determined  f r o m  Equations ( 7 4 ) o r 

2 ^V  2f taJnph 

wn 

c  " ^ ph   -   (

2H(2^nph ) 

( 7 5 ) 

3.6.3  Determination of he Roots he n Spiral Divergence, 

Roll Subsidence, an d Dutch Roll Mod es Exist 

W h e n   t h e   s p i r a l d i v e r g e n c e , r o l l s u b s i d e n c e , and D u t c h r o l l  modes constitute the lateral-directional characteristics of  t h e  a i r p l a n e , which i o  normally t h e   c a s e , t h e determinant a s  represented b y  Equation ( 6 7 )  may  b e factored  i n   t h e following t e r m s 

characterizing  t h e s e  m o d e s : 

s   + SK)( +   2 t o g +   « f i  ( 7 6 ) 

Page 52: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 52/190

Th e oefficients  b  usd  e  (Equation 68)) n erms of he actors of 

Equat ion 76) re 

1  1  

b   =  2fyon — —D  T  T 

c  =  < o2 2fiw, 

VTB 

+ TS/ 

TRTS 

d - 2 

) +  2H - n  Va e  = w . n

 T R1s 

(77) 

W h e n he piral-mode oot,  1AS  s much ess han he roll ubsidence oot, 

1/TR  s it usually s, he coefficients  b c  an d  e  may e approximated 

to  oo d degree of accuracy y 

b  ~ 2£aJ„ — TR  

C   2 c o l + 2H ~1  

d   ~ » 1 —  I.  rp 

(78) 

Eliminating  1 , / T «  in Equat ion 78) 

c  a  ( 2 4 a> ) —+o,2 

d  ~  (2&u 

or 

(79) 

Eliminating  2 £ o > n  in Equations 79) rovides n ccurate solution of w2  within he 

limitation hat 

1 «± 

or 

(a >2)3 - (w 2)2 bd(a# 

?  =   0  (80) 

Page 53: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 53/190

2 9 

Eliminating  > * n  Equations ( 7 9 ) t o  s o l v e f o r 2£w* i t h i n   t h e  limitation  t h a t  1A„ « 1/TR esults  i n 

(2 n)3 - 2b(2C«n)

2  + ( c  + bz)(2 n) + ( d  - c b )  . 8 1 ) T h e  roll-subsidence  r o o t , / T R  , may  n o w  b e  obtained  f r o m  coefficient  o r 

i n  Equation ( 7 8 ) o r 

1  d 

TR  <

1 —  b  -   2 £ w , TR 

( 8 2 ) 

The spiral-divergence oot,  1/Tg  a y o w e pproximated rom ny ne of he coefficient expressions n Equations 77 ) , such s 

1 Ts  «ja/ty 

(83) 

4 . MASS CHARACTERISTICS 

T h e  airplane mass characteristics - w e i g h t , location of   t h e  center of  g r a v i t y , moments of  i n e r t i a , a n d  inclination of   principal  a x i s  - significantly affect airplane m o t i o n s . rrors  i n   t h e  knowledge o f -   t h e s e  quantities  a r e  reflected directly i n   t h e flight-determined derivatives and may  g o v e r n  the validity of t h e  derivatives  i n  c o m - parisons w i t h  wind-tunnel d a t a . lthough possible   inaccuracies  i n   t h e  Knowledge of t h e  inertia characteristics must  b e   g i v e n   s e r i o u s  consideration  i n comparisons of flight-determined derivatives w i t h  wind-tunnel d a t a , t h e s e  derivatives have  b e e n  used effectively i n flight-guidance simulator  s t u d i e s . 

T h e   w e i g h t a n d horizontal l o c a t i o n   o f   t h e   c e n t e r  of  g r a v i t y a r e   a l w a y s  determined 

e x p e r i m e n t a l l y . nasmuch  a s   t h e  vertical l o c a t i o n  of  t h e  center  of  g r a v i t y , moments of  i n e r t i a , a n d   l o c a t i o n  of  t h e  principal a x i s   a r e  difficult  t o determine  e x p e r i m e n t a l l y ,  manufacturer1

  s  estimates a r e  usually relied u p o n . hese estimates are considered  t o b e  cf sufficient a c c u r a c y f o r  most  w o r k involving f l i g h t   t e s t s . f more precise data a r e   r e q u i r e d , t h e y  should  b e  determined b y  using experimental t e c h n i q u e s . 

I t  would  b e  highly desirable  t o  determine  a l l  of t h e  mass characteristics e x p e r i m e n t a l l y . his i s  not  a l w a y s   f e a s i b l e  because of  t h e l a c k of proper f a c i l i t i e s . L a r g e ,  l e x i b l e   a i r c r a f t ,  u c h   u s   t h e  Boeing B - 5 2 , offer practical  p r o b l e m s ,  n   t h a t experimentally determined rolling  moments of inertia w i t h   w i n g s  drooped would n o t   b e representative of  f l i g h t   c o n d i t i o n s . he  f o l l o w i n g  discussion of the experimental determination of   mass characteristics of a i r c r a f t i s  intended  t o   s e r v e   a s   a  guideline i n setting up suitable facilities f o r  u s e   w i t h  most categories of a i r c r a f t . 

Page 54: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 54/190

3 0 

ö 

4 . 1 eight and Center-of-Gravity Location 

T h e   weight and longitudinal position of t h e  center of gravity relative t o   t h e  

horizontal reference  l i n e  of  t h e  airplane  f o r   t h e   e m p t y  and g r o s s   w e i g h t  conditions 

c a n  be obtained easily by leveling t h e   a i r p l a n e  on suitable scales or electronic 

weighing  c e l l s . ith weighing  c e l l s , t w o  of t h e   c e l l s   ( R t and R2)  are   usually located 

a t  the wing  jackpoints  a n d   t h e  third  c e l l ( R3) i s  located  a t  some convenient  d i s t a n c e , 

I  forward  or  a f t  of  t h e  wing j a c k p o i n t s . h e  horizontal position of t h e   c e n t e r  of 

g r a v i t y relative  t o   t h e  jackpoints  i s  t h e n  determined  f r o m 

M  =   hi IR  ( 8 4 ) 

For aircraft operating on conventional f u e l s , the variation of   the  c e n t e r  of g r a v i t y 

with f u e l  consumption  c a n  usually  b e  defined adequately b y  weighing the airplane a t 

s e v e r a l f u e l l e v e l s , providing  t h e r e   i s  a  predetermined sequence or  mode of operation 

i n  obtaining t h e  f u e l f r o m  t h e  various f u e l c e l l s . h e n   t h e  aircraft  i s  equipped  w i t h 

f u e l   c e l l s   f r o m  which t h e   f u e l c a n   b e  d r a w n   s e l e c t i v e l y ,  t h e  center  of gravity position 

becomes a  f u n c t i o n  of t h e  sequence  i n  drawing  off  the  f u e l f r o m   t h e  various  c e l l s   a s 

w e l l   a s   t h e  weight of  t h e   f u e l . n   s o m e   i n s t a n c e s ,  t  has  b e e n f o u n d  necessary  t o 

account  f o r  fuel-tank  s h a p e   a n d  airplane a t t i t u d e . here hazardous f u e l s  a r e  u s e d , 

the center  of gravity  i s  determined experimentally  f o r  t h e  no-fuel condition  o n l y ; t h e  

effect of  f u e l  on t h e  center  of gravity position  i s   c a l c u l a t e d . h e  horizontal  l o c a t i o n 

of  t h e  center of  g r a v i t y i s  experimentally obtained a t l e a s t   t o   w i t h i n   0 . 0 1  mean  a e r o - 

dynamic  c h o r d ,  h i c h i s  considered adequate f o r  derivative  d e t e r m i n a t i o n . 

During  f l i g h t   t e s t s , t h e   c e n t e r  of gravity  i s  obtained b y  observing t h e   t o t a l a m o u n t  

of  f u e l consumed and subtracting  i t f r o m  t h e   takeoff w e i g h t . eference  t o  a   c h a r t 

showing t h e  variation of  w e i g h t   w i t h  center of g r a v i t y provides t h e  desired  a n s w e r .  

A n  accurate knowledge of  t h e  v e r t i c a l l o c a t i o n  of t h e  center of g r a v i t y  i s  pertinent 

t o   t h e  experimental derivative  s t u d i e s , insofar a s  experimental determination of  moments 

of inertia a n d  comparison  w i t h   wind-tunnel data a r e   c o n c e r n e d . h e   v e r t i c a l center of 

g r a v i t y  c a n  b e  obtained b y  static or  oscillatory  t e c h n i q u e s . or  t h e  static t e s t 

t e c h n i q u e s ,  h e  airplane  i s  placed  i n v a r i o u s  p i t c h  o r   r o l l a t t i t u d e s . o r   t h e   r o l l 

approach ( F i g .   1 2 ) ,  h e   a i r p l a n e  i s  mounted  i n   a   h o r i z o n t a l , w i n g s - l e v e l attitude on 

knife  e d g e s  alined with  r e s p e c t   t o  e a c h  other  i n   t h e  plane of s y m m e t r y  of t h e  a i r c r a f t .  

By rolling t h e  airplane to various attitude angles  a n d measuring t h e  reaction Rt , moment  a r m yx  and  t h e   r o l l  a n g l e  >  using a   c l i n o m e t e r , t h e   v e r t i c a l  position of t h e   c e n t e r of gravity i s obtained f r o m   t h e  equation 

RiYi  -f

czcsn<

Wsin<£ ( 8 5 ) 

For  r i g i d  aircraft of t h e  order of  1 5 , 0 0 0  l b , a n d   u n d e r  carefully controlled  c o n d i t i o n s ,  

t h e  vertical position  i s  considered  t o   b e  deterainable  t o  within  1 i n c h .  

T o  determine  t h e   v e r t i c a l  position of t h e   c e n t e r  o f   g r a v i t y f r o m f r e e - o s c i l l a t i -   a 

t e s t s , a n y   o n e  of s e v e r a l techniques may  b e   u s e d . h e  s i m p l e s t  technique consists of 

changing  t h e  equivalent torsional spring constant f o r   pitching or rolling  moment of 

inertia  t e s t s . o r   rolling-oscillation  t e s t s   w i t h   t h e   s e t u p  s h o w n i n igure 1 3   a n d 

Page 55: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 55/190

3 1 

w i t h   s m a l l damping  e f f e c t s  -  a necessary condition f o r  successful t e s t s  - t h e  equations of motion f o r   t h e   t w o  spring conditions  a r e 

( I ,   +   IXc f   mz2  + «„a*)«^  +   ( Ktl - W z  -  W )   0 8 6 a ) 

dx  r xc  z2  czc< J 6 > 2  K t2 - x - czc)02 =  0  86b) 

Considering  4 >l Acosc^t and  4 > 2 Bcoso;2t it s ound pon olving quations (86a , b) or z the ertical istance rom he knife dg e o he enter f ravity, that 

Kts-Kt /p,)2  W czc

wLi  PX/P2)2

T h e  equivalent  t o r s i o n a l spring  c o n s t a n t , t  m a y   b e  changed  f r o m t x o Kt2 y changing  t h e l i n e a r   s p r i n g s  o r   t h e   d i s t a n c e  w h i c h i s  perpendicular  t o   t h e  spring ( s e e  Figure 1 3 ) . h e  change  i n  linear springs  i s  probably  t h e  more desirable  a p p r o a c h .  

Inasmuch  a s   t h e  rolling-oscillation  t e s t s e t u p  discussed constitutes a n inverted p e n d u l u m , i t i s   i m p e r a t i v e   t h a t   t h e  equivalent  t o r s i o n a l s p r i n g   c o n s t a n t , 

t , b e 

greater t h a n z +  Wcz„ o r  stability  o f   s e t u p . l s o , t h e   a c c u r a c y  of t h e   r e s u l t s  d e p e n d s   u p o n  avoiding secondary spring actions of tiebacks  a n d   s t r u c t u r a l f l e x i b i l i t y ,  w h i c h   c o u l d  inadvertently  r e s u l t i n   a   l o w e r  effective spring constant  t h a n  expected because of  a n   e q u i v a l e n t  series action of t h e   s e c o n d a r y  unwanted spring action  w i t h t h e intended  s p r i n g .  

4 . 2 oments of Inertia 

T h e  moments o f  inertia of  a n  airplane  a r e  usually calculated during t h e   d e s i g n p h a s e   a n d   a r e   b a s e d  o n estimated  w e i g h t s   a n d  centroid  l o c a t i o n s f o r  various parts of t h e   a i r c r a f t . hese calculated moments of  i n e r t i a  a r e  considered  t o   b e  adequate f o r most analyses  w h e n t h e  re3jlts  a r e   t o  b e  used  i n  simulator  s t u d i e s . o w e v e r , should e x p e r i m e n t a l determination of   the i n e r t i a   b e   r e q u i r e d ,  methods  a r e  available ( s e e References  1 8 t o 2 1 ) . h e  methods  a r e  generally restricted  t o r i g i d  a i r c r a f t   a n d   t o aircraft  w h o s e   w e i g h t , a s   w e l l a s   t h e   s a f e t y  precautions of  t h e   e x p e r i m e n t , w i l l  permit pivoting t h e   a i r c r a f t   o n  knife  e d g e s   a n d  suspending  i t f r o m  overhead  c a b l e s . 

Schematic representation of  t y p i c a l  methods f o r  determining  t h e   r o l l i n g   a n d  pitching moments of inertia a r e  illustrated  i n   F i g u r e s  i 3   a n d   1 4 , r e s p e c t i v e l y . quation ( 8 6 ) i s  applicable  t o   t h e  determination  o f  rolling  moments of inertia i n  accord w i t h  Figure 1 3 , with consideration  g i v e n   t o   t h e  proper interpretation of  t h e   l e n g t h s  and z c t o   t h e  mountings  s h o w n . n  Figure  1 4 , c r a d l e   w e i g h t   i s   z e r o . h e  yawing moment of inertia  m a y   b e   s a f e l y  determined  f r o m   a  cable-suspension method used  t o  determine  t h e inclination of t h e  principal  a x i s ( F i g u r e s   1 5  a n d   1 6 ) , w h i c h i s  discussed  s u b s e q u e n t l y .  

unless precautions  a r e   t a k e n   i n   e v e r y   d e t a i l  of  a n experimental s e t u p , difficulties m a y b e  encountered b e c a u s e  of  f l e x i b i l i t y   o f   e x p e r i m e n t a l  c o m p o n e n t s , w h i c h   w i l l a l t e r t h e  effective s p r i n g   c o n s t a n t , t  o r  modify t h e free-oscillation  p i v o t a l  point r e l a t i v e  t o   t h e   c e n t e r  of g r a v i t y  of  t h e   a i r c r a f t . n   o n e i n s t a n c e  of determining  t h e pitching  moment of  i n e r t i a   w h e n t h e   a i r c r a f t   w a s  supported a t   t h e   w i n g  jackpoints and 

Page 56: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 56/190

3 2  

oscillated with the  s p r i n g  a t   t h e  n o s e , t h e  wing section  w h i c h  haJ  b e e n  considered rigid was observed t o  flex a s  t h e  aircraft o s c i l l a t e d . his  f l e x i n g  caused t h e  axis of rotation  t o   s h i f t f o r w a r d  and downward  f r o m  t h e   l i n e  through  t h e  j a c k p o i n t s .  

A common f a u l t   i s  t h e  u s e  of  f l e x i b l e  cables as tlebacks  f o r  t h e  springs and c o n - nection from t h e  spring t o  t h e   a i r c r a f t . nder  no condition should  f l e x i b l e  connections be u s e d , inasmuch  a s  they constitute springs  i n  s e r i e s  with  t h e   a c t u a l  intended springs e m p l o y e d ; t h u s , t h e   s y s t e m f r o m  tieback to aircraft represents a  much softer spring than  i n t e n d e d . t  should also b e noted t h a t , o n   s o m e  a i r c r a f t , attaching  t h e   s p r i n g   t o t h e  a f t  portion of  t h e  fuselage would b e   a n e r r o r , s i n c e   t h e   a f t  portion of  t h e f u s e l a g e would constitute a relatively f l e x i b l e  structure and alter  t h e  effective spring c o n s t a n t .  

Serious errors  c a n  also  r e s u l t   w h e n  knowledge of t h e  center-of-gravity  l o c a t i o n   i s inaccurate and w h e n   t h e   l i n e  of action of  t h e  spring  f r o m   t h e  attach point  t o   t h e   a i r - craft  i s   not perpendicular to the plane formed  b y   t h e  axis of rotation  a n d  t h e  point of spring attachment  o n   t h e  aircraft ( F i g . 1 3 ) . 

G e n e r a l l y , t h e  inertia characteristics are determined  f o r  no-fuel conditions because f u e l sloshing t e n d s   t o  bring  i n   a  b e a t  action  i n   t h e  oscillatory  m o t i o n s . h e n  deter- mination  i s  attempted w i t h f u e l   o n b o a r d , t h e   d i f f e r e n c e i n  oscillatory modes  b e t w e e n t h e  sloshing  f u e l and t h e   a i r c r a f t  should b e   a s   l a r g e  a s   i s  p r a c t i c a l , with d u e  regard t o   s a f e t y  of  t h e   s e t u p , t o  minimize  t h e  b e a t  action  a n d  permit determination of t h e n a t u r a l f r e q u e n c y of   oscillation of t h e   a i r c r a f t . 

Measuring  t h e  inertias of v e r y   l a r g e  aircraft  i s  difficult  a n d   i s  compounded w i t h  f l e x i b l e   a i r c r a f t . u c h  measurements a r e  n o t i n   t h e   r e a l m  of t h e  methods  d i s c u s s e d . A nique f a c i l i t y  designed  t o   e n h a n c e  t h e  feasibility f o r  determining  t h e  moments of inertia  of l a r g e  aircraft  a b o u t   a l l t h r e e  axes  i s  located  a t   t h e  US Air F o r c e  Flight Test  C e n t e r , E d w a r d s , C a l i f o r n i a , U S A . t s  capabilities  c o v e r  a  w e i g h t r a n g e f r o m 30,000  t o   3 0 0 , 0 0 0  a n d  moments of  i n e r t i a   f r o m   2 5 0 , 0 0 0   t o 1 0 x 1 0

6 s l u g   f t

2. The facility enables  t h e  determination o* aircraft moments of inertia  f r o n  measure- ments of changes  i n  pendulum characteristics resulting  f r o m   t h e  addition of a n a i r c r a f t t o  a   f r e e l y  oscillating p l a t f o r m . h e   b a s i c  elements of  t h e f a c i l i t y   c o n s i s t  of  t h e p l a t f o r m , a   c o n t r o l c o n s o l e   f o r  activating various  s y s t e m s   w h i c h r e a d y   t h e  platform f o r  o s c i l l a t i o n ,  and  a n  instrumentation  c o n s o l e   f o r  regulating  t h e  amplitude and measuring the period of  t h e   o s c i l l a t i o n s . h e  platform  i s   a n i n t e g r a l c r u c i f o r m structure 110  f t long a n d 80 f t  w i d e , with  i t s   l o a d i n g  surface f l u s h   w i t h   t h e   s u r r o u n d - 

i n g   f l o o r   s p a c e . h e  apparatus  e m p l o y s   s p e c i a l  hydrostatic bearings ( i d e n t i c a l  t o those used i n   t h e 2 0 0   i n . Palomar  t e l e s c o p e ) t o s u p p o r t   t h e  p l a t f o r m , w h i c h i s   l o c k a b l e  i n  t w o   a x e s   w i t h  oscillation  a b o u t   t h e  axis of  i n t e r e s t .  

T o  contend  w i t h  the p r o b l e m  of aircraft f l e x i b i l i t y , stiffening jacks a r e  used  t o support  t h e  aircraft  s t r u c t u r e . s a  r e s u l t  of t h e  stiffening o p e r a t i o n , flexibility effects  a r e considered  t o   b e l e s s   t h a n  4% i n   r o l l a n d  2% i n   p i t c h . 

T h e  experimental e r r o r   i n   t h e  methods discussed  i s  of  t h e  order of   ±5%   or  l e s s . 

4.3 nclination of  P r i n c i p a l Axis 

T h e  i n c l i n a t i o n  of  t h e  principal a x i s  of  t h e   a i r p l a n e i s  o n e  of  t h e   i n o r e  d i f f i c u l t 

quantities  t o   d e t e r m i n e   e x p e r i m e n t a l l y . n   e r r o r  o f   1 / 4 ° i n t h e   v a l u e  of  t h e i n c l i n a - t i o n  of  t h e  principal a x i s   c a n significantly  a f f e c t s o m e  of  t h e   d e r i v a t i v e s . h e method of Reference 2 2   i s   c o n s i d e r e d  accurate  t o 1 / 6 ° . 

Page 57: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 57/190

3 3  

This  method consists of  f i n d i n g  t h e  direction of t h e   r e s t o r i n g - t n o m e n t  vector w h i c h produces  no rolling  moment relative  t o   t h e  b o d y   x-axis during  t h e  yawing oscillations of t h e  airplane a s   a  spring  mass system while suspended b y  means of a  c a b l e  attached t o  a  hoisting s l i n g . i g u r e 1 5  s h o w s   s c h e m a t i c a l l y ,  and  Figure 1 6   s h o w s  photogra- p h i c a l l y , a   g e n e r a l arrangement of  the  s e t u p . he airplane  i s  suspended a t   a horizontal p i t c h   a t t i t u d e , and yaw r e s t r a i n t i s  provided b y  t w o  sets of springs whose  l i n e s  of a c t i o n l i e   i n  a  common p l a n e . he springs should provide a  pure couple a c t i o n . h e restoring-moment vector acts  normal to t h e  plane of  t h e  s p r i n g s . he springs  may be attached t o   s h o r t , rigid  mounting brackets located below t h e   w i n g s  equidistant f r o m   t h e plane of  s y m m e t r y   o r t o  brackets mounted below t h e f u s e l a g e  ahead of  a n d  behind  t h e c e n t e r   o f   g r a v i t y . n   t h i s   r e s p e c t , t h e  wing  mounting arrangement i s  most  c o n v e n i e n t a n d   l e s s   t i K i e - c o n s u m i n g . t   i s   e s s e n t i a l t h a t   t h e  springs provide a  pure couple  a c t i o n . 

As  t h e  airplane oscillates  i n  yaw w i t h   v a r i o u s inclinations of t h e  plane of t h e spring  c o u p l e ( a n g l e 8  i n  Figure  1 5 ) , s o m e  coupling  i s  present between  yaw N n d r o l l  , w h i c h  results  i n   a   c e r t a i n   a m o u n t  of rolling o s c i l l a t i o n . his  i s  s h o w n   i n t h e  following equations where t h e  subscript  denotes t h e  reference attitude  of t h e a i r p l a n e : 

I x rPr - IxrVr  L 88> 

^ r J - r  " I x r z i - P r 

N

 • 8 9 ) A t   s o m e  o n e   v a l u e  of „ , h o w e v e r ,  h e  rolling  motion accompanying  t h e  yawing motion 

Oft) 

i s   z e r o I p l / l r l = 0 ) . n  this situation  t h e  preceding equations  r e d u c e   t o 

( 9 0 ) X rZ rrr =   L 

Izjir  = N 

However  a s hown n igure 5 , 

tan8sp =  -I

N  

Hence 

tan8sp = Ixrzr 

Jzr

( 9 1 ) 

( 9 2 ) 

Inasmuch  a s   t h e  inclination of t h e  principal  a x i s   i s   g i v e n   b y   t h e  wellknown expression 

2 1 tan2e  rZr

  .  9 3 ) I z r  -   I xr 

substitution of Equation ( 9 2 ) f o r XZr n  Equation ( 9 3 ) g i v e s  

t a n   2 £ = -  a i

T*"J2   M) I zr - Ix-, 

Page 58: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 58/190

3 4 

The value of  Zr s determined   as a  byproduct of   the t e s t  by  using 

CeosS. lzr 

_ 8 £ or  ( 9 5 ) 

H o w e v e r , Xr must be determined  f r o n  other t e s t s .  

Figure  1 7 shows a typical experimental plot of   t h e  variation  of p | / | r j ith 

f o r  determining the  v a l u e  of Sgp a t  which p | / | r | s   z e r o . n  obtaining t h e  tests points shown in t h e   f i g u r e , the  f l i g h t   t e s t   r o l l -  and  yaw-rate gyros  mounted i n  t h e airplane were used t o  obtain oscillograph records  f o r  determining p | / | r | r o m  the transient o s c i l l a t i o n s .  

The  measured  values  of   moments of  inertia relative t o  t h e  reference axes and t h e determined inclination of   the  principal axes  may be used t o  determine t h e  principal moments of  i n e r t i a s , , 0 and  Zo , by  using the following equations 

l20 

I x r -  I x rzr tan

 e 

I z r + J t x r Z r  

tan e 

( 9 8 ) 

( 9 7 ) 

Although no   mention was   made of the effects  of  air  mass  o n   t h e  experimental values of   moments of i n e r t i a , t h e  effects should be considered  and corrections applied if n e c e s s a r y . eference 2 3  provides formulas t o  correct  f o r  air-mass e f f e c t s .  

Formulas  f o r  transferring moments of inertia f r o m   o n e   s e t  of axes t o  another w e r e presented i n  Section  3 . 1 . 

5 . INSTRUMENTATION 

Basic  t o   a n  analysis of  f l i g h t  data i s  t h e   i n s t r u m e n t a t i o n . onsiderable instrumen- t a t i o n  research has been  i n  progress and  many f l i g h t   t e s t  Instruments have b e e n   d e v e - l o p e d  t o  improve the linearity of r e s p o n s e , r e s o l u t i o n , dynamic response  c h a r a c t e r i s t i c s , r e a d a b i l i t y ,  r u g g e d n e s s , and reliability of calibrations over varying operating c o n - ditions  a n d  extended periods of t i m e . n   a d d i t i o n , t h e  application of   the instruments requires knowledge of   mounting a c c u r a c y , s o u r c e s  of e r r o r   i n   t h e   f l i g h t   r e c o r d s , a n d methods of correcting t h e   e r r o r s . nadequate appreciation of t h e   i n s t r u m e n t c h a r a c t e r -  

i s t i c s , mounting a c c u r a c y , and  possible influence of s o u r c e s  of e r r o r  serves  a s  a detriment  t o   t h e  successful application of   new techniques of   analysis as w e l l   a s  a d e t r i m e n t   t o   t h e  analysis  b y  approximate  m e t h o d s .  

I n  the following d i s c u s s i o n ,  sufficient guidelines a r e  presented t o  show t h e   c a r e required i n  the s e l e c t i o n , i n s t a l l a t i o n ,  and calibration of instruments t o  minimize e r r o r s  i n   t h e  analysis of  f l i g h t   d a t a . ndividual instruments may differ  f r o m  o n e organization  t o  another a n d   t h e  degree of sophistication  i n  instruments  a n d   r e c o r d e r s  w i l l v a r y   w i t h   t h e   i n d i v i d u a l  I n v e s t i g a t i o n ; h o w e v e r , t h e  principals  of operation of t h e   s e n s o r s   a r e  generally t h e  s a m e . 

Page 59: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 59/190

  "-:«»

  1 4

;" ^ s » v 

y M  

I 135 

5 . 1 S a c h  N i n b e r , A l t i t u d e , a n d  Dynamic Pressure 

Accurate determination of  Mach number  i s  of  f u n d a m e n t a l importance  i n f l i g h t  testing 

high-speed a i r c r a f t . i e  principal  m e t h o d s , discussed  i n   d e t a i l i n  References  2 4  and 

2 5 , a r e  based u p o n   t h e  following relationship f : > r  subsonic conditions ( M  <   1 . 0 ) 

ß.ti-N""-0., t i  ( 1   +   0 . 2 M )7/2 -  1  ( 9 8 ) 

F o r  supersonic conditions ( M  >   1 . 0 ) , t h e  equation  i s   modified t o   i n c l u d e   t h e   l o s s   i n 

t o t a l  pressure behind  t h e   s h o c k wave 

/  7+i  2 (y-l) 

% +1  ,1 5.76II2  \5/2-  =  2 1  =   1.2M2  1. 99) 

27  2  7-1 56M  " -8/ 

\7 +  +1

The m p a c t pressure Q C  nd he tatic pressure p  are m ea s u r ed y using pitot- static ea d nd pressure ecorders.  The a x i m u m Mach umber s well s ynamic pressure hich a n e e t erm ined y using pitot-static eads s of he rder f 3.5. H i g h er  peeds re primarily ependent pon nertial latforms nd adar.  Dynamic 

pressures t Mach umbers s he pproxim ate ange of .5 o .0 a n e e t erm ined through he s e f pherical low-direction ensor nd otal- stagnation) ressure technique. 

5.1.1  Pitot-Static Head M  .5) 

M u c h esearch a s e en one n arious ypes nd onfigurations of otal-pressure heads o educe ngularity ffects26'27.  The ype hown n Figure 8 s sed widely. Thi s e ad a s n xternal ylindrical hape , a ylindrical hamber , and  0 ° lant profile.  It s nsensitive zero rror) o ngle-of-attack rom 5° o 0 ° nd p o 1 0 ° f ideslip.  The rror s ess ha n % n he ngle-of-attack ange rom 10° o 2 5 ° nd 1 0 ° ideslip. 

The rrangement f he tatic-pressure orifices n he ead a s een ound o e  pertinent n ncreasing he ange f nsensitivity f he orifices o low ngularities.  Th e rrangement s e d a s een e t erm ined rom ests of orifice onfigurations2"'29. Th e w o dentical ets r rrangements hown n igure 8 re a ch ircumferential, with ou r orifices n he op , six n he ottom , and ne n he ottom enterline behind he thers.  Th e w o ets of tatic-pressure orifices re se d o provide or separate pressure ystems.  One et f tatic orifices s se d or he pilot' s  instruments, the ther et or light est ecording nstruments o m i n i m i z e he im e  lag of esponse hat ould e ncountered ith  o m m o n y s t e m .  The rrangement f the orifices n ach et provides n ncreased ange of nsensitivity o ngle-of- attack; owever , It s not s nsensitive o ideslip.  Large tatic-pressure rrors are ncountered t ideslip ngles reater han °,  Since onstant ideslip ngles are eldom ncountered, he tatic-pressure a ta a n e eadily aired. 

Page 60: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 60/190

~ 1 36 

Installation of he pitot-static ead: nstallation f he pitot-static ead equires consideration f he omplicated low ield of he irplane, hich s unction f th e  airplane onfiguration s e ll s M a c h umber nd ttitude.  Errors n pitot-static- head eadings esulting r o m his low ield re eferred o s petition rrors.  T h e  static-pressure orifices re particularly ffected y position rrors t ubsonic speeds; hus, recautions re aken o ount he pitot-static ead s a r head of he  airplane s s practical. 

Of he arious ypes f nstallations f he pitot-static ead - uch s os e o o m , wing o o m , nd use lage - he ose-boom nstallation s he most uitable or minimizing  position rrors.  In his nstallation, h o w n n igure 9, th e ead s mounted n b o o m xtending a s ar ahead of he nose of he irplane s s practical.  A s eported in eference 9, he mount of error n M a c h number ue o position rror n he tatic- 

pressure measurements an e elated o ertain hysical easurements n he irplane. This s h o w n n igures 0 nd 1 , which re eproduced r o m eference 0 .  In igure  20 , he rror n M a c h u m b e r ue o tatic-pressure rror s plotted s atio f b o o m ength o he m a x i m u m ffective use l a g e i ameter or ubsonic, ransonic, nd supersonic peeds .  In igure 1 , th e ariation n a c h umber rror ith M a c h umber is plotted or wo irplanes aving oom -length-to-fuse lage -diam eter atios of .6 0  and .95.  Above M a c h umber of . 05 , th e position rror rops o ero.  T h e a c h  n u m b e r t hich he position rror rops o e ro s ependent pon he ope-boom  geometry nd s he M a c h cumber t hich he hock ave head of th e irplane rosse s  over he tatic-pressure orifices. 

W i n g -b o o m nstallations f he pitot-static head re ubject o evera l i sadvantages , including possible usceptibility o he hock ave aused y he ing s e ll s he  

shock ave aused y he use l a g e .  This om plicates he alibration nd makes t more difficult or he pilot o ly t he esired M a c h u m b e r n he egions here he  shoe* aves re n he icinity f he orifices.  W i n g o o m s re sual ly o r e ensitive to ideslip nd ubject o ore a g n esponse ecause f he onger ubing equired. 

Fuse lage nstallations f he ead re ubject o position rrurs, hich re diffi- cult o s ti m at e . 

Calibration: Calibration f he pitot-static ead, fortunately, involves nly he  determ ination f he position rror or he tatic ressure - he otal ressure s not ffected y position rror.  Various methods ha t ave ee n sed nclude he pacer method, th e ly-by tower-pass) ethod, and m odifications f he asic adar-photo- theodolite ethod24. T h e acer method equires he se f acer irplane ith 

cal ibrated ystem nd pecial lights or alibration urposes.  T h e ly-by ethod requires g light t xtremely ow altitudes a st n nstrumented ourse.  This latter method not nly equires pecial lights, bu t s azardous n d im i te d o M a c h umbers f bout .8 . 

T h e adar-phototheodolite ethod ha s he dvantage f roviding alibration ata  during outine esearch lights.  T h e method makes se of adiosonde unit o measure  static-pressure nd emperature ariations f he tmosphere ith ltitude.  It ls o requires round quipment onsisting f adar nit,  hototheodolite, a hronograph, and hree ameras.  O n e f he ameras hotographs he adar cope n d ives he lant range; he arge t arcera ives he orrection o he l evation cales; nd he hird camera ives he levation cale. T h e irplane tself s quipped ith radar eacon 

Page 61: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 61/190

3 7 

t o   a s s i s t i n  t r a c k i n g . he three  c a m e r a s  and the airplane's internal records a r e  synchronized  b y  means of t h e  c h r o n o g r a p h . he radar-phototheodolite unit determines t h e  range and e l e v a t i o n   a n g l e  of the airplane  f r o m   w h i c h   t h e  true geometric altitude of  the airplane  i s  determined . w i t h i n  ±100  f t ) a s  a  f u n c t i o n of t i m e . 

A cross plot of the radar-phototheodolite data (airplane altitude  v s . t i m e ) with the radiosonde results  ( f r e e - s t r e a m  static pressure  v s .  a l t i t u d e )  provides a  plot of  t r u e  free-stream static  pressure a s   a  f u n c t i o n  of  t i m e . ince  t h e  time base of the a i r - p l a n e *   s  indicated static-pressure records  i s  synchronized with the r a d a r - p h o t o t h e o d o l i t e , a  comparison of t h e  a i r p l a n e '   s  indicated static-pressure records with t h e  cross p l o t  

provides the position  e r r o r , p of t h e  static h e a d . h e  corrected static pressure m a y  now be obtained  f r o m  t h e  relation p =   p " j  +   Ap . he  t r u e   I m p a c t  pressure  i s  now determined  f r o m c =   pT  -  p  = q cl - Ap 

True Mach umber: True  Mach number  i s  determined  f r o m  tables of q c/p a s f u n c t i o n s o f Mach number based o n  Equations ( 9 8 ) and  ( 9 9 ) . he indicated  Mach n u m b e r , i  , a s determined  f r o m 1  q cl  and t h e   t a b l e s , i s  plotted against  t h e  corrected  Mach  n u m b e r , M  , t c  provide a calibration  c u r v e , s u c h   a s  s h o w n   i n  Figure  2 2 ,  o r  t h e  pitot-static- head installation  on the a i r p l a n e . e n e r a l l y , calibration data  points  f o r  four  or f i v e  flights a r e  used before  t h e  calibration c u r v e i s   f i n a l i z e d . he  s c a t t e r . AM , i n  calibration points  i s  usually within  10.01 at subsonic and supersonic speeds and within ±0.02   a t t r a n s o n i c   s p e e d s . 

Pressare ltitude: ltitude  i s  generally expressed  i n  terms of "pressure a l t i t u d e " ,  w h i c h i s  t h e   a l t i t u d e   i n   t h e  standard atmosphere tables corresponding  t o   t h e corrected s t a t i c  p r e s s u r e . h e  corrections f o r   a   g i v e n  pitot-static  pressure system a r e  obtained i n  t h e f o r m p^/p s . M  . T h e   c u r v e   f o r  this relationship  i s  derived  f r o m  the  Mach number calibration of t h e  system and t h e  position  e r r o r f o r   t h e  static pressure d e t e r - mined as a  ratio of the true static pressure by the following equations  f r o m  Reference 2 5 : 

When M  <   1 . 0   , 

When M  >   1 . 0 , 

Ap  -1.4M2 AM\ =  — 1 0 0 ) 

p  1 +  0 . 2 M2 \M / 

Ap  (  4 . 0  \/A*i\ -2 -  1 0 1 ) 

w  ... 

I : 

p  \5.6M2 - 0 . 8  /\ M 

I n routine  t e s t s , t h r ?  pressure  r a t i o j / p s  divided b y pi t o  obtain p , w h i c h i s  used to determine  t h e  pressure  a l t i t u d e . 

Dynamic pressure:  The dynamic p r e s s u r e ,  , i s  determined f r o m   t h e   s i m p l e r e l a t i o n 

q  0 . 7 p M2  1 0 2 ) 

Page 62: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 62/190

——#»— 

5.1.2  U se of Spher ical Flow-Direc t ion Sensor o  Obta in Dynamic Pressure 

In he bsence of ru e M a c h umber, uc h s h e n light s eyond th e practical Unit of th e pitot-static ube I f ~ 3.5), technique has een volved o btain he  dynamic ressure , n he higher upersonic nd hypersonic egions, irectly rom he  total -pressure ort "f a pherics. ' lnw-direction ensor31.  H ie low-direction ensor, described n ore detail n ection .3 , is movable phere mounted t he os e f th e irplane o orm "bal l ose".  The otal-pressure or t ectors nto he esultant velocity t he ensor. 

Inasmuch s  q 0.7 M 2  and, from he Rayleigh pitot ormula, 

—  =  f(M) 

where 

f(M) =  (7 + )M '  

7/(7+1)  2 > M Z - 7 - ) 

7+ 

1/(7+1) 

( 1 03 ) 

th e ynamic pressure an e xpressed s  

5  =   0 .7p [ f (M)]pT  

or  q  P(M) 

( 1 0 4 ) 

( 105 ) 

A plot of q/pT ersus  M ( F i g .   2 3 ( a ) ) shows that this ratio varies only about 5% i n   t h e Mach range above  2 . 5 . s c  result of this s m a l l  variation  i n / p .  n u m b e r s , i t   w a s  suggested  t h a t a n as 

' i n d i c a t e d "  dynamic  p r e s s u r e , 

a t   t h e  higher  Mach , c o u l d   b e  expressed 

» i  K p T  ( 1 0 6 ) 

Figure 3(b) hows he atio f ndicated o ru e ynamic ressure,  qi/  for wo values f  K Using  K 0 . 5 26  is % high t  M .1   and .5% low t  M 7 

5.1.3  Pressure-Recording Instruments 

Selection f he ressure-recording nstrum ents n  heir anges or iven nstal- lation epends n he ltitude nd M a c h umber ange - .er hich pecified ttainable M a c h umber ccuracy s es ired.  W h e n ests re o e onducted t ne ltitude, it is o roblem o elect pressure-recording nstrument o rovide he equisite accuracy.  F or ests onducted over ar ge ange of ltitudes, he equisite ccuracy m a y e ttained y sing om bination f im ited-range nstruments .  Considerations f th e pressure im e a g equire ha t he nstrument olume emain s m a l l s possible, thus necessitating n valuation f nstrument ccuracy ith onsideration or he  errors aused y he dded im e a g of m ult iple- instrum ent nstallation. 

Page 63: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 63/190

3 9 

The ag n esponse at he ecorder ervo or pilot display, s he ase a y e, an 

b e calculated rom he ollowing ormula from Reference 2) , hich akes nto ccount the ense ine, nstrument olume, nd pressure 

(107) 

where 

K  =  1 2 8 M 0I(V 0O 

7rpD ' 

X a g n esponse, sec  

M 0 iscosity of he luid, lb sec/in"2 

I  ength of ense ine, in 

V ol nstrument olume, in"3

P ean pressure n ense ine, lb/in2 

D iameter of ense ice, in  . 

Several anges of nstruments are available or oth he static-pressure nd otal- pressure ecorders.  Fo r he static-pressure ecorders, the ower-range nstruments 

require emperature calibration.  Hysteresis nd riction errors, nd emperature errors, should e within 1/2% of ange or better. 

5 . 2 o n t r o l  Position Transmitters 

C o n t r o l  position  t r a n s m i t t e r s ,  commonly referred t o  a s  CPT u n i t s , s e n s e  the  c o n t r o l - 

s u r f a c e  deflections  a n d  m u s t  be  a c c u r a t e  and sensitive enough t o  measure  s m a l l 

d e f l e c t i o n s . ransmitters of t h e   sliding contactor  t y p e   c h a n g e   t h e   r a t i o  of resistance 

i n   t w o   a r m s  of a  Wheatstone  b r i d g e   c i r c u i t . ny variation i n   t h e  resistance of t h e  

a r m s  unbalances  t h e   c i r c u i t and c a u s e s   c u r r e n t   t o  flow t o  t h e   r e c o r d i n g  galvanometer 

( s e e  Figure 2 4 ) . 

I n   a  properly installed  s y s t e m , t h e   p h a s e   l a g   b e t w e e n t h e  transmitter  a n d   t h e  r e - 

corder should  b e   n e g l i g i b l e . 

h e   e r r o r s   d u e   t o   h y s t e r e s i s ,  z e r o   s h i f t ,  e m p e r a t u r e , a c c e l e r a t i o n s , or vibrations should a l s o   b e   n e g l i g i b l e .  

The transmitters  a r e   f i r m l y  mounted a t  t h e   c o n t r o l surfaces  t o eliminate  t h e   e f f e c t 

of control-system  d e f o r m a t i o n s . h e   s p a n w i s e  l o c a t i o n of  t h e  transmitter  g i v e s  a n 

approximate spanwise  surface  d e f l e c t i o n .  

Zero checks  a r e  made before  a n d  after e a c h f l i g h t to  d e t e c t   a n y  z e r o   s h i f t i n   t h e  

galvanometer recording s y s t e m .  

f  * i 

5 . 3 ngle-of A t t a c k   a n d  Sideslip 

5.3.1  Vane-Type low-Direction Sensors O f he various ypes of low-direction devices or ensing ngle f attack nd 

sideslip p o M a c h umber of pproximately 3.0, good ccuracy nd eliability s 

Page 64: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 64/190

Page 65: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 65/190

Page 66: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 66/190

r  - - < . - . ' 

4 2  

t h e n t h e  spherical sensor  i s   i n   t h e   z e r o  position ( a x i s  alined w i ^ h   t h e  a i r p l a n e ) ,  t h e  a-ports are  4 2 °  above and below t h e  reference  l i n e   i n   t h e   v e r t i c a l  plane o f  symmetry of   the aircraft and t h e / i - p o r t s  a r e  42° on either s i d e  of  t h e  reference  l i n e   i n  the transverse p l a n e .  

T h e  sphere constitutes the  outer gimbal of  a two-gimbal pivot system  i n   w h i c h   t h e outer g i m b a l i s  pivoted  t o  t h e   i n n e r   g i m b a l   w h o s e   p i v o t a l  axis  i s  f i x e d  a n d   i s  normal t o  t h e  plane of  symmetry of t h e   a i r p l a n e . s  t h e  sensing sphere  s e e k s  n u l l readings i n   e a c h  of  i t s  t w o  sets of static-pressure p o r t s , t h e  gimbals rotate  a b o u t  t h e i r   r e s - pective  a x e s . h e  inner g i m b a l , rotating a b o u t   i t s   f i x e d  a x i s , w h i c h i s  normal to  t h e plane of s y m m e t r y , sweeps  a n  angle  i n   t h e  plane of s y m m e t r y . h e  outer  g i m b a l , w h o s e  pivotal a x i s   i s   mounted  on  t h e   i n n e r   g i m b a l  and remains  i n   t h e  plane of s y m m e t r y at a l l   t i m e s , sweeps a n  a\gle ß  i n  a   plane w h i c h   i s  perpendicular  t o   t h e  plane of s y m m e t r y ; this p l a n e   i s   t L * >  transverse plane of t h e  stability  a x i s   s y s t e m  of  t h e a i r c r a f t . h e  and ß  a n g l e s  nicked off  by synchros  a r e   t h e  aerodynamic  a n d ß  ngles of t h e  a i r p l a n e . 

T h e inherent a c c u r a c y  of  t h e  spherical sensor  i s  of  the order o f  ±0.5° or better f o r  dynamic pressures  i n  excess of  2 0   l b / f t

2. t  high angles of attack  i n  excess of 

approximately  2 6 °  a t   l o w  dynamic pressures of a b o u t   4 0   l b / f t2 and  l e s s , t h e  i n d i c a - 

t i o n s  are s u b j e c t t o l a r g e   e r r o r s , possibly  d u e   t o f l o w  interference of   t h e   l i p  on  t h e collar of t h e  h o u s i n g .  

5. 4 Angular Velocities and Accelerations 

T h e  angular velocity and angular acceleration relative  t o   a n y  o n e   a x i s   c a n   b e sensed 

b y   i n d i v i d u a l s e n s o r s  or sensed a n d  recorded  i n   a  convenient packaged u n i t . igures 3 9 ( a ) and 3 9 ( b ) show  t h e  details of  t h e  angular-velocity  a s p e c t   o f  a NACA d e s i g n e d ,  packaged u n i t   w h i c h  includes t h e   r e c o r d e r . h e  angular acceleration sensing  a n d   r e - cording involves  a  relatively  s m a l l  extension of this u n i t . he operation of   the u n i t depends upon  t h e  precessional f o r c e  of a  restrained  g y r o  motor w h e n   t h e  u n i t i s  s u b - jected to a n  angular rate a b o u t   a n  axis  w h i c h   i s  perpendicular  t o   b o t h   t h e  a x i s  of rotation of   the  g y r o  motor and t h e  axis of rotation of  t h e   g i m b a l   r i n g s . he  g y r o - s c o p i c   e l e m e n t i s   t h e  rotor o f   a  synchronous m o t o r . h e  sensitive element i s   r e s - trained  b y   a  precision helical s p r i n g . h e  moving  s y s t e m i s  damped b y  rotating a n aluminium  d i s k i n  t h e f i e l d  of  a  strong permanent m a g n e t . h e  angular-velocity measure- ment  i s  made  b y  optically recording on  t h e f i l m   t h e  angular displacement of t h e   g i m b a l . Sensitivity of  t h e  angular-velocity recorder c a n  b e  adjusted b y  rotating  t h e  actuator a r m  along  t h e  mirror  s t a f f   t a i l . 

Angular acceleration i s  obtained b y  differentiating  t h e  g i m b a l  m o t i o n . he differ- entiation i s  accomplished by mounting  a  c o i l i n   a   magnetic f i e l d  a r d  driving  i t f r o m  t h e  damping s h a f t   s o   t h a t i t r o t a t e s  w i t h   s p e e d  proportional t o   t h e  angular velocity of  t h e   g i m b a l . h e  output  v o l t a g e , w h i c h i s  proportional t o   t h e  angular a c c e l e r a t i o n ,  i s  recorded o n   t h e f i l m   b y   a  self-contained reflecting  g a l v a n o m e t e r . 

5 . 4 . i nherent Accuracy  

I n  well-designed angular-velocity  s y s t e m s , t h e  reading a c c u r a c y i s  of  t h e  order o f 0.5%   of  f u l l  scale or b e t t e r ; t h e  errors due t o  friction a n d  hysteresis a r e   l e s s t h a n 1 f  f u l l s c a l e , a n d  the  c h a n g e i n  sensitivity f r o m l a r g e   c h a n g e s   i n  temperature s h o u l d 

Page 67: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 67/190

 

\   > 

.W ' I 

4 3  

b e  a s   s m a l l  as p o s s i b l e . rrors d u e  to linear accelerations  of  5 g should be  l e s s  t h a n   1 % . he sensor should  provide  f l a t  response characteristics within ±1%  f o r  all anticipated impressed  f r e q u e n c i e s . he phase  l a g   ( t i n e   l a g ) i s   a   f u n c t i o n  of damping r a t i o  and undamped natural f r e q u e n c y  of t h e   s e n s o r . 

Recorded angular accelerations a r e   s u b j e c t  t o  the errors  f o u n d   i n   t h e   a n g u l a r - velocity  r e c o r d . n   t h e  NACA acceleration-velocity  packaged  u n i t , additional errors a r e  introduced b y   t h e  acceleration recording  g a l v a n o m e t e r ; inasmuch  a s   t h e   a n g u l a r - acceleration pickup  i s  a  differentiation  d e v i c e , t h e  response  a n d  phase  l a g   of t h e aicelerometer  a n d  velocity portions of t h e  u n i t   a r e   s i m i l a r . 

5.4.2 M ount ing nd Corrections 

I t   i s  iuportant that the instrument mounting be  r i g i d . lthough  s m a l l - a m p l i t u d e ,  high-frequency vibrations  may   not b e  apparent o n   t h e  velocity  t r a c e , t h e  vibrations c a n  introduce considerable  noise  i n  the acceleration  t r a c e . 

Angular-velocity  g y r o s  a r e  subject  t o  coupling errors caused b y  a n interference ( a i r p l a n e ) angular velocity about t h e  spin axis of  t h r   g y r o   r o t o r . are should  be exercised i n  orienting the instrument during  mounting  s o  as t o   s u b j e c t i t s  spin axis t o   t h e minimum interference angular  v e l o c i t y . mathematical s t u d y  of  t h e  coupling e r r o r   i s   presented  i n  Reference  3 9 . he interference angular velocity ( a l s o  k n o w n  a s  the  q  r a t e ) affects  t h e   s e n s i t i v i t y  of t h e   i n s t r u m e n t , t h e  undamped  natural f r e - q u e n c y , a n d   t h e  damping  r a t i o . h e   e x t e n t  of t h e   e r r o r s  i s  a   f u n c t i o n  of t h e   g i m b a l t i l t , w h i c h , i t s e l f , i s   a   f u n c t i o n  of   the g y r o  sensitivity i n  spring-restrained  i n - struments and t h e  magnitude of  ' . l i e interference angular  v e l o c i t y . his  i s illustrated i n  Figure 40  f o r  a n   a n g u l a r -   ve city  u n i t  having  a  static sensitivity of 0 . 2 5 6   r a d i a n  p e r   r a d i a n  per  s e c o n d .  > j c r ^ a s e i n  sensitivity would r e d u c e   t h e  coupling  e r r o r ; h o w e v e r , a  decrease  i s  not always  d e s i r a b l e . o  minimize  t h e  coupling  e r r o r  f o r  a n y o n e   i n s t r u m e n t , t h e   a x e s  should  b e  oriented a s f o l l o w s : 

Desired 

Velocity 

Input 

Axis 

Spin 

Axis 

Output 

Axis 

R o l l  r a t e ,  X  z  y 

Pitch  r a t e ,  y  z  X 

Yaw r a t e ,  z  y  X 

i f 

- n 

4 i '  i  1 

Alinement of t h e  sensLig-recording units should  be within ±0.2° of correct orientation with relation to   t h e  body  a x e s , ndetected  misalinement has  b e e n  known  t o r e s u l t   i n erroneous values of  highly pertinent  d e r i v a t i v e s , w h i c h  resulted  i n  misleading  r e s u l t s i n  analog-simulated rolling  c h a r a c t e r i s t i c s . n   a n y  correction  f o r m i s a l i n e m e n t ,  t i s  pertinent that  t h e  recorded values  b e  corrected  f o r  phase  l a g  of t h e  instrument prior t o  insertion  i n  t h e  correction  e q u a t i o n s . i m u l t a n e o u s l y , t h e  response of  t h e i n s t r u - ment should b e   c h e c k e d ,  f   t h e r e i s   a n y  appreciable deviation f r o m   t h e  damping r a t i o o f   0 . 6 5 , t o  ascertain t h e  percentage  e r r o r   i n  magnitude of t h e indicated quantity  d u e t o   t h e  dynamics of  t h e i n s t r u m e n t . isalinements i n   t h e  mounting of  t h e  unit may  b e accounted  f o r  b y  using  t h e  equations  s h o w n i n  Figure  3 1 . 

Page 68: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 68/190

a ipg^ssrssrg^E ,..,,.,4  .   . .■ ITT-»   Tuff  "* '  "  

r 44 

5.5 inear Accelerations  

In eneral , flight esting s one ith he ean-type inear acceleroneters hich a re vailable a s ingle-component r hree-component units.  Drag eterm ination s frequently a d e ith ingle-component units30.  The eam-motion estraining orce s general ly upplied by a pair of opposed helical prings.  The ensitivity nd u n d a m p e d  natural requency re ependent pon he prings sed. 

5.5.1 nherent Accuracy  I n  properly designed  beam-type linear a c c e l e r o m e t e r s ,  sensitivity and zero changes 

f r o m  random causes a r e  less t h a n  0.5%   of f u l l   s c a l e . he s e n s o r should  have a damping r a t i o of 0.65 and a   sufficiently high undamped   natural f r e q u e n c y   t o  provide  f l a t   r e s - 

ponse characteristics within ±1%   f o r  Impressed frequencies up t o  6 0%   of   the undamped 

natural frequency of t h e   s e n s o r . ach linear accelerometer  i s  affected by a n  inter- 

acting acceleration acting  along the b e a m . he effect  i s  generally s m a l l   b u t  should 

net be arbitrarily  i g n o r e d .  

5.5.2 ounting nd Corrections The nstrument hould e mounted s close o he center of gravity of he airplane 

as possible.  It hould e igidly astened on  igid mounting attached o he rimary  

structure of the airplane o void or at east minimize xtraneous vibratory accelera- tions.  It hould e alined o within ±0.2° of correct orientation with elation o 

all hree eference xes.  W h e n he nstrument s no t mounted at he enLer of gravity of he airplane, corrections of the ndicated eadings o he center of gravity must be made e y using the expressions hown n Figure 2.  The equations or normal accelera- tion,  aQ -nd ransverse acceleration,  at can e inearized nd corrections hus simplified y mounting he accelerometers n he plane of ymmetry long he x-axis. 

5.6 hase La g and esponse 

Since several ndividually ecorded quantities are utilized n he determination of various derivatives, t s mportant hat he phase-lag time-lag) haracteristics of each ecording nstrument e aken nto consideration.  Fo r ys t ems where all he quantities an e ecorded n electrical alvanometers, it s generally possible o 

equalize he ndividual hase ags y proper hoice of the requency esponse of he recording ys tem.  Where his s no t possible, s n he se of certain cf he self- 

recording N A S A nstruments, hase-lag corrections must e onsidered nd applied o bring all pertinent quantities nto correct im e elationship. 

Phase-lag corrections must e applied efore making any corrections or mlsal inement . Corrections or mlsalinement must e made before correcting he ane nd inear-accelero- meter ecords o he center of gravity of he airplane. 

Because of the nature of he control nputs, hase-lag corrections an e applied 

simply y shifting he data im e scale"0, s n he determination of control derivatives, 

or y correcting phase-angle elationships, s n he ime-vector method of analysis. This s ccomplished y etermining he ndamped natural requency of he airplane 

from ree-oscillation maneuvers nd Figure 3.  Amplitude corrections are not equired, since he nstruments have flat esponse characteristics. 

Page 69: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 69/190

ill   i  iiiiiai IBI.I -.—>m..  n i ' ^ '  T i Li p 

4 5 

When  t h e  instruments are  not sufficiently damped t o  provide  f l a t  response character- i s t i c s , corrections  t o   t h e  magnitudes of the recorded quantities m a y   b e  determined f r o m  Figure  3 4 . 

5 . 7 anges  a n d  Sensitivity 

Instruments used  f o r  studies  of g e n e r a l  handling qualities have relatively  l o w sensitivities  i n  order t o  accommodate t h e  n o r m a l f l i g h t   r a n g e   a n d   a r e  used  f o r  approxi- mate evaluation of derivatives  i n  conjunction with  t h e s e   s t u d i e s . or accurate  e v a l u a -  t i o n

 of t h e

 d e r i v a t i v e s ,

 using

 s m a l l

 disturbance m a n e u v e r s ,

 sensitive

 g y r o s

 a n u  a c c e l e r o -

 meters  a r e installed t o  supplement or  r e p l a c e  those used  f o r  t h e  handling-qualities s t u d i e s . he ranges and sensitivities  of t h e  instruments are usually selected a f t e r  studying  f l i g h t   t e s t  records of small-perturbation  maneuvers performed over a  Mach number  r a n g e  during  p i l o t f a m i l i a r i z a t i o n  f l i g h t s   w h e n   t h e  airplane  i s  equipped with general-purpose f l i g h t   t e s t   i n s t r u m e n t s . h e   i n c r e a s e   i n  sensitivity of a n y  one  i n - strument  must b e  accomplished with d i s c r e t i o n , inasmuch  a s  a n  optimum sensitivity  i s attained beyond which  a n y i n c r e a s e  m a y   r e s u l t  simply  i n  a  f a l s e   s e n s e  of a c c u r a c y .  

T a b l e   V I I shows  t h e  characteristics of instruments which  a r e  desirable  f o r  derivative investigations f u r  one high-performance airplane  w h e n   t h e  pulsed free-oscillation maneuver  i s   e m p l o y e d . h e  listed  i n s t r u m e n t  n a t u r a l frequencies  a r e  more t h a n  adequate t o  maintain f l a t  response characteristics  d u r i n g   f o r c e d  portions of t h e   maneuver up to 

t h e  anticipated  maximum frequencies  f o r  a l l  recorded q u a n t i t i e s . 

5 . 8 u l s e  Code Modulation ( P C M ) Data-Acquisition Systems 

I n  the preceding considerations of i n s t r u m e n t a t i o n , emphasis was placed  on  f a c t o r s  t h a t  a f f e c t  t h e  accuracy  o f   i n d i v i d u a l   s e n s o r s . elf-contained sensor-recorded units a r e   c o m p a c t , r e l i a b l e , and a c c u r a t e . h e  use o f  sensors wired t o   r e m o t e  recorders c a n  introduce degradation i n   t h e   a c c u r a c y  of t h e   o v e r a l l  sensor-recorder s y s t e m ; how- e v e r , s u c h  systems  a r e  used t o  keep  t h e  instrumentation  v o l u m e   t o  a   minimum where s p a c e   i s   a  prime f a c t o r   a n d  a   l a r g e  number o f  parameters  a r e   i n v o l v e d . s  t h e  number of sensed a n d  recorded parameters  i n c r e a s e s , t h e   t i m e   l a g   i n  t h e   r e c o v e r y  of t h e  data f o r   t h e  user  i n c r e a s e s . n f l i g h t   t e s t  investigations  w h e r e   t h e  bulk of t h e i n s t r u - mentation i s   a  serious problem or w h e r e  t h e  number of parameters recorded  may constitute 

a  serious  t i m e   l a g   i n t h e   r e c o v e r y  of t h e  data  f o r   t h e   u s e r , a  sophisticated d a t a - acquisition system  i s  available  t o  alleviate  t h e s e   p r o b l e m s . his  s y s t e m , originated t o f u l f i l l   t h e  needs of t h e   s p a c e   i n d u s t r y ,  n  which transducers of superior quality a r e  u s e d ,  s  capable  o f  handling t h e   d a t a   t o  reasonable accuracy ( 0 . 2 %  t o   1 % ) . he s y s t e m , referred  t o   a s   t h e   P C M   s y s t e m , c o n v e r t s   t h e  analog s i g n a l f r o m   t h e   s e n s o r   t o d i g i t a l f o r m a t  and records  t h e  digitized data o n t a p e  o n   a  time-sharing b a s i s .  

♦ 

Figure  3 5 ( a ) s h o w s   a  schematic  d r a w i n g  of  a n  airborne PCM  s y s t e m . h e  analog  s i g n a l s  f r o m   t h e  sensors  g o   t o   a  P C M  encoder  t o   c o n v e r t t h e   s i g n a l   t o   a n  identification  c o d e d ,  digitized  f o r m a t . h e   c o d e d , digitized s i g n a l s   a r e   t h e n  reccrded  i n   p a r a l l e l   o n   a n onboard t a p e  recorder  o n   a  time-sharing b a s i s . o   r e c o v e r   t h e   d a t a , t h e   t a p e d  signals a r e  processed through  a  P C M   d e c o m m u t a t i o n , w h i c h i d e n t i f i e s ( u n s c r a m b l e s ) t h e i n d i v i d u a l s e r . s o r   s i g n a l s , t o   a   f o r m a t  computer  t o   p r o v i d e  real-time data outputs i n   t h e f o r m  of 

strip charts or oscillograph readouts  f o r  a n  immediate  l o o k  a t   t h e   d a t a . h e  real-time d a t a   a r e  also transmitted t o  a  general-purpose computer  w h i c h   t a b u l a t e s , p l o t s , or performs complex manipulation of  t h e  data  i n  engineering u n i t s .  

Page 70: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 70/190

^  ' '.   ■  -T  

4 6 

Where weight is a  serious  f a c t o r , Figure  3 5 ( b ) shows a  schematic drawing  of  t h e  P O M   s y s t e m  using t e l e m e t r y . h e   main differences b e t w e e n   t h e  telemetered a n d  airborne PCM systems involves the transmission of the  c o d e d , digitized signals  i n  series t o  t h e  decommutator (instead  of  parallel  t o   t h e   r e c o r d e r ) , which provides time synchronization of t h e  signals before the signals  a r e   t a p e d . n  processing t h e   d a t a , t h e   f o r m a t   c o m - puter properly identifies t h e   i n d i v i d u a l  data  c h a n n e l s   f o r  real-time data o u t ; n i t . 

As stated e a r l i e r , the PCM system  i s  a sophisticated  o p e r a t i o n . ne  i n s t a l l a t i o n  a t the  NASA  Flight Research C e n t e r , Edw d s , C a l i f o r n i a , i s  designed to  handle 1 5 , 4 0 0  data 

samples per second from 7 7   t o  a  maximum of   800 data s o u r c e s 

6 . FLIGHT TEST TECHNIQUES 

Determination of   the  f l i g h t  test techniques  t o  be used  i n obtaining stability  a n d control derivatives  f r o m  flight data i s  governed by a  number  of f a c t o r s , including the methods of   analysis  t o   b e   e m p l o y e d . uccessful mathematical methods of analysis have been limited t o  the linearized  f o r m  of the equations of   motion a n d  thus  r e s t r i c t   t h e maneuvers t o  s m a l l   p e r t u r b a t i o n s . nasmuch a s  stability derivatives are  f u n c t i o n s  of angle of a t t a c k and  Mach number  a n d , t o  some  e x t e n t , aeroelasticity of t h e   a i r f r a m e ,  the controlled variables  a r e  Mach n u m b e r , load  f a c t o r , a n d  pressure a l t i t u d e . o r safety of  f l i g h t , t h e  investigation of t h e  stability and c o n t r o l characteristics  i s 

usually initiated with a  g r a d u a l  buildup of   maneuvers  a t  high altitude w h e r e  t h e natural frequency and  damping of t h e  airplane  a r e   l o w e r  than  a t   l o w  altitudes  a n d thus p e r m i t  better c o n t r o l . t   i s   d e s i r a b l e , w h e n   f e a s i b l e , t o  have  t h e  maneuvers performed with  t h e  airplane  w e i g h t  within  s u c h   l i m i t s  over  t h e  derivative-determination phase of the  f l i g h t  test program  t h a t   t h e  e f f e c t s  of c h a n g e s   i n  centei-of-gravity position a n d   moments of inertia w i l l   b e n e g l i g i b l e .  

The important factors  t o   b e  considered  i n f l i g h t  testing  f o r  stability  a n d   c o n t r o l derivatives a r e  discussed  i n  the following s e c t i o n s . 

8 . 1 ach Number and Altitude 

Flight  t e s t  maneuvers  a r e  generally performed  a t l g   i n i t i a l conditions  a t  constant Mach number a n d  a l t i t u d e . o r m a l l y , s o m e  variations  i n   t h e s e  quantities  a r e  accepted i f   t h e  resultant change i n  dynamic  pressure  i s  n o t  more  t h a n   5%   over  t h a t   p o r t i o n  of t h e  maneuver encompassed  i n   t h e   a n a l y s i s . n r e g i o n s  w h e r e   l a r g e  Mach number  e f f e c t s e x i s t ( F i g . 3 6 ) , tests should  b e  conducted  a t   c l o s e   Mach number intervals  w i t h  m o r e  rigid requirements  a t  constant Mach n u m b e

r a n d  a l t i t u d e . ailure  t o  trim  t h e  aircraft 

t o   t h e  desired Mach number a n d   t o  mi:1 t h a t  Mach number during  t h e  maneuver  i n 

regions of rapidly varying characteristics m a y  produce  a   s c a t t e r  of   data a n d   a n erroneous a n a l y s i s .  

T h e   v e r y  nature of  f l i g h t  testing  r e q u i r e s ,  o r   e x p e d i e n c y , plotting  t h e   r e s u l t s of analysis  a s   a   f u n c t i o n  of   Mach n u m b e r , w i t h   e a c h   c u r v e  representing a c o n s t a n t - altitude  c o n d i t i o n . igure  3 7 ,  a k e n f r o m  Reference  4 1 , s h o w s   t h e   i n f l u e n c e  of altitude  o n f l i g h t   t e s t  data o n   o n e  supersonic  a i r c r a f t .  

Page 71: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 71/190

4 7 

6.2 ngle of Attack and Load Factor 

i ' V 

■ 

T h e  variation  i n  airplane characteristics  w i t h  angle of attack   i s  determined b y performing  maneuvers  a t  different altitudes with  l g  t r i m  conditions  prevailing prior t o   t h e  p e r t u r b a t i o n , or a t  constant altitude with  t h e  maneuver performed during a stabilized constant-g pushover or  t u r n . t  should b e  noted that  i t   i s  difficult  t o obtair g o o d  maneuvers during stabilized t u r n s ; exceptional piloting  s k i l l  i s   r e q u i r e d .  Figures  3 7  and 3 8  show t h e i n f l u e n c e  of load  f a c t o r  o n  stability  c h a r a c t e r i s t i c s . n instances where  t h e  aeroelasticity of the structure  i s   nil ( d y n a m i c  pressure effects 

a r e  n i l ) , a  combination of  t h e   t w o  techniques  w i l l   r e s u l t   i n  the determination of t h e variation of t h e  derivatives over a n  extended  r a n g e  of   angle of a t t a c k . hould a e r o - elasticity of t h e  structure  b e   a  factor to contend w i t h , t h e  results  f r o m   t h e  t w o techniques w i l l  differ  f o r   t h e   s u n e  angle of a t t a c k . Mach n u m b e r , a n d   c e n t e r  of g r a v i t y .  

6.3 Aeroelasticity 

*. Aeroelast ic eform ation f he tructure s sumes ncreas ing ignificance s he  

aircraft ncreases n ize nd l enderness nd perates t ncreasing ynamic ressures . Supersonic ransport es igns re lexible n rder o eep he tructural eight o w n , th e ayload igh, nd he ange apability m a x i m u m .  T o pply heoretical lexibility  corrections o igid ind-tunnel ata or omparisons ith light ata rovides n intuitive basis n scertaining lexibility ffects.  W h e n uc h om parisons re m -  

ployed n d definite i sagreement s vident n he omparison n egard o evel nd trends f he tability nd ontrol arameters s unction f M a c h umber, it a y become difficult o ocate he ource f he iscrepancy - wind-tunnel ata r redicted flexibility orrections.  Thus, more positive pproach s equired o ssess lexibi- lity ffects. 

T h e tability nd ontrol derivatives hould e ssentially nvariant or igid airplane s ong s a c h umber, angle-of-attack, and he enter f ravity re onstant (assuming eynolds n u m b e r ffects o e minor actor).  Thus, any direct pproach o investigating lexibility ffects ased n light ata hould how he ariation f th e tability arameters - obtained t he a m e M a c h umber, angle-of-attack, nd enter of ravity - s unction f ynamic ressure .  Although a c h u m b e r nd enter-of- gravity ontrol s traightfrrward, th e ngle-of-attack s roblem. 

T h e ocation f he ngle-of-attack ensor xposes he ensor o rrors esulting f r o m tructural eformations,  in ddition o he ther ources iscussed n ection .3 . Hence, it s o r e udicious o se he ife oefficient  C L  in ieu f ngle-of-attack a  Thus, f r o m practical oint f i ew, a direct nvestigation f eroelastic effects hould e ased n omparison f light ata or different ynamic-pressure  conditions btained t he a m e a c h u m b e r , lift oefficient, and enter f ravity. 

A n ffective, flexible, and imple light-planning rocedure o etermine he light test onditions s unction f eight nd ltitude o rovide onstant  M L and center f ravity an e chieved y sing nomograph uch s ha t n igure 9.  In this omograph  C L and  q   are ariables , and enter f ravity s onstant. 

T h e omograph s ased n he ollowing wo as ic elations or g light: 

W   =   C LqS 1 1 0 ) 

and =   0 . 7 p M 2  Ill) 

Page 72: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 72/190

Page 73: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 73/190

 Lim  - Ulli. . . . I   • I.-IJ   ..,..,,. V

4 9 

e m p l o y e d . urrent practical methods of a n a l y s i s , whether they involve approximate equations solving  f o r   i n d i v i d u a l  derivatives or comprehensive techniques solving a number of  d e r i v a t i v e s , have limitations  i n  their  u t i l i t y ; as a r e s u l t , different types of   maneuvers  a r e  employed w i t h i n   t h e   r a n g e  of  their individual limitations  t o  obtain t h e   d e r i v a t i v e s . s a  g e n e r a l i t y ,  t  might  b e  said that typical handling-quality maneuvers  a r e  employed  i n  t h e  determination of derivatives wherein analytical techniques a r e  u s e d . ncluded a r e  longitudinal elevator-pulse  m a n e u v e r s , pullups and p u s h - o v e r s , pullups a n d   r e l e a s e s , rudder-pulse a n d  aileron-pulse m a n e u v e r s , constant-heading s i d e - s l i p s , recovery f r o m   s i d e s l i p , and rudder-fixed r o l l s .  

When  f l i g h t  maneuvers applicable  t t r m a l y t i c a l  technique f o r  derivative determination a r e  n o t  available  or   u s a b l e , t h e  airplane response t o  random inputs  i s  analyzed to give limited stability  d a t a . his  i s  accomplished effectively with t h e  aid of a n  analog c o m p u t e r , using a  technique involving t h e   matching of analog and  f l i g h t  time h i s t o r i e s .  

6.5.1  Pulse Maneuvers 

T h e  simple  p u l s e  m a n e u v e r , s h o w n i n  Figure  4 1 f o r  a  longitudinal p e r t u r b a t i o n ,  s t h e  current  mainstay f o r  derivative  d e t e r m i n a t i o n . o r m a l l y ,  o r  this maneuver  t h e airplane i s  trimmed  a t   t h e  desired a n g l e - o f - a t t a c k , a l t i t u d e , and  Mach  n u m b e r , and a f r e e  oscillation  i s i n i t i a t e d  b y  a n  abrupt pulse -  a n  elevator pulse f o r   l o n g i t u d i n a l o s c i l l a t i o n ,  a rudder or a i l e r o n  pulse  f o r  lateral-directional  o s c i l l a t i o n s . h e 

resulting free-oscillation of t h e  aircraft i s  allowed  t o  damp out with  t h e  controls held  f i x e d  a t   t h e   i n i t i a l t r i m   s e t t i n g . ith  a n  irreversible  c o n t r o l s y s t e m , t h i s   i s easily accomplished b y  releasing t h e  c o n t r o l s . n tailless a i r c r a f t , e v e n  s m a l l i n - advertent  c o n t r o l i n p u t s  during t h e   f r e e  collation  c a n  significantly affect t h e damping a n d , h e n c e , t h e  damping d e r i v a t i v e s . oderate inadvertent  c o n t r o l inputs c a n a f f e c t   t h e  period of o s c i l l a t i o n , a s  w e l l a s   t h e   d a m p i n g , and t h e n influence  t h e  static derivative  r e s u l t s   a s  w e l l . 

Prse oscillations  a r e   a l s o initiated b y   r e l e a s e   o f  controls  a t  the  e n d   o f   a  s i d e - s l i p  maneuver e n d  a t t h e   e n d  of pullup a n d  push-over m a n e u v e r s . 

I n investigating  t h e  effects of a n g l e  o x  attack and  l o a d  f a c t o r  w h e n  utilizing t h e pulse maneuver  i n  a n  elevated g u r n , t h e  application of the  p u l s e  technique  i s 

limited b y  the difficulty of performing a good m a n e u v e r . ifficulty has b e e n   e x p e r - ienced during  t h e   maneuver  i n holding t h e  proper  b a n k  a n g l e   t o  maintain constant l o a d  f a c t o r  and  Mach  n u m b e r . ith  a  c o n v e n t i o n a l c o n t r o l   s y s t e m , exceptional piloting s k i l l i s  required t o  maintain f i x e d   c o n t r o l during  t h e  airplane oscillations  a t elevated  . h e  use of t h e  airplane damper a s  a  device  f o r  applying a known deflec- t i o n   s i g n a l to excite  t h e  desired unaugmented oscillations ( F i g . 4 2 ) offers  a  means of improving  t h e   q u a l i t y  of  t h e  data  f o r  elevated  conditions  a s  w e l l a s l g   c o n d i t i o n s . 

I n  well-performed p w l ' - e maneuvers  a n d   l i g h t l y  damped  o s c i l l a t i o n s ,  t i s  possible t o  determine a   2 - s e c o n d   terioi  t o  w i t h i n  0.02  s e c o n d . ood accuracy i n  damping  c a n   b e measured  f o r  d«nping  r a t i o s   l e s s c i i a n   0 . 2 . h e  accuracy  o f  period and damping  measure- ments becomes  r a t h e r   p c >   r f o r  damping ratios greater t h a n  about  0 . 3 . 

Page 74: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 74/190

   j

T^ ~ 

50  6.5.2  Constant-Heading Sideslip Maneuvers 

In he bsence of pertinent id pplicable ulse-maneuver a ta or n n ffort o complement uch ata , he onstant-heading ideslip maneuver an e sed o etermine  th e eathercock nd ffective ihedral derivatives  C n/3  and  Cj » rovided ontrol - effectiveness derivatives re vailable rom ther maneuvers. 

Because f requent oose sage of erminology, th e xpression steady ideslip" s used h e n constant-heading ideslip" s meant.  Actual ly ,  ideslip an e ccom- plished, s hown n igure 3 , s wings- leve l ideslip n hich aw rate nd, ence, a hanging heading s nvolved, s onstant-hea ng ideslip n hich onstant linear light ath s maintained r  ). r a s om bination of thp.o w o aria- tions of ideslipping maneuvers.  T h e distinctions n he ariation f he ideslip maneuver affect he arameters nvolved n he nalysis of he light ata and he  format f he quations mployed. 

It s difficult o er£-*m he ideslip maneuver s teadily ncreas ing ideslip at constant eading without xperiencing angular a te nd cceleration ransients. A more uccessful pproach o he maneuver s o ncrease he ideslip n ncrements in rder to a m p ou t he ngular ates t ach ncrement efore roceeding o he  next ncrement.  Although his anner f ccom plishing the aneuver nvolves o r e i m e , it s ustified y he efinement n d esulting sable ata. 

6.5.3 ullup nd Push-Over Maneuver 

This aneuver, r ny ne of ts ariations, is ntended rim arily or handling- qualities nvestigations.  However, th e ontrol-effectiveness arameter ,  C n$  , can be mathemat ica l ly etermined rom he nitial hases f he maneuver.  T h e maneuver is s e ful lso n eterm ining th e ther ongitudinal erivatives y nalog-m atching techniques. 

6.5.4 e cov e r y - FromS i d e s I i p Maneuver  

This aneuver as ee n aluable or eterm ining ateral-directional derivatives y  th e nalog-m atching echnique.  G o o d onditioning s chieved y irst educing udder input o half he alue resent t he nd f onstant-heading ideslip nd he n releasing t.  This aneuver s onsidered n o r e detail n ection 7.8.4. 

6.5.5 levated-g urn Maneuver 

T h e  use of this maneuver  i n  derivative determination  w a s  discussed  i n  Section 6 . 6 . 1 .  

6 . 5 . 6 " Roll Maneuver Rudder-Fixed) 

This  maneuver  l e n d s   i t s e l f   t o   t h e  determination  o f C j  n d Cl8 e v e n  though  i t i s  primarily  a  handling-qualities  m a n e u v e r . n   i t s   e x e c u t i o n ,  the  r o l l i s   initiated b y  a n   a b r u p t   aileron step  i n p u t . h e   i n i t i a l  phase of   t h e  m a n e u v e r , up  t o  maximum  r o l l r a t e , i s   t h e  u s e f u l  portion f o r  derivative  a n a l y s i s . h e   i n i t i a l  phase  involves neg- ligible  s i d e s l i p , a n e s s e n t i a l factor  i n   i t s  utility  f o r  derivative  a n a l y s i s . 

Page 75: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 75/190

Page 76: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 76/190

  sg^uiw"jüj 'ii a e '1 n " * » - j - ' » . . SB  l

" ' ---~»»>  - ~W

52  th e egree s f reedoa f n xponentially a m p e d inusoidal scillating ystem second- order inear ys tem) nd he differential nd ntegrals of he egree s of reedoa o determine he alues of hes e mplitude nd phase elations, r o etermine he on - stants f he ystem f equations. 

Consider th e amped, ransient, inusoidal, m all-perturbation scillation f he  rolling degree of reedom.  This imple ystem s escribed y 

A p $w nA p +  &>*A 0 ' =   o 

The solution to this equation  i s 

M > ' = A 4 > ' l e "{<Vcos^ n,t  , 

«here  " n d =  V<»  "   £2 ) 

( 1 1 3 ) 

( 1 1 4 ) 

( 1 1 5 ) 

Differentiating w ith  r e s p e c t   t o  time t 

A p  =   lA^'l^e"1"»*   £cos ( o > ndt T ) /(l - 2) cosf<undt 1 

-{«  t t -  lA0'lo)ne  n  cosiest - $J  . 

•here   $d  is he amping angle  

( 1 1 6 ) 

$H   =   tan"1 - (l - *) 

Sim i lar ly 

• t A p  =   | A < £ ' | < y * 

n  cos w nrtt T - 2 % ) 

( 1 1 7 ) 

( 1 1 8 ) 

Equations ( 1 1 4 ) ,  1 1 6 ) , a n d ( 1 1 8 ) show t h a t t h e  amplitudes of t h e s e  equations  s h r i n k a t   t h e  same rate and the phase relationship between  t h e  amplitudes  I s   t i m e   i n v a r i a n t . The amplitudes of t h e  f i r s t   a n d  second derivatives of A0 ' r e   e q u a l  t o  the amplitude 

of A < £ ' ultiplied b y   t h e  undamped natural f r e q u e n c y , an  , and b y w * , r e s p e c t i v e l y .  The phase of   the derivatives  i s  a   f u n c t i o n of t h e  damping a n g l e , d , w h i c h   I s   a f u n c t i o n  of  t h e  damping  r a t ^ o ,  s   s h o w n   i n  Figure  4 4 ,  e l o c i t y  vector Ap l e a d s t h e  displacement vector A0 ' y ( 9 0   + $ d) , and t h e  acceleration vector Ap e a d s   t h e displacement vector ( 1 8 0   +  2 $d) . 

Where more than one degree of  f r e e d o m   i s   i n v o l v e d   i n   t h e   d a m p e d , s i n u s o i d a l ,  r a n -  s i e n t  oscillation  s y s t e m , a n d   t h e  frequency  i s   c o m m o n   t o   a l l t h e  freedoms  i n v o l v e d ,  t h e instantaneous absolute  v a l u e s  of t h e  rotating vectors may  b e  considered  a s  ratios (referred  t o   a s  amplitude  r a t i o s ) and  t h e  phase relations of t h e  ratios  e s t a b l i s h e d .  These  r a t i o s  of t h e  rotating  v e c t o r s  and their corresponding phase angles are time i n v a r i a n t . s  a   r e s u l t , t h e instantaneous  v a l u e  of a n y  one  d e g r e e  of  f r e e d o m  may  b e readily determined if  t h e  characteristics  of  a n y  one   of t h e  motions a r e  known and 

, . . , .  \ 

Page 77: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 77/190

■ mm» m»  i i,  »,  _i  II J inn .. mi, ,  i m m 

- ~ * ~ 

1 I 

5 3 

t h e  amplitude  r a t i o  and phase angle relative t o  the characteristic  motion are   k n o w n .  For e x a m p l e ,  f  the   known characteristic  motion  i s 

-X a> t 

Ar  = Ar  ' C O B ( < » ndt) 

and, f  |A/3|/|Arl lApi/IArl  »_  nd  $._  are nown, hen 

ß- CW'Vco.K,t*V 

(119) 

(120) 

a, 

cos ( o )ndt $pr)  (121) 

Hie ime nvariance of he mplitude atios nd heir phase angles permits he e- presentation of ny ne of he inearized equations of motion y vectors.  For xam ple , b y ubstituting Equations 119),  120), nd 121) nd id differentials f Equations  (119) nd 121) nto he inearized, small-perturbation, rolling-moment quation, the 

following ormat s obtained, sing.the Ar  vector as he eference or he m pl itude ratios nd phase angles 

I.  IAp| lAfl _ Ap |  b  .. Ar l  b  .. m Ä 7 I 

Z

-qÄ I Ä H 

 -%1^1  « -(C.r-CiP^ A„  -  0  ( 1 2 2 ) p Arl V 

pr 

lArl V  

.4

where  

jApl 

I Ar  I  < H  |Ap| 

n Arl 

|Af | I  A r   I  =  Ct)„ 

lArl 

lArl =  1  an d  *rr =  0.  (123) 

H ie vector properties described, lus he equirement hat he vector polygon e- 

presenting ny ne quation must lose, ake possible he etermination of wo nknown 

derivatives n ny ne quation.  Ihe accuracy with which he nknown erivatives are 

determined s dependent not only n he ccuracy of he mplitude atios used but lso 

on he ccuracy of he phase ngle nd he ensitivity f he nknown erivative o 

small rrors n he phase ngles. 

It hould e noted hat he ntroduction of ross-coupling erms nto he quations 

of mot ion ould esult n nonlinear equations nd , ence, ime-variant elations of 

the ross-coupling erms elative o he other erms.  i 

7.2 Basic Flight Data 

Application of   many of  t h e  simpler equations f o r  determining derivatives requires a n  evaluation of t h e  period a n d   d a m p i n g ; w h e r e a s , application of t h e  time-vector method r e q u i r e s ,  n   a d d i t i o n , t h e  determination o f  amplitude and p h a s e   r e l a t i o n s h i p s . hese quantities a r e  obtained  f r o m  the free-oscillation portion of the  p u l s e   m a n e u v e r , as illustrated  i n  Figure  4 5 . h e  spacing of t h e  peaks of t h e  oscillatory motions  d e t e r - 

mines t h e  damped natural  p e r i o d , a n d  a   c o m p a r i s o n  of these peaks f o r   t h e  different oscillatory quantities determines  t h e i r  p h a s e   r r l r t i o n s h i p . etermination of t h e 

Page 78: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 78/190

: W 5 ~ ~ ~ — .  ;   J | | I 

54 

phase relationships by an averaging  p r o c e s s , typified by  t h e  t a b l e   i n  Figure  4 5 , has provided  more consistent data than obtained b y  single  r e a d i n g s . h e f i r s t   l i n e   of  t h e example t a b l e   l i s t s  t h e  time of   occurrence of consecutive plus and   minus peaks of t h e r o l l  rate Ap  . i m i l a r l y , t h e  second line  l i s t s  t h e  plus a n d   minus p e a k s  of t h e  yaw rate Ar  . he third line l i s t s  the time difference  of t h e  f i r s t  t w o  lines  i n   e a c h c o l u m n . ince t h e   yaw   rate Ar i s  the reference  i n  this  i n s t a n c e , t h e  signs  i n   t h e t h i r d  l i n e  Indicate t h a t  t h e   r o l l r a t e Ap a g s   t h e  yaw r a t e Ar  . he  v a l u e s   i n   t h e third l i n e  a r e  averaged and converted  t o   d e g r e e s . 

I t   w i l l  be noticed i n  Figure 45 that  a yawing divergence  i s  e v i d e n t   i n  t h e  yaw-rate r e c o r d . o  isolate t h e  oscillatory motions and determine  t h e  time to damp the oscilla- 

t i o n s , exponential curves are drawn as s h o w n .  semilog p l o t  of t h e  double amplitudes included  between  t h e  exponential outlines of e a c h  motion  v e r s u s  t i m e  establishes  t h e t i m e   t o   d a m p  of t h e  oscillations ( F i g . 4 6 ) . comparison of   the plotted  d o u b l e   a m p l i - tudes of t h e  variables determines  t h e  amplitude  r a t i o s . 

As stated e a r l i e r , accuracy of   measuring   period a n d  damping  becomes rather poor  f o r damping ratios  g r e a t e r   t h a n   a b o u t   0 . 3 . e n e r a l l y , configurations tested  a t  moderate and  high altitudes  a n d  without damper augmentation have  b e e n  rather  l i g h t l y  damped  s o that  free-oscillation   methods of analysis  c a n   b e  applied  w i t h   good a c c u r a c y .  

The damping ratio  , damping angle $d , and t h e  undamped  natural frequency wn are  o b t a i n e d ,  r e l a t i o n s : 

for both short-period nd phugoid ree-oscillations, from he ollowing 

I  =  sin  tan j '01693P

27TT (124)  

$ , »  =  tan -l

' 0 .693PN  

>277-T (125) 

i/2> 

2r2

<  =  ^d  + <&  (126)  

7.3  Determination f  a  and  ß From Free Oscillations 

in he Absence of or Questionable  a  and   ß  Data 

7.3.1  Longitudinal Free Oscillations Should he  a  records e unavailable or questionable n ree-oscillation ongi- 

tudinal ata nd he pitch-rate ecords available,  A«|/|Aq|  an d  $  may e obtained 

b y using ime-vector echniques.  Once hese quantities re etermined, it s simple 

matter o plot  a  as a riction f ime or, f more mmed ia t e oncern, o etermine 

lAaJ/IAal  for use n determining  CNa 

T he omplete procedure or determining  lAal/IAql  , nd  c x q  I A a nl/IAal s  s h o w n i n  Figure  4 7 . h e  procedure I n v o l v e s   t h e  application of  t h e  following linearized auxiliary  e q u a t i o n  t o   c o r r e c t   t h e  sensed n o r m a l  a c c e l e r a t i o n , nl  t o   t h e   c e n t e r  of 

Page 79: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 79/190

m gg t —   » w e ys  

gravity of  t h e   a i r c r a f t , a s   s h o w n i n  Figure 4 7 ( a ) ,  

%*b.  IA »nil 

AqT *an Q

  lÄ rZaDiQ  g A q|  M  

55 

( 1 2 7 ) 

an d he ector pplication f Equation 5 6b ) Table ) n Figure 47(b) n he onsat 

|AaJ M A Q| 

|Aq |  nq  g|Aq|  *« Q  g Aa  «« ( 1 28 ) 

solve or   $  and 

|Ao| 

|Aq| 

V A a | 

g|Aq| 

V  ( 1 29 ) 

&- which ow permits he etermination 

|A a n| 

|Aa| 

lAaJ |Aq| 

JAa| 

|Aq | 

( 1 3 0 ) 

When  t h e   v e c t o r  quantities Aani n d A a j j r e  approximately  i n  phase and Aq s approximately 90 ° out of   p h a s e  with ht^  , which  i s  usually  t h e   c a s e , t h e  vector Equation ( 1 2 7 ) m a y   b e  solved b y  t h e   s i m p l e  algebraic f o r m a t  

I A 

| A qD

|Aa01 ( 1 3 1 ) 

7.3.2 Lateral-Directional Free Oscillations Should t h e ß  r e c o r d s   b e unavailable or questionable i n free-oscillation  l a t e r a l - 

d i r e c t i o n a l d a t a , a n d yaw-rate records a v a i l a b l e , A / ? l / | A r l nd $^r may  b e  obtained b y  using a  vector s o l u t i o n  of t h e f o l l o w i n g  linearized auxiliary equation  t o   c o r r e c t t h e  transverse accelerometer record  t o  t h e  center of gravity of   the  a i r c r a f t , 

l A a  \ - * a t r 

l A r i  ir-gArl  +

 g   | A r l * 

a n d  t h e  application of  e q u a t i o n ( 5 9 ) i n  t h e f o r m a t 

-2r MZ*. 2  lArl  ß

<   -  2T 7T-: $., - To i r~ Z$„ - , in 6 —  Zfy,r - | i

rr I  Ar  I   pr  |ArS 

- Lts0cos<2>  r £%,r - L --A.Z$atr

( 1 3 2 ) 

( 1 3 3 ) 

Page 80: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 80/190

56  

where  

lAfl |Ar|  = CJ.  $ 0  rr 

and 

lAr 

1 |Arl * 

T Ä 7 T   =  7TkT\  = r r  = $rr  < > + *d)   =  - ( 9 0 + *d)  . o )n A r 

Figure 8 hows he pplication f quations 1 3 2 ) nd 1 3 3 ) o he eterm ination 

of Aßl / lArl  £, nd A a J / | A / 3 |  p o n olving or Ay8|/|Ar nd ßr r o m  th e raphical olution f Equation 1 3 3 ) , t s imple matter o btain arameters with  y d a s ase , for xample 

A p 

Aß J A p j Ar| |Arl A y S l  a n d  * vß   V ßr 

7 . 4  Equations  f o r  Longitudinal  C o n t r o l  and Stability Derivatives 

T h e  nature of t h e   i n p u t   a n d   t h e  ensuing  f r e e  oscillations of  t h e  longitudinal-pulse 

maneuver  p e r m i t   t h e   u s e  of r e l a t i v e l y  simple methods of analysis i n determining  l o n g i - 

t u d i n a l c o n t r o l and stability  d e r i v a t i v e s . hese methods give  r e s u l t s  comparable  t o 

t h o s e   f r o m   t h e   more complicated  methods  i n v e s t i g a t e d . nly  t h e  simple methods  a r e  discussed a t   t h i s   t i m e  and only  d a t a   f r o m  these methods  a r e  p r e s e n t e d . nless other- 

wise  s t a t e d ,  t  i s   t o   b e  assumed  t h a t  stability augmentation systems  a r e  n o t  operational 

during  t h e maneuver  a n d  t h a t   t h e  aircraft  b e h a v e s  similarly  t o   a  rigid  s t r u c t u r e ,  n 

t h a t   i t s  behavior  c a n   b e   represented b y   t h e  linearized small-pertur ation  e q u a t i o n s .  

7.b.l  Control-Effectiveness Derivative,  C»SS 

T h e  control-effectiveness derivatives  a r e  determined f r o m   t h e   i n i t i a l   p o r t i o n ,  

approximately  0 . 2   s e c o n d , o i a  rapid  pulse maneuver ( F i g .   4 9 ) . uring  t h i s   p a r t  of 

t h e  m a n e u v e r , t h e  airplane response i s  a l m o s t  entirely pitch  a c c e l e r a t i o n , w i t h   t h e  

r e s u l t  that  t h e   p i t c h  control-effectiveness derivative  c a n   b e  determined  f r o m 

C  J .  _  Aq_ 

q S c  ASe ( 1 3 4 ) 

I n similar  f a s h i o n , t h e  change i n  normal-force coefficient dm  t o   elevator deflection 

c a n   b e  determined f r o m 

W  A ; 

' N S .  

an 

3SA8e * ( 1 3 5 ) 

With  t h e  preceding restriction  i n  m i n d ,  t   i s   d e s i r a b l e ,  o r   a c c u r a c y , t o   r e a d   t h e  

p e a k   c o n t r o l i n p u t   a n d  acceleration response  w i t h   a  disregard of  t h e  phase  l a g  between 

t h e   t w o ,  s   s h o w n   i n  Figure  4 9 . t   h a s  been  f o u n d  t h a t   t h e  time difference  i n peak 

v a l u e s  of  c o n t r o l i n p u t   a n d  acceleration response  i s  primarily  t h e   r e s u l t  of Instrument 

Page 81: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 81/190

h n 

5 7  phase ag nd, o esser xtent, ir -mass nertia ffects.  Analysis y his ethod requires nstrum ents ith lat esponse haracteristics xtending o elatively ig h frequencies 8 /s). 

Pu l se s pplied t lower at e s , nd hus xtending over onger ine nterval, m a y equire nclusion f amping nd ngle-of-attack e r ms n he quation, specially a  This a y necessitate he nclusion f nstrument hase- lag orrections or   q and  a 

7.4.? Slope of he Nornal-Force-Coeff ic ient Curve 

F r o m he hort-period ree-oscillation a ta f he irplane ith he ontrols ixed, th e ariation f he ormal -i'orce oefficient ith ngle f ttack a y e valuated  f r o m  

W Aa „ qS  |Aal  =  °L 

lAaJ lAal  ( 1 3 6 ) 

This xpression neglects he pitching-velocity nd ngle-of-attack-rate erms f he  short-perici orm ? he orm al-force quation Equation 58), Table ).  These e r ms have een ound o e negligible, s will e oticed n he ypical ector iagram  (P ig . 5 0 ) f he ector orm f his quation herein he itch a te as se d s he  base f he m plitude atios. 

In nstances here "free-oscillation ata" av e nadvertent nputs f he levator and he ngle-of-attack ata have een scertained s eliable,  CNa  m a y e deter- mined y electing hose ortions f he im e history n hich he l evator s t ts steady-state position nd plotting  an  versus  a  for umoer f ata points hich encompass he ange f  aQ  on he ecords.  T h e lope of he plotted oints s l A a J / I A a l  This undamental echnique, hich nvolves o m e abor, a y still e he  s imp l e s t echnique here ontrol-fixed re e scillation s eavi ly a m p e d nd hus  precludes he eterm ination of  |A ani/Aal by ther means. 

6 f 

T h e  derivative a ay b e  converted t o   t h e  effective lift-curve s l o p e , | ,a  , w h i c h includes  t h e  contribution of p o w e r , b y  using Equation ( 3 8 ) . h e  inclusion or exclusion of  t h e  power tenn_depends upon  t h e i n f l u e n c e  of  p o w e r . o r  conventional low-performance  a i r c r a f t , i ,a   CNa  t   s m a l l   a n g l e s - o f - a t t a c k . 

7A.3. T h e Derivative  ( CNq +   CNi ) 

As explained  i n  Section  3 . 4 , t h e  phenomenon i n v o l v i n g  i s  different f r o m  that involving q . h e  pairing of t h e  derivatives a s ( C Nq +  CN^) i s  valid only f o r   l o n g i - t u d i n a l s m a l l - p e r t u r b a t i o n , ree-oscillation m a n e u v e r s . n  this m a n e u v e r , Aq and Ad v e c t o r s   a r e  approximately  i n   p h a s e  a n d  A ü | / | A q |  ~1  thus permitting t h e   p a i r i n g . Determination of t h e i n d i v i d u a l derivatives nq a n d CN&  a s   t h u s f a r  defied  s o l u t i o n . 

T h e  determination of ( C Nq  +   CN^ i t s e l f   i s   d i f f i c u l t . t may  b e  readily deduced f r o m   t h e  vector diagram ( F i g . 5 0 )  of   the  f o l l o w i n g  vector f o r m  of the short-period  mode of Equation ( 5 8 ) , 

Page 82: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 82/190

r_,«jj *.r.T_

58 

CLl7?rZan«+CHa —«q + CH q C N & ) —-Z$aq  =  0. 1 3 7 ) IAq| 

that 

(CKq  C H& )  -| A q j £ |Aq| 2V 

2 V C w g $, ana  (138) 

T h e ndividual quantities n quation 1 3 8 ) how that he egree f uccess n eter- mining C n q C N ^ ) S ependent pon the ccuracy ith hich  $a„a  is determined. This hase ngle s nail, f he rder of a ew egrees , nd, ve n ith he e st records n d nstrum entation, he rror n eadability f  $anq  from he ecords ould be of he rder f he ngle tself.  Thus, t s ery difficult o etermine his derivative to easonable egree of accuracy. 

7.4.4 Pitching-Moment Static Stability nd Damping Derivatives, C Ba  and C B„ G »a 

T h e quations or he itching-m onent tability derivatives re ased n he normal- force quation 

m u A q -mAw ~  C NaSA<x  (139) 

obtained r o m he hort-period o r m f Equations 56b) nd 58b) nd n he hort- period o r m f he itching-oom ent quation Equation 58c))  

I/q  =   (cBoAa + C n(IA q ±+c ä -j SSc  . 

Differentiating quation 139 ) ith e spect o ine n d ubstituting or Aq  and Aq in quation 58c) rovides he ollowing  

Aa + —2r 

n c2 

C N a _2T «* +

 C n

« )  A&-  C ma + C«qCN« 

4M , qSc 

Aa 

Since 1 4 0 ) s econd-order inear differential quation f he o r m  

Aä 2£c^A<x+o)*Aa  =   0, 

then 

a Sc  n  4 M C q  a S c   n 

( 140 ) 

( 141 ) 

(142) 

Page 83: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 83/190

Page 84: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 84/190

60 

and   c  — nmV

2 =  ph  (148) 

Transposing hese w o quations esults n he ollowing approximate equations or determining  C M  and  Ce„  fram light data 

CN„  ^v . 2»^ph 

pg S (149) 

and 

ZmV^ph^ph  ^Cph^ph / O V B  (150) 

T h e   f l i g h t  values of £ ph nd  o nph r e  determined  f r o m  t h e  phugoid oscillations  i n accordance with Equations ( 1 2 4 ) and  ( 1 2 6 ) . 

An interesting  byproduct of this brief consideration of the phugoid parameters suggests  I t s e l f . f CNu a n  b e  considered t o  b e  similar t o CN  h e n  Equation ( 1 4 8 ) t a k e s  on the approximate  f o r m 

**?#£)•?*  (151) 

Thus, he hugoid requency,  a ), i>ph  is pproximately  unction of velocity,  V  nly. 

7.4.6 Corrections or Effects of Stability Augmentation System n Determining Derivatives rom Short-Period Oscillations 

In performing pulse maneuver with he stability ugmenta t ion ystem ngaged, he  

ensuing ransient short-period oscillation of he aircraft will e characterized y period of oscillation nd  amping atio which will e different rom hose obtained 

with he pitch stability ugmenta t ion ystem off Fig.51). With he ystem n, he period will ecrease with ncreasing amping provided y he ys tem; whereas, ormally, the period ncreases with ncrease n nherent naugmented amping.  This s ue o he  

system ain nd he im e constant.  Thus, he ain nd im e constant are actors o e 

considered n equations or etermining he stability derivatives, s s rought ut 

in Reference 2.  The ubsequent discussion s ased n his eference. 

The ollowing rocedure or etermining  Cma  and C Bq  n$) rom light data »hich 

includes stability ugmentation effects ha s een useful ut s of imited utility. The principal alue of the nsuing discussion s the nsight ained nto he omplica- tions which a y e ncountered n data which nclude stability ugmentation effects. Fo r igid-aircraft perturbations bout mean light ath, he Laplace ransformed 

short-period mode wo-degree-of-freedom ongitudinal equations of motion a y e e- presented n pproximate, b ut practical, form s 

(s - M Aq  -M^ - MaAa =  M S(AS e 

-Aq  s - a)Aa  ZSfiAS  e   e  

(152) 

(153) 

Page 85: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 85/190

61  

4 f 

In he bsence of pilot nput, he ransfer unction or a mp er ith  irst-order tine ag a y e epresented y 

ASe(s) Aq(s) 

k 1 T'S 

~  k(l - T'S)  ( 1 54 ) 

Substituting Equation ( 1 5 4 ) i n t o  Equations ( 1 5 2 ) a n d   ( 1 5 3 ) results  i n   t h e following determinant 

<-«* " «a> 

(s  a =  0 

[(1  8ekr')s -llQ - $ekj ]  

[ (Z8ekr')s -1  sek)] 

whose haracteristic quation s 

(1  sekr'  ä Z 8ekT')s2 

+ "Za - Bq - B & - M 5ek - Ö 5ekT '  S d - fia)Z8ek]s 

+ -Ma  aSq  J ise - Sa ZSek)  =  0   . 

( 1 5 5 ) 

(156) 

Considering nly hose e r m s n quation 1 5 6 ) hich hus ar a ve een hown c e 

significant, he hort-period ongitudinal requency nd * * »ping of he ircraft ith  a irst-order ime-lag itch a mp er re  

(o )2  ~ 

2*>n 

1  sekT ' 

-(Za+ Q  fr + $ek) 

1 M sekr' 

Solving hese quations or  C^  and Cj, + m ^), 

,g #+KT')(^ > ' 

( 1 5 7 ) 

(158) 

( 1 59 ) 

( C m , +  W  _ 2Il m c2

CN c   4T fO . 693>  

T1 M„kT'  - \  m V c  

k C , «8, 

1/2/ 

( 1 6 0 ) 

P r o m he bove, it s een hat C ma  is eadily e t ermined or irst-order inear pi tch -dam per ys t e m .  The etermination f C B + „a, n he ther and, ay ffer a roblem, inasmuch s C B  in  M q  is ot eadily e t ermined y tself. 

If he i t ch-damper ystem s not  irst-order inear ys t e m , which s he ase for any ystems, analytical olutions or  C „a  and Cm   + Da) re mpractical.  In 

such nstances, nalog echniques re pplied n ttempts o xtract hese derivatives. 

Page 86: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 86/190

62 

7 . 4 . 7 Representative Results 

Typical time  h i s t o r i e s ,  the flight-determined period and   damping  r a t i o s , and  the flight-determined longitudinal stability derivatives  of the D-558-II research airplane have been reproduced  i n  Figures 5 2 , £ 3 . and 5 4   f r o m  Reference 4 3 . ost of t h e  data w e r e  obtained  f r o m   t h e  all-rocket-powered version of  t h e   a i r p l a n e ; t h e  remainder  of t h e  data  i s  based o n   t h e  jet-  a n d  rocket-powered v e r s i o n .  

These data  have been used t o  illustrate representative results because they show t h e  need  f o r  a  concentration of f l i g h t   t e s t  data  i n   t h e  transonic zone  t o  establish t h e  extent of a n y  abrupt  c h a n g e s  of t h e  derivatives and to show t h e  influence of altitude on this  particular a i r c r a f t . ecause t h e  results did not include  c o n t r o l e f f e c t i v e n e s s ,  Figure  5 5  shows representative data  f r o m  Reference 4 2   f o r C ^ g  ll 

data shown were obtained  f r o m  wings-level pulse  maneuvers and are typical of t h o s e t h a t   c a n   b e  obtained  f r o m  good  f l i g h t  techniques - which  i n c l u d e   c o n t r o l  of f l i g h t v a r i a b l e s , pilot  s k i l l , and instrumentation -   and c a r e f u l  application of t h e  methods of   analysis d i s c u s s e d .  

T h e  maximum deviation  f r o m   t h e   f a i r e d  v a l u e  i n   t h e  stability derivatives shown  i n Figure  5 4 i s  of t h e  order  of 5% f o r CN„  , 1 0 %   f o r  , a  .  and 20% f o r ( CBq +   n a ) >  deviation of  this  order  of   magnitude occur  i n  only a  minor portion of t h e  data  a n a l y z e d .  T h e   maximum deviation of CBg  i n  Figure 55  is difficult to assess because t h e  data s h o w n  were obtained  over  a   l a r g e   r a n g e  of altitudes and elevation  t r i m   s e t t i n g s ; h o w e v e r , t h e   maximum deviation  f r o m  faired values would b e  of the order of  1 0 % , which would b e   r e p r e s e n t a t i v e .  

7 . 5 quations  f o r  Lateral-Directional Stability and C o n t r o l Derivatives 

T h e  lateral-directional   c o n t r o l  and stability derivatives a r e  not as r e a d i l y  and reliably determined b y   t h e  use of approximate equations  a s  a r e  the longitudinal d e - r i v a t i v e s ,  e c a u s e  of t h e  more  c o m p l e x  behavior  o f   t h e  airplane and the larger number of derivatives  i n v o l v e d . n  t h e  following  d i s c u s s i o n , unless otherwise  s t a t e d ,  t i s a g a i n  assumed  that stability augmentation systems are not operational during t h e  maneuver and t h a t   t h e   a i r c r a f t '   s  perturbed behavior  c a n   b e  represented  b y  t h e  linearized perturbation  e q u a t i o n s . 

7.5.1 Control-Efftctiveness Derivatives 

T h e  basic procedures f o r  determining  l a t e r a l  a n d  directional c o n t r o l  effectiveness a r e  similar  t o   t h o s e  previously discussed  f o r  longitudinal c o n t r o l   e f f e c t i v e n e s s . ow - e v e r , t h e  expressions  f o r  lateral-directional  c o n t r o l  effectiveness  a r e  complicated b y t h e  need  to account  f o r  t h e  possible influence of   the inclination of   the principal axis as w e l l  a s   t h e  aerodynamic  t e r m s . ests with  a  conventional high-performance airplane utilizing a rapid c o n t r o l  pulse or step  i n p u t  showed t h a t   t h e  directional c o n t r o l  d e - r i v a t i v e , „ j c o u l d  b e  determined t o  good accuracy  b y  considering only the inertia t e r m . or  e x a m p l e , 

* • »   =   [ &A' - f e * - < * r - * * > ^

A' - * p ^ - V t f ] £ 

1 0 0  9 8  -  0  - 

( 1 6 1 ) 

Page 87: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 87/190

6 3 

w h e r e   t h e  magnitudes of t h e  Individual tens a r e  given  a s  percentages of t h e   a n s w e r . I b i s  simplification  i n  determining Cn$r may not be applicable  t o other a i r c r a f t . 

For t h e  roll-control d e r i v a t i v e , js consideration must be given to t h e  aero- dynamic derivative t e r m s . o r   e x a m p l e , using t h e  same high-performance airplane and a  rapid  aileron  c o n t r o l   i n p u t ,  

Cli 

1 00  =  

Lb-Ap - 1 * 2  A r - Cu —  A p  - Cu —  Af - CiAsl - | _ q S b l S b 2 V 2 V \

7 3  -  3 1 

( 1 6 2 ) 

T h e  cross-control d e r i v a t i v e s , ng  and C is c a n   b e  evaluated h y  using  Equations ( 1 6 1 ) and  ( 1 6 2 ) , r e s p e c t i v e l y . he cross-control derivatives are  usually of smaller magnitude and a r e  therefore more  d i f f i c u l t   t o   d e t e r m i n e . t  appears t h a t   a l l   a e r o -  dynamic terms  may  r e q u i r e   c o n s i d e r a t i o n ,  a s   s h o w n   i n  the following example of t h e analysis  f o r ns  h e   f l i g h t  quantities were obtained  f r o m   t h e  records as shown i n  Figure  5 6 . h e t i m e  difference  i n   t h e peaks of t h e  c o n t r o l  i n p u t   a n d   t h e  accelera- t i o n s   i s   d u e   t o   t h e  phase  l a g  of  t h e   i n s t r u m e n t s . h e  acceleration and angular-rate r e c o r d s  have essentially  t h t c o r r e c t  phase relationship  w i t h  respect  t o  e a c h  other  i n this  i n s t a n c e . h e  magnitudes of   the  i n d i v i d u a l  terms  a s  percentages of the answer a r e 

'ns . 

100  

= [ i t A *  -  f e A *   -(C n r   -    £ A r   -  

c- p  ^A p

  -  v*] i 206  -  1 4 1   1 0   1 6  

( 1 63 ) 

It will e oticed that he roduce-of-inertia erm s particularly ignificant n this xample.  A n rror n principal-axis nclination ould ignificantly ffect he  answer.  F or nstance, in his xample n rror f /4 ° n he nclination f he  principal xis 3 °) ould esult n n rror f 2% in  C „s  . 

7.5.2  T h e i de-Force Derivative,  C y o  

This derivative, which ontributes o he utch oll o d e f scillation nd s n  index f he pilot' s bility o ense ransverse ccelerations, can e etermined r o m  th e quation 

( 164 ) W   |A at 

° * e - W  

T h e atio  |A at/A /S|  is btained r o m he ontrol-fixed ransient scillations resulting r o m ulse maneuver.  If ha   ß  record s uspect r miss ing , th e atio m a y e etermined r o m he  at and  r  records s xplained n ection .3.2 nd Figure 8.  This ndirect echnique or btaining  IA atl/A/3 |  is nalogous o ha t for btaining   |A anl/A a |  a n d onsiders  C yp yr < u i d  C y/3  a s negligible 

Page 88: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 88/190

 -- 

f

64 

7.5.3  The Directional-Stability Derivative,  C ^ g  

The tatic directional-stability derivative s ne f rimary mportance, and ood accuracy s equired n ts measurement .  Although n u m b e r f losed-form quations  have een sed, ach possesses imitations hich, f not ecognized, an e ad o erroneous nswers.  Severa l of th e quations re ased on arious egrees of egradation of th e ollowing xpression, he erivation of which as ased cs he olution of he  determinant of he inearized ateral-directional m all-perturbation quations  (Equations ( 6 1 a ) , (61b) , nd 61c)). Th e xpression ncludes all ut he most negligible quantities. 

• r  \

lz Sb b  Hk* Ch ~ ClßBina)  C nr - C )  + Cip«^ C n/j) — —  

qS / \  gcostf < h 0   C a r + % fj- j C l i f i nr 

2 V 

i v  qSb 

^4*  ( 1 6 5 ) 

This equation shows that when n^ i s   s m a l l , t h a t   I s , of t h e  order of 0 . 0 8  per radian ( 0 . 0 0 1 4   per d e g )  or  l e s s , t h e  ordinarily insignificant damping terms become  i m p o r t a n t .  I n  such  i n s t a n c e s , {p is  particularly s i g n i f i c a n t .  

When aß  i s  of   an order higher than 0 . 0 0 1 4 , Equation  ( 1 6 5 ) c a n  be reduced t o   t h e following workable equation 

''iiß  ~  .   f.\2

q S b Z  afClß- -Ciß  ( 1 6 6 ) 

This xpress ion an lso e btained y differentiating n pproximate o r m f Equation 6 1 a ) o rovide  

A /3   = -Af tA p + _cy/3A /3  m V  

and lso sing Equations Cila) 

nd 6 1c ) 

ith he ssumption ha t  C ;p {r  if i and  C np  arc ir ential quation, and  C n  arc all qua l o ero.  Substitutions esult n he ollowing inear differ- 

A/3-  qS S b 2 

m V  *' "   vT (C °r " WZ 

A/3 + 

q S b S b „ * X L ß   — C l

ß+ tf c '^sb 

A/ 3  0 

in hich he requency erm s dentical o quation 1 6 6 ) . 

(167) 

Page 89: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 89/190

Page 90: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 90/190

 »'% " —

66  

Substituting xpressions 

1 7 1 ) nto quation 1 7 0 ) , expanding y rigonom etric denti- ties, nd egrouping esults n 

< w scos$d C nfl w  1 

* Ä 7   8in^J   sin w ndt - 

^ „8in*d C nr-C ^ )  + n/3  £-*]  os o t  =   0  (172) 

The irst racketed uantity s ummation f omponents erpendicular o he A r vector; he econd s ummation f omponents parallel o he A r  vector.  Hence  

( 173 ) 

and 

8in$d C Br-B4)~+C M 

cos   ßr  (174) 

Considering nly quation 1 7 3 ) t his i m e , if he hase ngle  $g r  is f he rder of 0 ° nd th e amping ngle s m a l l which re he onditions ormally ncountered - then  sin $^r  and  cos $d  will ach e im i lar o nd Equation 1 7 3 ) an e rans- posed to  

h  |Arl 

(185) 

This equation provides accurate values of tions imposed  i n   i t s   d e r i v a t i o n .  

Cnß   > provided  i t i s  used within t h e   l i m i t a -  

T a b l e   I X   l i s t s  t h e  results of t h e  application of Equations ( 1 6 5 ) ,  1 6 6 ) , and ( 1 6 8 ) to f l i g h t  data of  t h e  f - 1 0 4  and  Y F - 1 0 2 . h e  values of n^  , a s  determined by Equation ( l ' J 5 ) , a r e  used a s  reference v a l u e s . or t h e   P - 1 0 4 , Equation ( 1 5 6 ) s h o w s  good c o r r e -  lation  w i t h   t h e  reference value because of t h e  h i g h   v a l u e  of C n/ 3  , whereas t h e   s i m p l e frequency equation (Equation  ( 1 6 8 ) ) shows poor a g r e e m e n t . o r  t h e  Y F - 1 0 2 , which has  a low value  o f n/3 o r   t h e   f l i g h t  condition  s h o w n , Equation  ( 1 6 6 ) s h o w s   a  significant discrepancy with reference n/S a n d  points up t h e  influence of t h e  doping  t e r m s   w h e n Cu£ i s   s m a l l . or  t h i s  same  c a s e , i t  w i l l  be observed t h a t   t h e  simple frequency equation 1B u n w o r k a b l e .  

A relative comparison of   the results obtained  f o r  the F-100 airplane U3ing Equations ( 1 6 6 ) ,  1 6 8 ) , and  ( 1 6 9 ) a n d  t h e  results obtained using  t h e  more comprehensive g r a p h i c a l time-vector method ( t o  be discussed  l a t e r ) a r e   s h o w n   i n   F i g u r e   5 7 . onsidering t h e graphical time-vector results as  most representative  f o r  t h e  a i r p l a n e ,  t  w i l l   b e observed that  t h e  simple f r e q u e n c y  equation ( E q u a t i o n ( 1 6 8 ) ) would show poorest  c o r r e - lation  a t   l o w  subsonic speeds  d u e  t o  angle-of-attack  a n d  d i h e d r a l   effects n o t  accounted f o r   i n   t h e  e q u a t i o n , whereas Equation ( 1 6 9 ) s h o w s  poorest results  i n   t h e  supersonic region because of t h e  difficulty i n  obtaining accurate values of r^ and a/ S  . 

Page 91: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 91/190

A

6 7 

T a b l e  X compares  t h e  values of C^ determined  f r o a  analog  matching of   oscillatory maneuvers of t h e  X-15 airplane with values of Cnß  determined  f r o m  Equations ( 1 6 6 ) and  ( 1 7 5 ) . h e  values of  xz and Cn  a r e  essentially  e q u a l  to zero on this v e h i c l e .  The agreement between analog values  of Cn^ and  the equations i s  g o o d . n  aquation ( 1 6 6 ) , t h e  agreement  i s  d u e   t o   t h e  high  v a l u e  of C Uß  quation  ( 1 7 5 ) would  be t h e more desirable to use on this airplane because  i t  does  not depend on t h e  use of Cj« f o r  a  s o l u t i o n . 

7 . 5 . 4 Th e Effective Dihedral Derivative,  Cjo 

Several simple equations  f o r Cj „ a r e  available with limitations on their u t i l i t y , a s i n  the  c a s e  with most simplified e q u a t i o n s .  

Values of C\ß  c a n  be obtained  f r o m  t h e  constant-heading   i, Jdeslip  maneuver using 

t h e  e x p r e s s i o n  

C lß  =  -<Ci8r8r/ 3 + C iSa a/ 3 )  ( 1 7 6 ) 

The  d e r i v a t i o n  of t h i s e x p r e s s i o n  a n d  circumstances limiting  i t s  accuracy  a r e   i d e n t i c a l t o   t h a t   b r o u g h t   c u t f o r   i t s  counterpart ( E q u a t i o n   ( 1 6 9 ) ) .  

A c o m p a r i s o n  of Cj^ determined b y  Equation ( 1 7 6 ) and the more comprehensive graphical tine-vector  method  i s   s h o w n   i n  Figure  5 8   f o r   t h e  F-100 a i r p l a n e . t l o w Mach n u m b e r s , t h e   r e s u l t s   f r o m   t h e  sideslip equation (Equation ( 1 7 6 ) ) compare f a v o r a b l y with  t h e  time-vector r e s u l t s ; a t   h i g h  Mach n u m b e r s , a  l a r g e  discrepancy exists b e t w e e n  t h e  t w o  m e t h o d s . v e n  though C \a i s  n o t   o n e  of t h e  derivatives determined   most accurately b y   t h e  time-vector  m e t h o d , t h e  vector  method  i s  the  most practical  a n a l y t i c a l  means available f o r  evaluating this  d e r i v a t i v e .   f 

I n  instances where  t h e influence of  xz s  n e g l i g i b l e ,  t   i s  possible t o  c o m b i n e  Equations ( 1 6 6 ) and  ( 1 7 5 ) t o  obtain 

l A r l   J _  

M ; l  ( 1 7 7 ) 

T h e  u s e  of t h i s  equation i s   s u b j e c t   t o   t h e   a d d i t i o n a l  restriction  t h a t   i t  should  n o t  b e  u s e d   w h e n C D/ S i s   s m a l l , a s   w a s  noted  i n  t h e  discussion of Equation ( 1 6 6 ) . ' s o ,  t h e  equation must  b e  used with  c a u t i o n   w h e n  t h e  angle-of-attack   i s   l e s s  than about 3 °   o r  4 ° . h e n  the angle-of-attack i s  l e s s ,  | A r I / I A / S ) ( l / o > n) ay approach 1 . 0  a n d t h e   e r r o r i n reading A r / I A ß l r o m   t h e f l i g h t r e c o r d s  may  r e s u l t i n   a n e r r o r  i n ( | A r l / | A / 3 | ) ( i / « n) h a t  may exceed t h e  n e t  magnitude of the parenthesized q u a n t i t y . I f  t h e ß  record  i s  the major contributor  t o   I n a c c u r a c y i n   t h e  amplitude  r a t i o , t h e technique discussed  i n  Section 7,3.2   may  b e  employed  to determine  t h e  ratio without recourse t o   t h e   a c t u a l  r e c o r d .  

A   f i n a l  precaution regarding t h e   u s e  of Equation ( 1 7 7 ) i s   i n  o r d e r . t   v e r y   l o w 

a n g l e s - o f - a t t e c k , t h e   e r r o r   i n  t h e flight-detentined values of  c a n  produce l a r g e errors  i n   t h e  e q u a t i o n ; a l s o , a s  approaches z e r o , t h e  equation approaches  a n   i n - determinate  f o r m , inasmuch as t h e  bracketed quantity itself approaches z e r o . 

Page 92: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 92/190

< ~  6 8 

7.5.5 Th e Damping-in-Roll Derivative, C; _  

Sim pl e xpressions or he determination f Cj  are ependent pon oll aneuver Initiated rom win?s-level light y tep nput f he ilerons.  The derivations f the xpressions mpose he estrictions hat aw ue o ileron,  C n?  ideslip ue o the ffective dihedral,  Cj ^ nd product-of-inertia ffect re negligible. If hese highly estrictive onditions re atisfied, he ollowing elation an e mployed 

C1D  =  -Cfc A S. 

aA A p — 1 V  

(178) 

In using his quation, j$ an o e term ined rom he nitial part f he ontrol input s  cussed n Section .5.1 nd pt s e term ined t om e im e point, x on he oll-rate im e history here  A p  is ero  he egion f teady-state oll. 

If desired, he eparate etermination f  C jS  ca n e voided y olving or 

C js p.  b  1 *  = i  179) 

C l,   A Saj V  

and substituting t h i s  r a t i o  i n t o  t h e  equation 

C l , r^Ap. qSb 

A p , b  Cz s 

2 V  Cjr a2 

(180 ) 

resulting n he orma t 

Ch  -  = 2I.V 

qSb<  A pJ 

1  

Ap2 A 5a,

-Ap,  az

 A8a

(181) 

In hese ast w o quations, the ubscript  ndicates hat A p  an d A p  were btained at  im e point n he oll-rate im e history, referably t he point f m a x i m u m  

rolling cceleration. 

Although he estrictions mp os ed t he beginning of his ection eriously imit the pplication of hese quations, he ast quation Equat ion 181)) s nteresting in hat t hows hat  Cj   ca n e btained without equiring he olution of  Cj *  . 

7.5.6  Th e Effective Damping' in-Yaw Derivative, (C ar  nö) 

It as pointed ut n Section .4.4 hat  C r> r and  Cnö  m ay e ombined s n equivalent erivative, Cnp - nß), nly or oscillatory aneuvers, roviding he stability xis ystem s eing onsidered r hat he ngle-of-attack s m a l l f he body xis ystem s sed.  W h e n he ody xis ystem s mployed, this s antamount to aying hat he n he mpli tude atio  |A</ / ' | /IA/?I  at  a < °  C

nö  m a y e ombined s n quivalent erivative or aw ntes. 

or o,  C „   and 

Page 93: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 93/190

-y%F.  —

6 9 

m

The ombined derivatives re requently hown n he esults f nalysis of oscilla- tory m otions elative o ody xes, ven hough his mplitude-ratio ondition s exceeded .  W h e n his s one, it eans hat n ffective alue f  C „r ha s e en btained 

which ncludes he nfluence f  C nö  a nd he esults of he nalysis ased n he se 

of he ctual  \&p'\/\&ß\, 

tribution of r a nd A /3  have roduced n nswer hich s quivalent o he net on - to A c  in e r m s f A r 

A n pproxim ate quation or CDr - „^ ) s btained directly rom he amping erm  

of he econd-order differential quation Equation 167)).  Inasmuch s 

24"„   =  qS  qSb2 

m V C y ^ g   2VIZ 

(Cnr - n/$ )  ( 1 3 2 ) 

a  transposition results  i n 

(Cnr - „^ ) 2£0nV   +   Cy £ 

( 1 8 3 ) 

Considering he s sum pt ions ade n deriving quation 167), from hich quation 183) w as btained, nd he tipulations egarding he om bining f Cnf a nd  C Bß  it a y  be tated hat quation 1 8 3 ) will rovide better ccuracy hen  |Ai />' | / |A/3l  a nd  as  lAp| / |A /3 |  decreases o atisfy he ondition hat 

influence n he quation. 

Cip  and  C n  have negligible 

A n pproxim ate quation or Cnr - D /g) hich a s een se d uccessfully n he X-15 irplane light est rogram as erived rom quation 174) 

qS b Ssn*d  + Cnr C„/0 —  ,  

W nß i 

2 V    A i cos'  ySr  

This quation s  umma t ion f awing-moment omponents parallel o he  A r during  ree-oscillation ma n euver nd s ubject o he estrictions hat I C n  have negligible nfluence n he awing oment. 

vector and  xz  

Since  $gr generally aries nly 

ew degrees rom 90° or ngles-of-attack ess  than bout 5 °, nd ince he amping ngle s mall, the preceding quation an e  reduced nd ransposed o 

(Cnr - nÄ )  ~  - £ a > , I, 

n c qSb — 

2 V  

1 . 386  V I  z ( 184 ) 

5Sb*Tl/2

Analog ecords f ree-oscillation m aneuvers f he -1 5 irplane, on hich C „  

and Ixz a re ssentially ero, were nalyzed or Cnr - n^ ) y sing quations 1 8 3 ) and 184).  Th e esults, presented n able I, show hat he atter quation as better suited or etermination f he ffective amping-in-yaw derivative,  for ngles-of- attack p o pproxim ate ly 2 ° , han quation 1 8 3 ) or his ehicle. 

Page 94: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 94/190

70 7.5.7  Correlation or Effects of Stability Augmentation 

System n Determining Lateral-Directional Derivatives from Dutch Roll Oscillations 

W h e n ateral nd directional tability ugmentation ys tems aving irst-order im e  lags re perational uring Dutch oll free-oscillation) aneuver, th e ffects f th e ugmentation ystem on he requency nd amping of th e oscillations nd n |Ar| / |A/3 l  m a y e ccounted or n he a m e anner s a s one or he ongitudinal m o d e f oscillation n ection 7.4.6. 

7 . 6 he Graphical Time-Vector Technique 

The graphical time-vector method of analysis44"u7, t h e  principles of w h i c h   w e r e   d i s - cussed and applied  i n   t h e   i n i t i a l part of t h i s   s e c t i o n ,  s  t h e  most common m a n u a l technique  used  f a r  determining t h e   l a t e r a l  and directional  d e r i v a t i v e s . uccessful application  i s  dependent upon availability of c o n t r o l - f i x e d ,  D u t c h   r o l l  oscillation data wherein  t h e  damping  r a t i o   i s  less t h a n  approximately  0 . 3   t o  permit definition of the period  of   o s c i l l a t i o n s ,  t h e   l o g  decrement of  t h e  damping of  o s c i l l a t i o n s , amplitude r a t i o s , a n d  phase a n g l e s . 

7.6.1  Advantages 

One advantage of the  method  i s  that t h e  procedure  i s   m a n u a l , and  the analyst  i s afforded a  graphical presentation of various  f a c t o r s  affecting t h e  s o l u t i o n .  

Another advantage  i s  that  i t   i s  possible t o  obtain solutions w h e n   t h e   / 3 - v a n e  r e c o r d s a r e   a v a i l a b l e ,  u s p e c t , or when  i t i s  desired t o  avoid applying corrections  t o   t h e s e r e c o r d s . ypassing t h e ß  records w a s  discussed  i n  Section 7 . 3 . 2 . t  was s h o w n  t h a t t h e   v e c t o r  polygon of the transverse-acceleration equation  i s  essential i n   t h e  solution of  t h e  amplitude  r a t i o , A / 3 | / | A r l , a n d   t h e  phase  a n g l e , gr . Both of t h e s e  q u a n t i - ties a r e  used  i n   t h e  vector polygons of t h e r o l l i n g -   a n d  yawing-moment equations  t o determine CLg and Cjo when  t h e  vector  i s  used a s  t h e  b a s e   f o r  the amplitude ratios i n  t h e   e q u a t i o n s , a s   i n Figures  5 9 ( a ) a n d   5 9 ( b ) .  h e  p h a s e   a n g l e i s  used  i n   t h e orientation of  t h e  / 3 vector  i n   r e l a t i o n   t o   t h e Ar v e c t o r  and provides  a  more accurate v a l u e  o f $g  than  c a n  usually be obtained  d i r e c t l y   f r o m  flight  r e c o r d s .  T h e  amplitude  r a t i o ,  | A / 3 | / | A r l ,  s  used  t o   e x t r a c t n3  a n d C iB f r o m   t h e   d e t e r -  -3  mined alues of  C n/ 3 A/31/IArl  and  C ^ A/3 | / |Ar |  in igures 9(a) nd 9(b) 

7 . 6 . 2 Disadvantages  

One disadvantage i s  t h a t   t h e  development  o f   a  d e f i n i t e  technique i s  required o n   t h e p a r t  of t h e  analyst  t o  minimize  w h a t   would otherwise  c o n s t i t u t e   a  rather time-consuming and tedious  e f f o r t   t o  obtain a consistent  a n d  reliable  s e t  of r e s u l t s . 

Another disadvantage i s  t h a t  only t w o  of t h e   t h r e e  derivatives  i n  e a c h  of t h e   r o l l i n g and directional moment equations  may  b e  determined by means of t h e  vector d i a g r a m , t h u s necessitating  a n i n t i m a t e   o r  a  wind-tunnel value of o n e  o f  t h e  derivatives  i n  e a c h  of t h e   e q u a t i o n s . ince n  and C jr erms  i n t h e   v e c t o r   d i a g r a m s (Figures  5 9 ( a ) and 5 9 ( b ) ) a r e   t h e  smallest  v e c t o r s ,  t i s  customary  t o   e s t i m a t e   t h e s e  q u a n t i t i e s . h e errors i n  the estimated values of  , 

i n 

jr w i l l  generally affect 

np i l l   a f f e c t ( C „r -   Cnß)  p r i m a r i l y ; t h e  errors 

p r i m a r i l y , b u t   t o   a   m u c h  smaller e x t e n t . 

or low a n g l e s - o f - a t t a c k ,  CDr - C n^ ) m a y   b e  estimated  b y  using Equations ( 1 8 3 ) or ( 1 8 4 ) w i t h i n t h e l i m i t s  of t h e i r  a p p l i c a b i l i t y . 

Page 95: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 95/190

v>

I . r 

71  

7.6.3  Application of he Graphical Time-Vector Technique o  th e Df:termination of  C Bo ( C n r - np.  O lß  an d  C j  

Figures 9(a) nd 9(b) how he pplication of he raphical im e-vector echnique  to he eterm ination f  C^ C,^ C^),  Ci^ nd  C {p T h e m plitude atio, lApl / lAr l  nd he hase ngle , $pr ere etermined rom emi log plot uch s that n igure 6 .  T h e atio A/3 | / |Ar | nd hase ngle  $a r  were btained r o m transverse-acce l erat ion iagram s iscussed n ection .3.2.  T h e emaining equired  amplitude atios nd phase ngles ere etermined s ol lows 

lApl  |AplArl  =  * A rl 

lArl 

l A r l  =   ffr  =   90 + $d 

l A r l  

lArl  ~  * $  =0 *rr   " 

C D p  and  C jr hich have elatively m a l l nfluen 

(185) 

The derivatives were obtained f r o m  wind-tunnel d a t a . ssuming  there  i s   no question of  the accuracy  of t h e   d a t a , t h e   t u n n e l  data should be based  o i .  oscillatory  t e s t s , i n a s m u c h  as  t h e   f l i g h t 

data  a r e  based on  a n  oscillatory m a n e u v e r .  

With  t h e  various known vector quantities properly oriented  i n  the respective  d i a g r a m s , t h e  diagrams were closed and the  unknown vectors determined b y  drawing  t h e  unknown vectors i n   t h e i r  proper phase-angle  d i r e c t i o n s ,  and $or . h e  newly determined v e c t o r s , s u c h   a s -Cn^ ( | A / S | / | A r l ) and Cnr - C^ ) ( b / 2 V ) , w e r e   t h e n  reduced  t o  obtain 

C n / 3   • cnr -  C n ^ ) . lß  . and C ip 

Figures 6 0 ( a ) and   6 0 ( b ) , f r o m  Reference  4 3 , show t h e   r e s u l t s  of   the application of t h e  graphical time-vector technique  t o  t h e  rocket-powered  D-558-II research  a i r p l a n e .  A n interesting  a s p e c t   o f   t h e  results  i s   t h e   i n f l u e n c e  of power o n   t h e  stability characteristics of  t h i s   a i r p l a n e . 

At  t i m e s  t h e r e  m a y  appear to be an incompatibility within wind-tunnel data  when the data a r e  compared t o  flight-determined d e r i v a t i v e s . t   t h e n  becomes imperative to r e s o l v e   t h e  discrepancy within t h e   t u n n e l  d a t a  and b e t w e e n   t h e  t u n n e l  data a n d   t h e f l i g h t   d a t a . his  i s  illustrated  i n   t h e following e x a m p l e  w h e r e i n na w a s  relatively l o w . 

Dynamic  model tests of  a  relatively rigid high-performance aircraft  a t  a s e t  Mach number and =   6.6° howed  t h a t Dp =  0 . 0 1 nd C n r - Cnfi ) -0.14  . u n n e l data a l s o  showed „ ^ t o   b e   e q u a l   t o   0 . 0 5 5  o n   t h e  basis of s t a t i c   t e s t s  a n d  e q u a l   t o   0 . 0 7 5 7  o n t h e   b a s i s  of oscillatory  t e s t s . light  d a t a  obtained  f r o m   t i m e  histories of c o n - vergent transient oscillations of   the q u a l i t y  s h o w n i n  Figure 45 Indicated t h a t , w h e n  t h e  wind-tunnel  v a l u e  of Cn 0.01 as  used  i n   t h e  time-vector  s o l u t i o n , aß w a s e q u a l   t o   0 . 0 7 1  and  ( CDr -   Cn^ ) as e q u a l   t o   0 . 3 1 3 , t  was obvious  t h a t ( C n r  -  C n / j )  

= 0 . 3 1 3 a s  not representative of t h e  true characteristics of  t h e  aircraft i n  t h e  D u t c h r o l l   m o d e ,  i n c e   i t s  positive v a l u e i n d i c a t e d  a n  oscillatory  d i v e r g e n c e ,  whereas  f l i g h t  data showed oscillatory c o n v e r g e n c e .  

Page 96: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 96/190

7 2 

A c h e c k  of   the phase angle $  ( - 1 0 4 ° ) b y   s e v e r a l  analysts showed agreement  w i t h i n a  f e w   d e g r e e s . t   w a s  decided  t h a t   a  reasonable spread of uncertainty f o r  t h e  q u a l i t y of data   - corrected  f o r  instrument phase  l a g  -  would permit  t o   b e   1 0 5 °   ± 5 ° ; a t w o r s t , t h e  uncertainty would  b e   ± 1 0 ° . c c o r d i n g l y , solutions f o r C„ »  a n d C Dr -  Cn/ § ) 

( w i t h i n  t h e  spread of  u n - T h e  results  s h o w n   i n  Figure 61  i n   t h e   f o r m  of a  grid plot  i n d i c a t e   t h e 

and the incompatibility of the wind-tunnel  d a t a . he tunnel data w e r e  incompatible e v e n when allowances were made f o r  unvertainties  i n i n e r t i a  characteristics  a n d  readability of  f l i g h t   d a t a . 

were obtained b y  uring various values of Cn  and 

c e r t a i n t y ) .  " sensitivity of t h e  determined values of C üß  and ( Cnr - C aö ) t o Cn„ a n d $ 

Use was made of approximate Equation ( 1 8 3 ) w i t h   d u e  consideration t o   t h e limitations of t h e  equation  f o r higher angle-of-attack conditions to  a i d   i n  establishing t h e  magni- 

tude of  ( C „ r -  Cn/ § ) . or t h e   t e s t  condition of a n  angle-of-attack of   6 . 6 ° , t h e   -0.458 value of  ( C n r -  ( ^ g ) obtained by Equation ( 1 8 3 ) c o u l d  b e   i n  error t o   t h e   e x t e n t  of 100%   or  s o . e n c e , i t  was estimated t h a t   t h e  correct value of  ( C Dr -  C n, ; ) was closer to  -0.20 than  - 0 . 4 5 8 . l s o , considering  t h a t   t h e  s t a t e  of t h e   a r t   i n  obtaining ( C ur 

_  Cnß)  f r o m wind-tunnel  t e s t s   w a s more reliable t h a n   i n  obtaining „p  , t h e   t u n n e l 

value  ( - 0 . 1 4 )  of  ( C Dr -  Cn^ ) w a s  surmised to b e  representative of   the  t r u e  v a l u e  of this  d e r i v a t i v e . ncertainties  i n   t h e  inertia characteristics required t h a t   s o m e  deviation be allow ed i n  this  v a l u e   i n  obtaining  ( C nj . - C nn) from  f l i g h t   d a t a . t   w a s , t h e r e f o r e , concluded t h a t   t h e  results o f  t h e  analysis should  l i e   w i t h i n t h e  shaded area s h o w n   i n  Figure 6 1 . ithin this  a r e a ,  h e   v a l u e  of Cnß  ( 0 . 0 5 4 ) compatible  w i t h 

pr =  -104° nd C nr -  C ^ g )  =  -0.14 w a s  considered to b e  a  mean value and w*s used as  a n  analytical r e s u l t . h e  corresponding value of C „  should  have  b e e n  approximately - 0 . 0 4 .  

T h e  best accuracy i n  determining Cn^ n d  ( Cnr - C D/ g ) i s  obtained wbn A p | / | A r l  i s   s m a l l , a t   w h i c h  time the influence of C np i s  relatively  s m a l l . h e n   t h e  roll-to- yaw r a t i o  i s   l a r g e ,  t may b e  advantageous  t o   e s t i m a t e ( C „r -  Cn^ ) and a t t e m p t   t o   s o l v e f o r Cn  o r   l o w  a n g l e s - o f - a t t a c k ,  C „ r - C D / g )   m a y   b e  estimated by using Equations ( 1 8 3 ) or ( 1 8 4 ) within t h e  limitations of their a p p l i c a b i l i t y . 

T h e  best accuracy  i n  determining C iß a n d C j _ r a t i o   i s l a r g e . t this  t i m e , t h e i n f l u e n c e of /r s  relatively  s m a l l 

i s  obtained w h e n   t h e  roll-to-yaw I n  either 

case , th e tatic derivatives,  Cnß  and  C  rotary derivatives,  ( C nr - C D /g ) nd  C jp

 Iß a r e  determined more accurately  t h a n t h e 

I t   w a s  previously pointed o u t   t h a t   t h e  accuracy o f  analysis becomes  r a t h e r  poor f o r 

damping ratios greater than  0 . 3 . lthough a  good approximation of  e h e  damping ratio f o r  heavily damped aircraft m a y   b e  obtained  b y  comparing f l i g h t  r e c o r d s   w i t h  records of   heavily damped  motions -  t h e  damping ratio of   w h i c h  i s  known - i t  becomes difficult t o  draw accurately  t h e  exponential envelopes of t h e  oscillatory motions  t o  o b t a i n reliable values of amplitude  r a t i o s . 

7 . 7 ther Analytical Techniques 

T h e  preceding discussions regarding determination of derivatives  f r o m f l i g h t  data have  s h o w n  various l i m i t a t i o n s . h e  graphical time-vector  t e c h n i q u e ,  although  t h e most s u c c e s s f u l ,  s  not usable  f o r  damping r a t i o s   i n excess  of a b o u t   0 . 3 , requires control-fixed  t r a n s i e n t  oscillation  d a t a , a n d   r e q u i r e s  t h e  assumption of s o m e   d e r i v a -  

Page 97: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 97/190

h i— - 

73 i 

t i v e s , which m a y , a t   t i m e s , c a u s e  difficulties  i n  s o l u t i o n s . o overcome t h e   l i m i t a - tions  of  t h e  preceding t e c h n i q u e s , a  number of  methods have been proposed f o r   t h e comprehensive determination of derivatives ( R e f e r e n c e s   4 8 - 5 4 , f o r  e x a m p l e ) . ome  have been successful i n  p r a c t i c e ; others  have  n o t . n  most i n s t a n c e s , the degree  of  sophisti- cation involved  i n   t h e  proposals requires automatic data-reduction equipment and t h e time and effort does  not  warrant their use  when analog equipment i s  available  f o r application of  analog-matching  t e c h n i q u e s . everal of the methods a r e  considered  i n t h e following  s e c t i o n s . 

7.7.1 Least Squaring of h e Equations f M o t i o n 

A  l o g i c a l   a n d  straightforward  m e t h o d , on  t h e  sophisticated  s i d e ,  o r  determining derivatives  f r o m   f l i g h t  data  i s   t h e  application of   the least-squaring technique to the linearized equations of   m o t i o n . l i g h t  quantities  a t  discrete time points  a r e   s u b - stituted  i n t o   t h e  equations of   m o t i o n . any  more data points are selected than the number of u n k n o w n s , a n d   a  least-squares process  i s  applied  t o  evaluate t h e  unknown d e r i v a t i v e s . s  l o g i c a l  and simple as the approach may b e , i t  has  not been employed t o o  successfully f o r   s e v e r a l r e a s o n s ,  n c l u d i n g : difficulty i n  properly conditioning t h e  m a n e u v e r , instrumentation  a c c u r a c y , phase  l a g s  between i n s t r u m e n t s , insufficient amplification of recorded data t o  provide precise  r e a d a b i l i t y ,  noise  i n  data r e a d o u t ,  and instrument  a l i n e m e n t . 

One of t h e  more  s u c c e s s f u l  attempts  t o   a p p l y  this technique was reported  i n  Reference 4 8 . o  excite  a l l   t h e  lateral-directional modes and   give measurable  c o n t r o l  i n p u t s ; without exceeding t h e l i m i t s  of  t h e  linearized equations of   m o t i o n , t h e  following control  i n p u t  program was   u s e d : 

" P r o m  trimmed l e v e l  f l i g h t , step t h e  rudder causing the airplane  t o yaw   and t h e n   r o l l d u e   t o  dihedral  e f f e c t . hen t h e   b a n k   a n g l e  reaches approximately  2 0 d e g r e e s , a p p l y   a  s t e p  aileron deflection  s u c h  that t h e  airplane will  r o l l  toward a   l e v e l f l i g h t   a t t i t u d e . n  order to obtain  a  sufficiently  l o n g  record of t h e response  t o   a i l e r o n ,  h e  airplane i s  allowed  t o   r o l l t o   a n  opposite  b a n k  a n g l e  of 20 degrees  b e f o r e  stopping  t h e  recording a n d i n i t i a t i n g   r e c o v e r y " .  

A typical time history of this maneuver i s  s h o w n i n  Figure  6 2 . l l instruments had similar  r e s p o n s e  characteristics and   high recording sensitivity  w h i c h w a s  compatible 

with calibration-sensitivity spread and calibration  s p r e a d . linement of instruments w a s  within  ± 0 . 3 ° . ecorded  d a t a  were  c l e a n . t  w a s   f o u n d  t h a t  noise i n   t h e   r e a d o u t data significantly affected t h e   r e s u l t s . wenty discrete time points  used  f o r  the least-squaring process were considered  s u f f i c i e n t .  

T h e   r e s u l t s , reproduced  i n  Figures 6 3 ( a ) a n d   6 3 ( b ) , show t h e  degree of consistency obtained  a f t e r  t h e  greater-than-usual precautions  w e r e   t a k e n  to provide conditions t h a t  would b e   c o m p a t i b l e  with  t h e  needs of t h e   t e c h n i q u e . he requirements  f o r  this technique  a r e  undoubtedly similar to t h o s e  necessary to make other promising techniques w o r k a b l e , s u c h  a s  t h e  method of Reference  4 9 . his method  i s  also a n  equation-of- motion technique utilizing  t h e  Fourier  t r a n s f o r m , a method  f u n c t i o n   t o   r e m o v e   d e - pendence on  i n i t i a l and  e n d   c o n d i t i o n s , and a  least-squaring p r o c e d u r e .  k  

Page 98: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 98/190

74 

7 . 7 . 2 Frequency-Response Me thod  

Methods have been proposed (References  5 0 - 5 2   f o r  e x a m p l e ) to determine stability and c o n t r o l derivatives by using frequency-response  data  obtained f r o m   f l i g h t   t e s t s . h e ethod  of Reference  5 2  encompasses t h e  solution of   a l l  derivatives through a  complex 

p r o c e d u r e . ther  m e t h o d s , s u c h   a s  that of   Reference  5 1 , provide only limited results based  on various degrees  of   a p p r o x i m a t i o n . 

The method  of   Reference  5 2  replaces the time plane w i t h  the frequency p l a n e . Amplitude ratios and  phase relationships  of  airplane response to  c o n t r o l  input  f r o m   f r e q u e n c y -  response analysis  of  a  pulse  maneuver51*

ss provide  r e a l  and imaginary  q u a n t i t i e s . he complex  quantities at discrete frequencies a r e  substituted  i n t o  least-squared equations solving  f o r  t h e  derivatives  d e s i r e d . he   method  i s  simple  i n  t h e o r y ; h o w e v e r , c o n - siderable  c a r e , w o r k , and t i m e   a r e  involved  i n   t h e   a p p l i c a t i o n , and some experience i s   necessary i n   the selection of discrete  f r e q u e n c i e s . hese factors minimize interest i n   f u r t h e r  studies of  t h e   m e t h o d , especially where  t i m e   i s  of the essence i n  obtaining a  relatively quick  l o o k   a t   t h e   f l i g h t  wlues. utomatic data-reduction  e q u i p m e n t would g r e a t l y  expedite  t h e   frequency-response uialysiä  a n d  v o u l d  be useful f o r  t h e  other computations  r e q u i r e d .  

7 . 8 nalog-Matching  Techniques 

When  f l i g h t  data  a r e  of s u c h  a  nature as t o  preclude the successful use of  t h e graphical time-vector technique or the approximate e q u a t i o n s , and  when time and expense will  not permit t h e  use  of   a n   experimentation with  more sophisticated  t e c h n i q u e s ,  

recourse  i s  usually   made to the analog to determine t h e  derivatives that  w i l l  provide t h e  best match of the analog time history w i t h   t h e   f l i g h t  time history of a  m a n e u v e r . 

The use of the analog should b e  considered a s   a   l a s t   r e s o r t , t o   b e  used o n l y   w h e n other techniques  c a n n o t   b e   a p p l i e d . t i s  n o t   a   " c u r e - a l l " ,  o r   i t   c a n  produce erroneous answers under  c e r t a i n  conditions  a n d   s t i l l  provide  a  good match w i t h   t h e f l i g h t  time history of  a m a n e u v e r . 

7.8.1  Conventional nd High-Speed Repetitive Operation R E P O P ) Analog Matching 

T h e  mathematical model of t h e  aircraft f o r   t h e   a n a l o g   c o m p u t e r i s  provided  by  t h e airplane equations of   m o t i o n ; when attitude records  ( s u c h  a s \p and  r f > )  a r e  available 

and  used  i n  the matching p r o c e s s , transformation equations a r e  included t o  transform aircraft angular rates a b o u t  the body axes t o  angular r a t e s  about Euler  a x e s .  

G e n e r a l l y , the simplest mathematical  m o d e l  compatible with t h e  needs of a n   i n v e s t i -  gation  i s  used t o   r e d u c e   t h e number of analog components required and t o  expediate s o l u t i o n s .  five-dagree-of-freedom   mathematical  m o d e l ,  involving  t h e   g e n e r a l  equations of   m o t i o n ,  s  employed w h e n  longitudinal  a n d  lateral-directional cross-coupling effects a r e factors  i n   t h e  responses  o f   t h e  airplane during  t h e  m a n e u v e r . h e n   s u c h   c r o s s - coupling effects  a r e  n o t   f a c t o r s  t o   b e  contended  w i t h , t h e  longitudinal a n d   l a t e r a l - directional motions  c a n  b e  treated independently  a n d   a s   t w o  separate analog programs using  t h e linearized  e q u a t i o n s . nder  s u c h   c i r c u m s t a n c e s , t h e longitudinal  p r o g r a m i s  treated a s   a  two-degree-of-freedom  c a s e ( w i t h   v e l o c i t y   a   c o n s t a n t ) unless phugoid i s  being  c o n s i d e r e d , w h i c h i s  not o f t e n ; a n d  t h e  lateral-directional program  i s 

treated a s   a  three-degree-of-freedom  c a s e . 

mall-perturbation equations may  b e  used 

Page 99: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 99/190

T h e  conventional matching technique i s  laborious because of t h e  need t o  manually match  a  strip record w i t h   t h e  overlay e v e r y   t i m e   a  programed condition  i s  modified  i n order  t o  study  t h e   e f f e c t  of t h e  modification and assess  t h e next condition  t o   b e m o d i f i e d . he conventional technique may   r e q u i r e   f r o m   s e v e r a l  days  t o   a  week  t o obtain  a m a t c h .  

High-speed repetitive operation ( R E P O P ) matching differs f r o m   t h e  conventional i n s e v e r a l  basic aspects56. h e   s t r i p  recorder  i s  replaced b y a n  oscilloscope  a n d   t h e 

response t o  inputs is projected onto the  s c o p e , which has an overlay fastened to  i t . T h e  projected response appears as a  stationary time history  a s   a  result of  a n  automatic high-speed recycling of t h e  response  c o m p u t a t i o n . h e  maximum recycling speed  f o r f i d e l i t y  i s  governed b y   t h e   t i m e   s p a n  of t h e   t i m e  history to  b e  matched  a n d   t h e f r e q u e n c y - response characteristics of t h e f u n c t i o n   g e n e r a t o r . here a  cycling rate of  2 5 0  cycles p e r  second may provide  f i d e l i t y  f o r  a  3 -  o r  4-second t i m e   h i s t o r y ,  t  may  c a u s e  serious distortions  i n  projections onto  t h e   s c o p e   i f  a   10-second t i m e  history  i s  p r o j e c t e d . 

High-speed repetitive operation matching relieves  t h e  operator o f  manual matching of   t h e   t i m e  h i s t o r y , permits him  t o  make rapid  modifications  of derivatives and  I n i t i a l c o n d i t i o n s , and allows h i m   t o  o b s e r v e  effectively  t h e influence of  a modification  o n t h e   r e s p o n s e . hen  a n  optimum  match i s  achieved o n   t h e   s c o p e , a  strip record  i s  made a n d  matched w i t h   a n  overlay  t o   c h e c k  t . i e   f i d e l i t y   of t h e   s c o p e  match a n d   t o r e t a i n   a 

record of t h e  resulting  m a t c h . REPOP  match  c a n  normally  b e  achieved  i n   4  t o   &  h o u r s .  

T* 

7 5 

t o  advantage  i n  such  i n s t a n c e s , particularly when datums  of angular rates and  Euler attitudes may be suspect and angular accelerations have excesnive noise or are not a v a i l a b l e . 

Initial estimates of stability  a n d  c o n t r o l  derivatives  t o  be used  i n   t h e  mathematical model a r e  obtained  f r o m  available theoretical and/or wind-tunnel  v a l u e s . f p o s s i b l e ,  flight-determined derivatives obtained through  t h e  use of  t h e  approximate equations a r e   e m p l o y e d . n  the  a b s e n c e  of t h e  p r e c e d i n g , t h e   b e s t  estimates possible  a r e  m a d e . I n i t i a l  estimates are required t o  establish reasonable scaling  f a c t o r s   f o r  the manually adjusted derivative potentiometers to save operational  t i m e . 

Inasmuch as errors  i n   i n i t i a l  conditions  s h i f t   t h e  amplitude or r o t a t e  the response time h i s t o r y , provisions  a r e  made  o n  the analog t o  program i n i t i a l conditions through manually controlled p o t e n t i o m e t e r s .  

Flight  t e s t i n p u t s   i n   t h e f o r m  of aileron and  r u d d e r  deflections  a r e  reproduced o n f u n c t i o n  generator components of  t h e  analog  i n  a s f a i t h f u l  a  reproduction as possible within  t h e  limits of t h e   f u n c t i o n   g e n e r a t o r s , which have a  f i n i t e  number of b r e a k p o i n t s . When these inputs are introduced  i n t o  the   mathematical m o d e l , the analog computes a r e s p o n s e .  

I n  conventional  a n a l o g - m a t c h i n g , t h e  response  i s  recorded  by a strip  r e c o r d e r . h e recorded response  i s   t h e n  compared with  t h e   a c t u a l  f l i g h t   t i m e  h i s t o r y , which i s   r e - 

produced o n  clear plastic  t o  o v e r l a y  on  t h e  analog  t i m e  h i s t o r y . mismatch indicates t h e  need t o  modify  t h e  values of  t h e   d e r i v a t i v e s , possibly  c h a n g e  signs of s e v e r a l  of t h e m , and possibly modify  t h e   i n i t i a l  c o n d i t i o n s . hese changes  a r e  made by using  a judicious trial-and-error process u n t i l   a match i s  o b t a i n e d .  

r  

Page 100: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 100/190

76  

7.8.2 dvantages of h e Analog-Matching Technique 

T h e nalog-Batching technique or derivative eterm ination, in ffect, ccomplishes «hat ophisticated analytical echniques see he preceding ection) ave ttempted. It nables he etermination of derivatives under ircumstances here pproxim ate equations nd he raphical im e-vector technique ail.  It oe s no t ely p o n definite restrictive maneuvers, lthough here re om e maneuvers ha t annot e olved or . T es t a ta shoving nadvertent nputs nd ubsequent isturbances m a y e sed. 

7.8.3 Limitations of h e Ar.alog-Matching Technique 

The success  of   every technique discussed  f o r  determining derivatives «as contingent upon the  proper conditioning  of   the  maneuvers i n v o l v e d . his  i s   no less true  of t h e  analog-matching t e c h n i q u e . Dutch  r o l l   m a n e u v e r , induced b y  a c o n t r o l p u l s e , I n  «hich no  spiral- or roll-subsidence  modes  are significantly e v i d e n t , i s  generally Impossible 

to   match with a  unique set of d e r i v a t i v e s . t  «ill be found that any  number of  c o m - binations of derivatives  « i l l  provide a  m a t c h . maneuver Involving continuous oscilla- tion of   the  c o n t r o l  s u r f a c e s , as would  b e  the case of lateral-directional  oscillatory motiors with  the lateral-directional stability augmentation system o n , « i l l  also be very difficult  t o  match  w i t h  a  unique  s e t  of d e r i v a t i v e s . 

A  properly conditioned lateral-directional maneuver for  use on the analog   t o  permit determination  of   a  unique set of derivatives  f o r a  match should excite  t h e  r o l l  and s p i r a l  modes as well as  Dutch r o l l  o s c i l l a t i o n s . h e  likelihood of   obtaining  a  unique s e t  of derivatives  i s  increased « h e n   t h e  maneuver  i s  conditioned t o  include a  rudder disturbance of a step-like n a t u r e , a  transient o s c i l l a t i o n , and an aileron disturbance not necessarily  i n  this order - a s  « a s   mentioned  i n   Section 7.7.1 and also illustrated I n  a recover?-from-sideslip  maneuver «hich  i s  considered  i n  t h e  next  s e c t i o n . 

A l s o , as «as  mentioned i n  Section  7 . 6 . 3 , better accuracy «HI  b e  achieved  I n   t h e  r a t i o  of t h e  dynamic characteristics ajor directional derivatives « h e n   t h e A p | / | A r

ilmlzing Influence of   C0p) , ratio is  high (minimizing t h e   influence of  Cir 

I s   l o «  (minimizing influence of   Cn_ ) , and i n   t h e   major lateral derivatives  « h e n   t h e  | A p | / | A r |  i t  «ay  b e   c o n c l u d e d , t h e n , 

C jr re   normally difficult to determine to a n y  respectable degree of accuracyr he   possibility of determining C jr appears to improve w i t h increasing tendency of   the aircraft  t o   r o l l  off  during a  m a n e u v e r .  

that  Cn  and 

7,8A  Application of h e Analog-Matching Technique 

Figure 4 hows he esults f an nalog match f  recovery-from -sidesl lp" maneuver a t M a c h u m b e r of .84 nd n ltitude f 9,400 t.  T h e atch s ypical or his aircraft, hich ad negative ffective ihedral nd dverse i leron ya w or he match 

shown.  Rigid ind-tunnel ata orrected or lexibility ffects n he ctua l ehicle predicted practically e ro ffective ihedral nd roverse ya w due o ileron.  It as  im possible o ubstantiate he redicted a lue s n he nalog, nd nl y ne ombination of derivatives ould rovide he match. 

T h e ollowing procedure s ypical f ha t mployed n rriving t he nalog match of th e light ata which id ne t nclude olling nd ya«lng ccelerations: 

- . m 

Page 101: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 101/190

77 

a s  1  

• 

(1 ) h e mathemat ica l odel as epresented y hree ateral-directional m a l l - perturbation quations 

A/3 = ? in « f > 0  A 0 ) - A r „ A p   (q S + Cj j A 5r C y? A «a) -  sin0o 

A p  =   £ A f + y  L+ 1(CjjAp cJrAr) Ci$rA Sr C j ^ A S J  

I S b TbA r  = -£* Ap — C n ^ g A S +  — (C^r CDpA p ) nSrA 8r e,,ASj 

(ii) n ddition, he ollowing ransform ation as mployed o etermine he hange in uler oll ngle , hich ttained magnitudes f he rder f 0 ° n ccasions  in he maneuvers nder onsideration  

A 0 = Ap - r0 Ar)0 o co s (0O A ft - 06Q COS<£0 

(iii) Finally he utputs f th e mathemat ica l model ere pplied o he ollowing  tw o quations o modify nalog alues f / 3 nd at o orrespond o he  indicated alues f he light ata: 

A/3. = /3 +  lAr- Ap 1 A a tt - - sin < £ „ +  A < £ ) in0o - A/8 + A r - x , A p ) - 

" yinstr 

/ ~  o / •3rAr*  + pAp\  A f  Ap 

-   : -   jj 

+ xinstr g "  zlnstr g 

( i v )  Starting with  t h e  arbitrarily selected t i m e  zero  ( a s   i n  Figure  6 4 ) f o r   t h e time history t o   b e  m a t c h e d :  

( a ) Cüß  was adjusted  f o r  approximate f r e q u e n c y  n a t c h . 

( b ) T h e  control derivatives w e r e  adjusted t o  provide a n i n i t i a l r o u g h  match i n  t h e  magnitudes of  n d 0  . 

( c ) Potentiometers f o r „ n d ß0 w e r e  adjusted  t o   r o u g h l y  aline  n d ß  races of the analog  w i t h f l i g h t   d a t a ; s i m i l a r l y , potentiometers f o r 

< P 0 nd p0 ere adjusted t o r o u g h l y   a l i n e 0 and p r a c e s . hese actions involved  t h e following analog  I n t e g r a t i o n  

A r = / ( f 0+Ar ) d t .  A£ = J ( 4 0+A/ 3 ) d t .  

AP   =  J (P 0 + 

AP >dt

 

A <

£ =  M 

A fedt 

Page 102: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 102/190

78 

(d) ince djustaent of  j > 0  and  p0  m odifies l ineaent f nalog and light tracer: f  r  and  ß , tep c) as eiterated a s a a n j r iaes s neces sary to obtain rough lineaent of analog nd light races of  r  f > and  p 

(e ) ttention a s hen ocused on he  r  trace o btain aore efined natch of this race y aore autiously djusting   C nr V g  This operation necessitated adjustaent of Cj ^  j j teep th e  p  trace n ine. 

C n « and C « ,  

C l «  a n d  C l r  t o 

I t  should be noted  t h a t  the preceding f i v e  steps  (IT) ( a ) - ( e ) , which constitute a n i n i t i a l  phase  of   operation to  obtain a n  approximate m a t c h , involve about  1 h o u r . he explanation  of   the  procedure i s , by  n e c e s s i t y ,  b r i e f . t   « i l l  be readily  appreciated that the steps  are iterative   to  keep the frequency  of d i s t u r b a n c e ,  the aagnitude of disturbances   of  the various t r a c e s , and   alineaent of  analog   and f l i g h t   t i n e  histories c o a p a t i b l e .  

The second  phase  of   the analog-aatching  process involved  the following operations: 

( f ) With the  trace roughly  m a t c h e d , attention was focused  on t h e  > and p traces by   aanipulating  the Cj ^  , C /p  , and C jr derivatives and the lateral-control derivatives a s  n e c e s s a r y . uring this o p e r a t i o n ,  i n e adjustments were required   and  aade on the r n d ß  races  ( a s   per step  ( i v ) ( e ) ) . 

( g ) With  >  p  , r   , and ß races matched a s  closely as p o s s i b l e , attention 

was focused  o n   t h e 

r a c e . 

his involved C y ß CJJ

and  Prsr

The ast phase f th e nalog-aatching operation nvolved making ine djustments o initial onditions to ompensate or probable rrors) nd ine djustments o he  derivatives, n s sence , erform ing n terative rocedure of th e preceding operations.  T h e econd nd ast hase of th e nalog-aatching process eneral ly nvolved o tours nd, t iaes, ore. 

7.8.5  Accuracy of Results n Analog-Matching of Flight Data 

As entioned reviously, the ccuracy f he esults n nalog-matching f light data s argely ependent pon he onditioning of th e aneuver.  F or th e ongitudinal derivatives, esults rom  ullup-and-relaase maneuver of n dvanced Mgh-performance  aircraft howed he ollowing ccuracies ased n he mount he derivatives ould e 

changed efore trend oward niaoatch ecame vident: 

(1 ) or strong maneuver:  

C N( X 0 %  

CN S  2 0 % o 0 %  

( C Nq Na) 00% or more  

Cn « 

Cnse 

(C ma  m s . )  

1 0%  

2 0 % o 0 %  

Page 103: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 103/190

7 9 

( 2 )  F o r   a   w e a k M a n e u v e r : 

C n « 

2 0 %   C - a  1 0 % 

1 0 0 % *•. 

2 0 %  

2 0 0 %   o r   m o r e  «V,   +   c Bd)  4 0 %  SNQ +   CH6t ) 

T h e   a c c u r a c i e s   o f   t h e  l a t e r a l - d i r e c t i o n a l   d e r i v a t i v e s   o b t a i n e d  f r o n   a n a l o g - m a t c h i n g  o f   w e l l - c o n d i t i o n e d , r e l e a s e   - f r o m - s i d e s l i p   m a n e u v e r s   o f t h e  s a m e  a i r c r a f t a r e  s h o w n 

i n   t h e  f o l l o w i n g   t a b u l a t i o n , a l o n g   w i t h   t h e  f a c t o r s   w h i c h  i n f l u e n c e   t h e a c c u r a c y : 

C n ß % 

C i ^ % t o   1 5 % 

C j / 3 %   t o   2 0 % 

C n r %   t o   3 0 %  

C np %   t o  3 0 %  

C ip - 5 %   t o  3 0 % 

C ir - 5 %   t o  5 0 % 

^ n s r 

c* sB 

C n sa 

- 5 % 

- 5 %   t o  1 5 % 

- 5 %  t o 3 0 % 

- 1 0 %   t o   3 0 %  

T r u e  f o r   a n y  r u d d e r  r e l e a s e  i n v o l v i n g m o r e  t h a n   o n e   c y c l e   o f   o s c i l l a t i o n .  

D e p e n d e d   u p o n  o s c i l l a t o r y  c h a r a c t e r i s t i c s  o f  > a n d   m a g n i t u d e   o f ß a f t e r r u d d e r   r e l e a s e . 

D e p e n d e d   o n  t h e   m a g n i t u d e   o f   t h e  t 

o s c i l l a t i o n s a n d t h e   a v e r a g e   s l o p e   o f  ß  f r o m r e l e a s e  t o  s t e a d y v a l u e . 

D e p e n d e d   u p o n   t h e a m o u n t   o f   t r a n s i e n t s 

t h e   a i r c r a f t   w a s   a l l o w e d   t o   g o  t h r o u g h b e f o r e   c o n t r o l s   w e r e  a p p l i e d  a g a i n . 

D e p e n d e d   u p o n  t h e   m a g n i t u d e o f  t h e  r o l l r a t e  d u r i n g   o s c i l l a t i o n . i g h e r  r o l l r a t e  s h o w e d   b e t t e r   a c c u r a c y . 

D e p e n d e d   u p o n   t h e   m a g n i t u d e   o f   t h e  r o l l r a t e   d u r i n g   o s c i l l a t i o n . i g h e r  r o l l r a t e  s h o w e d   b e t t e r   a c c u r a c y . 

D e p e n d e d   u p o n   m a g n i t u d e   a n d   o s c i l l a t o r y  c h a r a c t e r i s t i c s   o f  r o l l o f f . a r g e r r o l l o f f  s h o w e d   b e t t e r  a c c u r a c y . 

T r u e  f o r  a n y  r a p i d   r u d d e r  i n p u t . 

D e p e n d e d   u p o n  t h e   m a g n i t u d e   o f   t h e  c o n t r o l i n p u t . 

C y8  - 5 % t o  5 0 %   o r m o r e 

C ys  - 4 0 %   t o  1 0 0 %   o r   m o r e f t 

These esults m a y e onsidered typical f what a y e xpected n nalog-matching  cf light ata btained r o m roperly onditioned maneuvers. h e ccuracies m a y e ll  be ypical f hose ha t ay e xpected h e n omprehensive nalytical echniques re  used. 

:- I 

Page 104: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 104/190

80 

8 . APPLICATION OF PLIGHT DERIVATIVES 

If   wind-tunnel data and   theory w e r e   i n f a l l i b l e , i t  stands t o  reason that there would be  no   need  f o r   f l i g h t  determination of d e r i v a t i v e s . o w e v e r , such is  not the  c a s e . As new concepts  i n  aircraft were  d e v e l o p e d , either  with regard t o  physical geometry or propulsion  s y s t e m s , and as aircraft  f l y   i n  new   Mach and altitude r e g i m e s , t h e r e   i s the  need t o  verify aerodynamic  t h e o r y  and wind-tunnel data and various influences of aeroelastic deformations  of   prototype structures   on stability c h a r a c t e r i s t i c s ;  t o provide supplementary information not obtained  i n  limited winJ-tunnel s t u d i e s ; and t o  uncover the source of discrepancies between predictions and a c t u a l f l i g h t   b e h a v i o r . The  following discussions provide some  i n s i g h t i n t o   s e v e r a l  of these  a r e a s .  

8.1 Verification of   Wind-Tunnel Data and Theory 

As  t h e  Mach  c a p a b i l i t y  of t h e  airplane  i n c r e a s e s , t h e  technology i n  wind-tunnel testing becomes  more c r i t i c a l  w i t h  regard t o  m o d e l c o n s t r u c t i o n , s u p p o r t  of t h e   m o d e l , and interpretation of  t h e  t u n n e l   d a t a . hereas t h e o r y  depends upon wind-tunnel data f o r  v e r i f i c a t i o n , or  t o   f i l l i n   g a p s  where  t h e o r y f a i l s , t h e  wind-tunnel may depend upon  f l i g h t   d a t a , a s  new  r e g i n . e s  of  f l i g h t   u n f o l d , t o   v e r i f y  testing t e c h n i q u e s . 

Plight data  pointed  out the  need  f o r  a  greater concentration of t e s t  points  i n   t h e  transonic region  t o  accurately define the stability characteristics  i n   t h i s   r e g i o n ( P i g . 5 4 ) . light data showed a l s o   t h a t   i t  w a s  n o t  sufficient  t o  use  a  cold j e t  stream t o  simulate the  e x h a u s t of  r o c k e t   e n g i n e s . igure 60  s h o w s   t h e  effect of t h e   j e t exhaust of   the D-558-II  r e s e a r c h  airplane on t h e  lateral-directional stability c h a r a c t e r - i s t i c s  of t h e  vehicle  i n  t h e  supersonic  r e g i o n . he destabilizing influence of  power w a s   t h e   r e s u l t  of  a  pluming of t h e  h o t  j e t   e x h a u s t  a n d  consequent f o r m a t i o n of  a lambda s h o c k   w a v e  a t  t h e  juncture of  t h e   v e r t i c a l t a i l   a n d   t h e f u s e l a g e . uring Dutch r o l l  o s c i l l a t i o n s , the s h o c k  wave on  t h e  leeward side of  t h e   v e r t i c a l t a i l  moved f o r w a r d , while on t h e  windward s i d e   i t  remained attached  t o  t h e  Jet   e x i t . his p h e n o -  menon  i t  n o t   c o m m o n ;  t  w a s   t h e   r e s u l t  of   overexpansion of t h e   j e t e x h a u s t a n d   t h e proximity of t h e  tr^Uing  e d g e  of t h e  vertical stabilizer  t o   t h e   j e t e x h a u s t s . 

Another illustration of  discrepancy between f l i g h t  and predicted data involved elevator setting  f o r   l g   f l i g h t . comparison of  t h e   v a r i a t i o n of predicted a n d   f l i g h t - determined elevator settings w i t h  M a c h  number showed increasing discrepancy with  i n - creasing   M a c h  number  f o r  a   c o n s t a n t  center-of-gravity p o s i t i o n . n   t h i s   i n s t a n c e ,  

involving aeroelastic e f f e c t s , predictions showed reasonably c l o s e  correlation of C na w i t h f l i g h t   d a t a ; w h e r e a s , ma  n d ms  showed a  difference  i n  trend  a s   w e l l a s   l e v e l . reliminary s t u d y  of t h e  problem snowed  a  need  t o  consider mn s   w e l l as  C m „  and  C , m s -  Thus, he ollowing itching-moroent quation or r immed n- accelerated evel light, based on Equation 53b) Tab le V ), as sed nd constituted 

the major consideration n arriving at he most ikely auses or he iscrepancy  

between predicted nd light rim settings of he elevator 

The angle-of-attack a + cc N= o) as eplaced y ts equivalent 

(186) 

a +  «CN=O  CNP  (187) 

Page 105: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 105/190

8 1 

t o  determine both  predicted and  f l i g h t  values  of CBo y the following  new  f o r m a t of   Equation ( 1 8 6 ) , which  i s  t h e  slope-intercept expression  f o r  solving C Bo , or 

CN( X e 

A l s o , Equation ( 1 8 6 ) was transposed t o  s o l v e   f o r 

K - Sa.-<w"* ac*>  1 8 9 ) C-Se  ° W 8e 

A comparison of   predicted and  f l i g h t  values of t h e  ratios  i n  Equation ( 1 8 9 ) showed t h e  values of   the  r a t i o  g/C^  t o  b e  essentially  t h e   s a m e ; h o w e v e r , Bo/C„ s differed i n   l i n e  with  t h e  discrepancy  i n e  . alculation of   t h e  static  margin using c«o/ cNa  • " h i

00 was employed  i n  determining CBo , also showed a  discrepancy between prediction and  f l i g h t . n   t h e   f i n a l   a n a l y s i s , i t  appeared  that the major  source  of discrepancy  b e t w e e n  predicted and  f l i g h t  longitudinal t r i m  elevator settings  w a s   d u e primarily t o   t h e  differences  i n ^ n d C „ s 

An illustration of a discrepancy between  wind-tunnel and  f l i g h t  data involving 

power effects and aeroelasticlty  i s  s h o w n   i n  Figure  6 5 . his instance concerned t h e F-100 airplane ( F i g . 1 6 ) , w h i c h i s  considered t o b e   a  relatively  r i g i d  aircraft and has  i t s  air-intake nozzle  a t t h e  n o s e . s  s h o w n i n  Figure 6 5 , t h e  variation of t h e wind-tunnel value of CD/ S with Mach number  has  r o u g h l y   t h e  s a m e  trend as  t h e   f l i g h t - determined v a l u e . o w e v e r , there  i s   a n  appreciable difference  i n  l e v e l   t h a t i s  w e l l beyond t h e  difference  t o   b e  expected  d u e   t o   t h e  values of   moments of i n e r t i a s ; values a r e  known  t o  within 5%   a t  b e s t . he results of   a n investigation  t o   t r a c e  the sources of t h e  discrepancy showed appreciable moment of   momentum  e f f e c t s  of air-intake  f l o w  a n d  aeroelasticlty effects of the vertical t a i l . hen  t h e   b a s i c   r i g i d   t u n n e l  data w e r e  corrected  f o r  these  t w o   f a c t o r s ,  a i r l y  good correlation  w a s  achieved with t h e f l i g h t  data ( F i g .   6 5 ) . 

A technique  i n  tracking  d o w n  inconsistencies i n  wind-tunnel data involving C n;3  , 

CDp  , and ( Cnr -  C C y £ ) was illustrated i n  Section  7 . 6 . 3 . 

8.2 Effects o f  Aeroelasticlty 

The effects of  aeroelastic deformation of t h e   s t r u c t u r a l  components  o n   t h e  stability a n d   c o n t r o l characteristics of  t h e  aircraft  a r e  of p r i m e   c o n c e r n , particularly  i n l a r g e  transport  d e s i g n s , a s  pointed out i n  Section  6 . 3 . h e illustration  o f  a e r o -  e l a s t i c  effects  s h o w n i n  Figure 65 represents a n i n t u i t i v e  approach i n  accounting  f o r a  discrepancy  b e t w e e n   wind-tunnel  a n d   f l i g h t   d a t a . his approach presumes t h e   b a s i c  rigid t u n n e l data t o  be  c o r r e c t . t  also presumes t h a t  aeroelasticlty effects are s i m p l e  enough  t o  permit reasonably  r e l i a b l e  calculation of corrections  t o   t h e   d a t a . 

As aircraft Increases  i n   s i z e   a n d  s l e n d e r n e s s ,  and operate  a t increasing dynamic 

p r e s s u r e s , aeroelastic deformations of  t h e  structure  a s s u m e  increasing  s i g n i f i c a n c e . T h e i n f l u e n c e   o f  aeroelastic deformations o n   t h e  stability  a n d   c o n t r o l characteristics i s  difficult t o  predict  o n   t h e   b a s i s  of t h e o r y . h e  deformations of  t h e   v a r i o u s  components of t h e  structure  a f f e c t   t h e   s h o c k  patterns of t h e  airflow w h i c h ,  n   t u r n , 

Page 106: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 106/190

82  affect he tability nd ontrol haracteristics n m u c h o r e omplex manner ha n th e eroelaatic eformation f ne r wo urfaces n elatively igid ircraft. Rigid-model a ta m a y e Questionable ecause f he uncertainties n he ru e igidity of he odel nd model upports nd nterference ffects.  Thus,  o r e positive approach s equired o ssess lexibility ffects o erify n d mprove heory nd develop tunnel echniques . 

A light est echnique or etermining eroelasticity ffects n tability nd control haracteristics s utlined n ection 6.3. Th e echnique, s presented, s somewhat implified n ha t he lifting components of hrust s onsidered o e negligible.  This pproxim ation implifies light lanning, onitoring, nd making  

on-the-spot hanges n light onditions f  W   and  h   for maneuvers t onstant  M approxim ately onstant  C L  due o erodynamic ift lone, and onstant enter-of- gravity.  A n verage of th e ostfl lght-determ ined a lues f 

W - T  sin 6 (190) 

for he est points n he constant  I I L and enter-of-gravity ine" n igure  3 9 - such s oints nd - will onstitute he epresentative alue f  C ,  for these est oints.  T h e a x i m u m eviation r o m ctual  C L  is ithin he xperimental error of th e nvestigation.  T h e tability nd ontrol derivatives f hese points,  w h e n plotted ga inst ynamic ressure , define urve hich hows he ffect f ero- elasticity n he derivatives, 

dynamic lift lone, and enter The urve epresents nly ne  

f-gravity ondition.  d u e   t o   a e r o - 

8.3 Stability Criteria 

Considerations of  t h e  stability of a n  airplane i n c l u d e  not o n l y i t s  inherent s t a b i l i t y , which  i s   i t s  behavior without pilot i n p u t s f o l l o w i n g   a n   i n i t i a l   d i s t u r b a n c e ,  b u t   a l s o  i t s  behavior  i n  response  t o  p i l o t i n p u t s . n   g e n e r a l , t h e   s t u d y  of t h e stability of a n  airplane  i n v o l v e s   t h e  effect of derivatives on  t h e   I n c r e a s e   o r   d e c r e a s e of   the  s t a b i l i t y . t   i s   a i objective  s t u d y . h e n   t h e  stability of t h e  airplane  i s considered i n   t h e   l i g h t  of t h e  degree o f   p i l o t '   s  acceptance of t h e   a i r p l a n e , and p i l o t  ratings a r e   i n t r o d u c e d , t h e   s t u d y  becomes subjective and  i s  referred to as a  handling- qualities  s t u d y . s may  b e - e a d i l y s u r m i s e d , o n e   s t u d y  complements  t h e   o t h e r . 

Any extensive discussion of handling q u a l i t i e s , which integrates  t h e  pilot  a s  a human  s e r v o s y s t e r o  constituting  a   f e e d b a c k  l o o p  i n   t h e   c o n t r o l s y s t e m ,  s  beyond  t h e s c o p e  of   this p a p e r . t   would  i n v o l v e   t h e   s t u d y  of   human  f a c t o r s  a n d   i s  affected b y t h e   p i l o t '   s technical background  a s   w e l l a s   t h e   d e p t h  of piloting b a c k g r o u n d , t h e  t y p e s  of aircraft  f l o w n , orientation  a n d   t y p e s  of displays  i n   t h e   c o c k p i t , a n d   g e n e r a l  c o c k p i t   e n v i r o n m e n t . he  a r t  and science of   handling-qualities investigations  i s covered extensively i n  t h e  literature ( R e f e r e n c e s   5 7 - 6 5 ,  o r   e x a m p l e ) .  

8.3.1  Longitudinal Short-Period Oscillation,  co n  

T h e  r e s p o n s e  of t h e  airplane  t o   a n  elevator  i n p u t  or  g u s t  disturbance  w i l l  normally i n c l u d e   a  longitudinal short-period o s c i l l a t i o n . n  oscillatory condition  b y  itself indicates  a   s t e t i c  oscillatory  s t a b i l i t y . o s i t i v e , n e u t r a l , or negative dynamic 

oscillatory stability  i s  dependent u p o n   t h e  presence  of   p o s i t i v e , z e r o , or   negative damping  c h a r a c t e r i s t i c s , respectively  A   s t u d y  of  t h e   l o n g i t u d i n a l characteristics involves both static oscillatory stability and  d a m p i n g .  

Page 107: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 107/190

Page 108: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 108/190

84  

Thus, or ny ne nass haracteristic nd onfiguration of he irplane, he amping  ratio £  is unct'jn f  \ p  N (X (CBq  ld, and  v/(-cB(X ). 

8.3.3  Longitudinal Short-Period ead Term, -Za 

Th e a r a m e t e r Z ~a  hich s unction f  C N (X is ongitudinal hort-period lead erm hich affects he ead of he pitch ate q  with espect o he ontrol input Be an d ngle-of-attack s hown y he ransfer unctions 

q(s)  -MSeZa  8 

sz

 2£a)ns o ü *  

x ) m C NaqS\ /  1  s 

m V  

B2

  4«ns co l 

( 1 9 4 a ) 

and  

o(s)  M S .  

S e(s) 2 £o; ns a > *  (194b)  

A s hown n eference 4 , the im e or eak m pli tude f  q du e o  tep nput e - creases ith decreasing  -Z  I f -Z „ . . ua becomes sufficiently  s m a l l i n  comparison  t o 

c t >n  , t h e   r e s p o n s e   t o  a s t e p   i n p u t   c a n   b e   d i s c o n c e r t i n g . t  may  b e  characterized  i n   a tracking t a s k   b y   a n   i n i t i a l i n c r e a s e i n  p i t c h  attitude of   the airplane followed by d w e l l , possibly  w i t h   t h e  airplane aimed a t   t h e   t a r g e t ; b u t , t h e n , w i t h  no  f u r t h e r c o n t r o l i n p u t , t h e r e   w i l l b e   a  subsequent i n c r e a s e i n   t h e   a t t i t u d e . his  t y p e  of behavior m a y  give  t h e  pilot  t h e f e e l i n g   t h a t   t h e  airplane  i s   u n s t a b l e .  

A low  v a l u e  of -Za may  c a u s e   t h e   p i l o t   t o  experience  a  looseness  i n   p i t c h , p i t c h - r a t e  o v e r s h o o t ,  a c k  of c o n t r o l   p r e c i s i o n , a n d  higher c o n t r o l f o r c e s . n  t h e  other h a n d , a  high value of -Za may  c a u s e   a  tendency to  o v e r c o n t r o l , exceed  normal  , a n d ,  n   g e n e r a l , g i v e   t h e   i m p r e s s i o n   t h a t   t h e c o n t r o l i s  t o o   s e n s i t i v e . 

8.3.4 he Dutch Roll Oscillation,  wn 

T h e  Dutch  r o l l  mode of o s c i l l a t i o n , represented b y   t h e following  e q u a t i o n , based on  a n  approximation of  t h e  second equation i n  Equations ( 7 8 ) , i s   a measure of d i r e c t - i o n a l  stiffness 

og  =  N£-L£sina+ N j L

^ /n /3   -JLc-  - "iß 

+ YYClßj 5Sb  ( 195 ) 

Insofar as derivatives a r e   c o n c e r n e d , n/3 and C, ^ a r e  normally  t h e  only derivatives of a n y  consequence i n  defining  t h e frequency of t h i s  mode of o s c i l l a t i o n . f t h e s e t w o   d e r i v a t i v e s , n/3 s  d o m i n a n t . t  should be  noticed t h a t   w h e n   t h e  static d i r e c t - i o n a l stability  i s  z e r o ( Cn^ =   0 ) , t h e r e  i s   s t i l l  s o m e  degree of oscillatory  s t a b i l i t y , providing  t h e  effective  d i h e d r a l i s  positive (Ciß  - and t h e  p r o d u c t  of inertia i s n e g a t i v e , or  v i c e   v e r s a . ome aspects of  t h e  controllability of  t h e  airplane  w h e n jnß  i s  near z e r o   a n d  slightly negative a r e  reported i n  Reference  6 0 . 

Page 109: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 109/190

8 5 

8.3.5  Dutch Roll Damping Coefficient, 2 £ < y 

T h e  Dutch  r o l l   d a m p i n g  coefficient represented b y   t h e following e q u a t i o n , based o n a n  approximation of t h e   f i r s t  equation i n  Equations ( 7 8 ) , gives t h e  measure of t h e dynamic stability o f   t h e  Dutch  r o l l  mode 

2H  «r  -  * / J   - Lp 

( Cnr -   C „ f l ) +   -?£ +   C j _ 

2 V I Z  °r

 aß

  mV  V IX p  q S  ( 1 9 6 ) 

This equation  s h o w s  t h e  interaction of t h e  more dominant derivatives affecting t h e damping  r a t i o . h e  equation  i s  - s o r e accurate than  t h a t   s h o w n  as  Equation ( 1 8 2 ) i n t h a t  i t i n c l u d e s C j 

8.3.6  Dutch roll amping Ratio,  £ 

On t h e  basis of   Equations  ( 1 9 5 ) and  ( 1 9 6 ) , t h e  damping ratio  c a n  be approximated t o a t   l e a s t   t h e   f i r s t   d e g r e e  of  approximation b y 

- %  - Vc ; 

-fe n 

c „ 4 >  mVb  2 V I .  • ] lJ ( q S b ) > 

f-  'Iß) 

( 1 9 7 ) 

T h e  Dutch  r o l l  damping  r a t i o  i s strongly affected b y N£ and No  . n i n c r e a s e  i n   t h e  negative  v a l u e  of N^ o t  only increases  t h e  damping r a t i o ,  , b u t   a l s o improves  t h e  stability of  t h e   s p i r a l   m o d e . ncreasing  T A not only i n c r e a s e s  direct- i o n a l  stiffness  b u t   a l s o   t h e   D u t c h   r o l l  damping  r a t i o , which  may  b e   d e s i r a b l e . Decreasing Ng n c r e a s e s   t h e   b a n k   a n g l e   t h a t  i s   i n d u c e d  b y   a  g i v e n  amount of sideslip  i n  t h e  Dutch 

r o l l   m o t i o n , a  characteristic w h i c h   c o u l d  b e  detrimental t o  maneuvering  c o n t r o l  of t h e a i r p l a n e . n   a d d i t i o n , decreasing Ni ncreases  t h e  amount of  Dutch  r o l l disturbance i n   t h e   r o l l  mode  r e s p o n s e   t o  a   s t e p   a i l e r o n  i n p u t  - a s  reflected i n  the parameter ( o j ^ / a i g )2 o   b e  discussed -   and  c a n  disturb and  nislead t h e  p i l o t . 

8.3.7  Stability Criteria or Aileron-Only Roll Control,  ^Joi  

T h e   r o l l   p a r a m e t e r , t y / < u n , i s   t h e   r o l l  numerator  t o  Dutch r o l l frequency  r a t i o  of < £ / 8e esponse f u n c t i o n . t i s  represented by 

%  _ G - L 

1  T.ITi K ßhL 

i ß n/ 3 

( 1 9 8 ) 

Page 110: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 110/190

86 

The parameter  I s  a   measure of t h e   a m o u n t  by which t h e  Dutch  r o l l  motion  i s  excited when aileron inputs ( r u d d e r   f i x e d ) a r e  made b y   t h e   p i l o t . t   i s  particularly Important  i n the r o l l  tracking   task  i n  w h i c h  the  pilot-airplane combination  c a n  exhibit considerably different lateral-directional oscillatory tendencies t h a n  would be exhibited  by the airplane a l o n e . t  provides a good i n d e x  regarding  the increase or decrease i n  stability of   the airplane during the aileron-alone r o l l  tracking t a s k . 

When  f y / w „  = l , there i s   no   ya w   due to aileron Inputs and there i s  little or no Dutch r o l l  motion  i n  response to aileron  i n p u t . hen 

UJ<\  t h e  pilot-airplane 

combination  i n  an aileron-only tracking  task  w i l l   e x h i b i t   a n  effective damping r a t i o  i n   r o l l  tracking tasks greater t h a n  the  Dutch  r o l l damping  r a t i o . hen 

WV% >  1 . 

the effective damping ratio w i l l  be l e s s  t h a n  the   Dutch r o l l  damping  r a t i o  and   t h e   r o l l 

that results from aileron  i n p u t   i s  augmented by t h e   r o l l   d u e  to  s i d e s l i p ; t h i s  c a n cause stability  problems i n  t h e  r o l l  tracking t a s k , especially when  t h e  Dutch  r o l l damping ratio  i s  small and 4>\/\ß\  i s  l a r g e .  

Equation ( 1 9 8 ) s h o w s  significant interaction of s t a b i l i t y , parameters affecting c^f/co B  h e i n t e r p l a y  of Cns Ciß 

inasmuch  a s  these parameters  may have either plus or  minus  v a l u e s . o r m a l l y , 

c o n t r o l ,  

and  x z 

a n d   i n e r t i a  i s   i m p o r t a n t ,  

ns. and Ciß  a r e   t h e  controlling p a r a m e t e r s ; t h u s , i f  t h e  effective  d i h e d r a l i s  positive ( C { d  <  0 ) , C „5  w i l l  have  t o  be adverse (CBi < ) t c  assure  t y A > n  <   1 nd a stabilizing action during t h e  r o l l  tracking t a s k . 

8.3.8  Dutch Roll Stability Criteria,  \<f>\/\ß\ 

T h e  amplitude  r a t i o 4>\ / \ß\  i s   a  characteristic of t h e  Dutch  r o l l  oscillations and i s   t h u s   i n d e p e n d e n t of a n y  excitations  o f   c o n t r o l i n p u t s . t s  mathematical  r e l a t i o n - s h i p  t o  derivatives  i s   g i v e n  b y 

1 0 1 

1 / 9 1 hi 

i NT'

r/ 2 

-12 1 +  

H  

( 1 9 9 ) 

T h e   c o m p l e x  Interaction of  t h e  derivative parameters makes  i t  difficult  t o  determine p i l o t  sensitivity  t o 0 I / I / 3 I . o w e v e r , i f   t h e  airplane  h a s  high directional  s t i f f -  ness ( f i > n >  l ) , low 0 | / | / Ö | , reasonable >   0 . 1  a n d  adverse  yaw  d u e   t o   a i l e r o n , t h e

 pilot generally does n o t

 bother t o

 coordinate t u r n s

 b y using 

r u d d e r ,  n a s m u c h a s t h e  lateral-directional stiffness keeps sideslip  s m a l l a n d  t h e  low v a l u e  of < £ | / / ? l  

keeps  r o l l   d u e   t o  sideslip s m a l l ( R e f .64 ) . 

If < £ l / l / 3 | s   l a r g e ( o f t h e  order of  4  or m o r e ) , rudder coordination becomes necessary i n   maneuvering t o  keep sideslip s m a l l i n  order  t o  minimize the  r o l l   d u e   t o s i d e s l i p . f t h e  airplane  i s  characterized b y  favorable  yaw  d u e   t o  aileron (CDi >  0 ) as w e l l   a s high values of # | / | / 8 | , t h e  pilot uses a cross-coordination of rudder a n d  aileron controls  ( r i g h t  aileron and  l e f t   r u d d e r ) t o  prevent excessive rolls  i n maneuvers ( R e f .64 ) . t   i s   not difficult  t o  achieve coordination of  c o n t r o l s , p r o - viding t h e  airplane  i s  not excited by  e x t e r n a l  d i s t u r b a n c e s . o w e v e r , because t h i s cross-coordination  i s   u n n a t u r a l , t h e   p i l o t   i s   more  c r i t i c a l  of favorable  yaw d u e   t o aileron ( C ns  0 ) t h a n  adverse  yaw d u e   t o  aileron  ( C „ g  0 ) . 

Page 111: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 111/190

  IM 

8 7 

8.3.9  Roll-Subsidence Root,  1 / T .  

T h e  roll-subsidence  r o o t , / T R  , i s  Influenced  most significantly  b y   t h e  parameters s h o w n i n   t h e following e q u a t i o n , which  i s  based on  t h e  third equation of   Equations ( 7 8 ) 

—~ -  L '  T „  p  K 

= -cj, qSb

2VT 

( 2 0 0 ) 

A s   s h o w n , the  r o l l  subsidence  i s  dominated by t h e  damping-in-roll  d e r i v a t i v e , j 

T h e  roll-subsidence  r o o t  has  a  d i r e c t influence on  t h e  steady-state  r o l l   r a t e   i n response  t o   a  specific aileron  d e f l e c t i o n . hen  t h e   r o o t  i s   l a r g e , t h e  damping  i n   r o l l i s  high and t h e  pilot controls  t h e   b a n k   a n g l e  by commanding and adjusting  r o l l   r a t e . When  i t i s   s m a l l , the pilot controls bank angle b y  commanding and adjusting rolling a c c e l e r a t i o n . 

8.3.10  Spiral-Divergence Root,  1 / T 8 

The spiral-divergence  r o o t , / T g  , i s  affected  primarily by the  parameters shown i n   t h e  following  e q u a t i o n , w h i c h   i s  based  on Equation ( 8 3 ) , 

~  , g  ( i f f i ;  -   L;N^) 

* h  ( 2 0 1 ) 

T h e   s p i r a l  mode  c a n  b e   c o n v e r g e n t , neutrally  s t a b l e , or  d i v e r g e n t . h u s ,  o r   t h e purpose  o f  defining  t h e   s p i r a l stability  b o u n d a r y , t h e  equation  c a n  b e   s h o w n   a s   a s p i r a l stability criterion 

V*r N

/ 3Lr 

o r , a s   a n   a p p r o x i m a t i o n , 

clßcnr  C n ^ J r 

'  spirally onvergent 

=  neutral piral tability 

<  spirally ivergent 

( 2 0 2 ) 

I t   w i l l b e  noticed  t h a t   s p i r a l stability i s dependent upon  t h e interaction of  f o u r d e r i v a t i v e s . ince Cn/ 3 s   normally positive and Cnr nd Cj ^ a r e   normally n e g a t i v e , i t i s  w e l l   t o  have C »r e g a t i v e . nder a n y   c i r c u m s t a n c e , j ^ C n j . hould b e  greater t h a n „ £ C ir o r s p i r a l s t a b i l i t y .  

A divergent  s p i r a l  mode  w i l l r e s u l t i n  t h e  airplane performing  a n increasing  nose- d o w n  and tightening  t u r n  accompanied b y   a n   i n c r e a s e  i n  s p e e d   a n d   l o s s i n  a l t i t u d e .  

8 . 4 light Guidance 

Research vehicles  t h a t i n c o r p o r a t e  new concepts of aerodynamic  c o n f i g u r a t i o n , or 

r e s e a r c h  vehicles designed  f o r   f l i g h t   i n  previously unexplored regions of  f l i g h t ( M a c h a n d   a l t i t u d e ) , usually have  a  considerable  a m o u n t  of wind-tunnel investigations per- formed o n  models  t o   c h e c k   t h e i r   s t a b i l i t y  and c o n t r o l   c h a r a c t e r i s t i c s . espite  t h e 

Page 112: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 112/190

83 

comprehensiveness of  t h e  tunnel t e s t s , t b s r e   w i l l   b e  gaps  i n   t h e  d a t a . n   a d d i t i o n ,  there  i s  normally a c e r t a i n ,  amount of  reserve i n  placing complete confidence  i n  t h e d a t a . s a r e s u l t , t h e   f l i g h t  envelope  i s  built up g r a d u a l l y , using stability and c o n t r o l  maneuvers t o  obtain flight-determined stability and c o n t r o l  derivatives  t o verify wind-tunnel  d a t a . 

Agreement  i n  the comparisons results  i n  a  more rapid  buildup of t h e   f l i g h t   e n v e l o p e ; disagreement involves a slowdown u n t i l  t h e f l i g h t  data  c a n   b e  reduced and cautiously e x t r a p o l a t e d . he most representative values of t h e  stability and c o n t r o l character- i s t i c s  a r e  used  i n  stability criteria a n d  a r e  programed  i n t o  a flight  s i m u l a t o r ,  n 

which the pilot simulates the intended  mission and   emergency conditions  to reduce the amount of r i s k   t h a t  would  otherwise be involved  i n   a c t u a l f l i g h t . h e  simulator normally  uses  t h e  general equations of motion  f o r  a  mathematical  m o d e l . 

When roll-coupling instability became a physical reality with  t h e   l o s s  of s e v e r a l  F-100 a i r p l a n e s ,  considerable effort was expended a t   t h e  NASA Flight Research Center i n   f l i g h t  and simulator studies  of t h e  problem66 '

67. ecause of the complex   nature 

of t h e   m o t i o n s , guidance of t h e f l i g h t  program using analog computations was d e s i r a b l e .  I n   a  r o l l investigation of this  t y p e , a s m a l l  increase  i n  aileron deflection  c a n  pro- d u c e   l a r g e  effects on airplane m o t i o n s . t  has  b e e n  graphically demonstrated o n   s e v e r a l occasions that f l i g h t  guidance  b a s e d  on linear extrapolation of  f l i g h t  data a t   s m a l l a i l e r o n  deflections  c a n  be highly misleading  a n d  d a n g e r o u s . igure  6 6  shows a  repre- sentative comparison of t h e  measured excursions  i n  angle-of-attack  and angle-of-sideslip 

obtained  i n  360°  r o l l s  with  t h o s e  predicted b y  using  flight-determined d e r i v a t i v e s . T h e  good agreement has been demonstrated  i n  most instances  i n   w h i c h flight-determined derivatives have f o r m e d  t h e   b a s i s  of c a l c u l a t i o n s . o n s e q u e n t l y , the use of s u c h guidance  i n   f l i g h t  planning has proved  i n v a l u a b l e . he use of wind-tunnel and theoreti- c a l  derivatives  i n  analog studies has not  b e e n   a s  s u c c e s s f u l .  

9 . CONCLUDING REMARKS 

This paper has attempted  t o   b r i n g  together t h e  various f a c t o r s   t h a t  should b e  known b y  t h e  engineer w h o i s  concerned  with  t h e  determination of stability and  c o n t r o l   c h a r a c - teristics  f r o m f l i g h t  data o r   t h e  use of these flight-determined characteristics  i n handling-qualities  r e s e a r c h .  

T h e  discussions have b e e n  tempered w i t h  practical c o n s i d e r a t i o n s . h e  various f a c t o r s  discussed and t h e  observations  made  a r e   t h e   r e s u l t  of experience i n   working with f l i g h t   d a t a , developing t e c h n i q u e s ,  comparing the data  with p r e d i c t i o n s , and investigating  t h e  causes of  d i s c r e p a n c i e s , 

T h e  theoretical b a c k g r o u n d ,  a p p r o x i m a t i o n s , and limitations of  t h e  mathematical relations employed have been  g i v e n   c a r e f u l   c o n s i d e r a t i o n . h e  problems encountered with  s e v e r a l   o i t h e  more sophisticated techniques have  b e e n  presented w i t h t h e  hope t h a t   a n y  new comprehensive technique that m a y  be proposed  w i l l  take into consideration s o m e  of t h e  practical problems  w i t h instrumentation  a n d  development of   maneuvers  t o properly condition  t h e   f l i g h t  data  f o r  t h e   t e c h n i q u e .  

T h e   p u l s e  m a n e u v e r , properly  e x e c u t e d , has b e e n f o u n d   t o   b e  generally adequate  i n exciting  motions required  f o r  stability-derivative analysis  a s   w e l l a s   f o r  determining t h e  characteristics of t h e  oscillatory modes i f  adequate instrumentation  a n d  alinement a r e   p r o v i d e d .  

Page 113: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 113/190

8 9 

F o r  longitudinal-derivative a n a l y s i s , simple equations utilizing  period  and damping of t h e  oscillatory mode of   the airplang   were s h o w n   t o  be a s  satisfactory  a s  more c o m -  prehensive   m e t h o d s .  

T ^ s  

F or ateral-directional derivative nalysis, he raphical im e-vector method as  shown o e he most atisfactory anual ethod of nalysis.  Simple pproximate methods are useful f pplied ith aution. 

*  

Control effectiveness  c a n  usually b e  obtained b y  relating the peak acceleration  t o 

rapid c o n t r o l i n p u t s . 

onsideration   must be given to aerodynamic contributions  i f reasonable accuracy i s  t o  be  r e a l i z e d . 

Hie analog-matching technique  f o r  determining derivatives  f r o m f l i g h t  data w a s  s h o w n   t o  be a  valuable method of analysis  f o r  use  i n  t h e  absence of data suitable f o r analytical  t e c h n i q u e s . o w e v e r , t h e  analog-matching technique has  limitations  i n   t h a t  data  must be properly conditioned  i n   order to obtain unique  a n s w e r s . he accuracy of t h e  results obtained f r o m  this technique and t h e   e f f e c t  of the type of   maneuver  on  t h e accuracy may  w e l l  provide the  c l u e  t o   w h a t  may be expected  f r o m  sophisticated techniques that may be p r o p o s e d . 

The use  of flight data  to verify wind-tunnel results and theory was discussed  and i l l u s t r a t e d . h e  possible inadequacy of comparisons of  f l i g h t  data with predictions 

f o r  determining aeroelastic effects was   pointed  out and a flight-planning technique explained t o  permit determination of aeroelastic effects  f r o m f l i g h t  data a l o n e .  

Present instrumentation and  methods of analysis a r e  adequate  f o r  extracting  d e r i v a - tives f r o m   f l i g h t  data  f o r  use i n  most flight-guidance simulator studies and detection of characteristics w h i c h  have  not been predicted  i n  t h e  w i n d - t u n n e l .  

REFERENCES 

1 . W r i g h t , John  A Compi la t ion of Aerodynamic Nomenclature nd Axes ys tems . US  Naval Ordnance Laboratory ( W h i t e   O a k , Silver S p r i n g s , M d . ) , NOLR 1 2 4 1 , August  1 9 6 2 . 

2 . razier, .A . et l. 

Elementary M atr ices.  Cambridge university ress , 1938. 

3 . bzug, alcolm .  Kinematics nd Dynamics of Fully-Maneuvering Airplanes. Douglas ircraft Co., Inc. (E l egundo lant), ept. o . E S 6 144 , une 3 ,  1952. 

4 . T h e l a n d e r , J . A .  Aircraft M o t i o n Analysis.  Air Force  F l i g h t  Dynamics L a b o r a t o r y , Wright-Patterson Air F o r c e  B a s e , T e c h . D o c . R e p t . 6 4 - 7 0 , March  1 9 6 5 . 

5 . D u n c a n , W . J .  T h e Principles of he Contro l nd Stability of Aircraft. Cambridge University  P r e s s ,  9 5 2 . 

Page 114: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 114/190

90 

6. idean, dward N . 

7. insker, f.J.6. 

8. ibner, .S . 

9. ibner, erbert . 

1 0 . ibner, .S . 

Flight Measurements of he Dynamic Lateral nd Longi- 

tudinal Stability of he Bell X-5 Research Airplane t 

58.7° Sweepback. N A C A R M 55H 1 0 .  19 5 5 . 

A Note n he Dynamic Stability of Aircraft at Hi gh 

Subsonic Speeds h en Considering Unsteady F l o w .  Report Aero 378 , oyal Aircraft Establishment. & H 904 , British R C , a y 950 . 

Notes n h e Propeller nd Slip-Stream n Relation o 

Stability. N A C A W ar t ime eport 2 5 , 1 9 4 4 . 

F o r m u l a s or Propellers n Yaw nd Charts of h e Side- 

Force Derivative.  N A C A eport 1 9,   19 4 5 . 

Field of Flov A b o u t a Jet nd Effects of Jets onStabiliiy 

of Jet-Propelled Airplanes.  N A C A W ar t ime eport 2 1 3 , 1 9 4 6 . 

1 1 . earce, .P . et . .. 

1 2 . earce, .P . 

1 3 . rueh, .J. Zisfein, .B. 

Analytical Study of Approx imate Longitudinal ransfer 

Functions or  Flexible Airfrcme.  ASD-TDR-62-279  (Contract o. F33(616)-7657), ero. y s t e m s Div., S Air orce y s t e m s o m m a n d , une 962 . 

Topics n Flexible Airplane Dynamics .  Part .  Residual 

Stiffness Effects n Truncated M o d a l Analysis.  ASD-TDR- 63-334 Contract o. F33(657)-8374), ero. y s t e m s Div., O S Air orce y s t e m s o m m a n d , uly 9 63 . 

Numer ica l Approximation Me thod for Flexible Flight ehicle 

Transfer Function Factors.  A SD -TD R -62 -10 63 Contract o. AF33(616)-7906), Aero. y s t e m s Div., S ir orce ys t ems  C o m m a n d , arch 9 63 . 

1 4 . ilne, .D .  Dynamics f h e Deforma b le Aeroplane. 

A R C , e pt e mbe r 9 64 . R &  3 4 5 . British 

1 5 . untley, . 

1 6 . ole, enry . r. et l. 

1 7 . shkenas , Trving . McRuer, um e . 

Th e Longitudinal Response f  Flexible Slender Aircraft 

to Rando* Turbulence. eport ero. 69 1 , oyal Aircraft Establishment, ugust 964 . 

Experimental nd Predicted Longitudinal nd Lateral- 

Directional Response Characteristics of  Large Flexible 

35° Swept-Wing Airplane t n Altitude f 35,000 Feet. 

N A C A eport 3 3 0 ,  1957 . 

Approx imate Airframe ransfer Functions nd Application 

to Single Sensor Control Systems.  Tech. eport 58-82 (ASTIA o. D 5 1 9 2 5 ) , right ir eve lopm ent enter , U S ir orce, une 958. 

Page 115: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 115/190

tn 

2 7 . racey, illiam  

et l. 

2 8. earson, lbin . B r o m , arold . 

2 9. racey, illiam  

Scheithauer, lwood . 

Wind-Tunnel Investigation of  Number of Total Pressure 

Tubes t High Angles-of-Attack. Supersonic Speeds. N A C A N 2 6 1 ,  19 5 1 . 

Calibr itio n of  C ombi ne d Pitot-Static ub e nd Vane- 

Type F l o w Angularity Indicator at ransonic Speeds nd  

at Large Angles-of-Attack or Yaw.  N A C A M 52 P 2 4 , 1952 . 

Flight Investigation at Large Angles-of-Attack of he 

Static-Pressure Errors of  Service Pitot-Static Tube 

Hav ing a Modified Orifice Configuration.  N A C A N 159 , 1 9 5 4 . 

1 8. urner, oward . 

1 9. otess, harles . W oodward, laude .  

2 0 . oodward, laude . 

2 1 . ole, enry . r. Bennion, rancis . 

9 1 

Measn>-e<iient of he M ome n ts of Inertia of an Airplane y  

A Simplified M e t h o d . NACA  TN 2 2 0 1 ,  9 5 0 . 

An Investigation of h e Experimental Determination of Aircraft Inertia Characteristics. e c h . R e p t . 5 3 - 2 0 7 , Wright Air Development  D i v i s i o n ,  US  Air F o r c e , July  1 9 5 3 . 

Handbook of Instructions or Experimentally Determining 

th e Moments of Inertia nd Product of Inertia of Aircraft 

by h e Spring Oscillation Me thod .  T e c h . R e p t . 55-415 

( A S T I A   N o . AD 9 7 1 0 4 ) , Wright Air development C e n t e r , US Air F o r c e , June  1 9 5 5 . 

Measurement of h e Longitudinal Moment of Inertia of Flexible Airplane. NACA TN 3 8 7 0 ,  9 5 1 . S u p e r s e d e s R M A 5 5 J 2 1 ) .  

2 2 . B o u c h e r , Robert  W .  et a l . 

2 3 . M a l v e s t u t o , Frank S . G a l e , Lawrence  J . 

2 4 . B r u n n , Cyril D . S t i l l w e l l , Wendell H . 

2 5 . Z a l o v c i k , John A . 

2 6 . G r a c e y , William e t   a l . 

A Me thod for M ea sur ing h e Product of Inertia nd he 

Inclination of h e Principal Longitudinal Axis of Inertia 

of n Airplane.  NACA TN 3 0 8 4 ,  9 5 4 . 

J r . o rmulas or Additional Ma ss Corrections o h e M ome n ts 

of Inertia of Airplanes.  NACA  T N   1 1 8 7 ,  9 4 7 . 

Mach Number Measurements nd Calibration During Flight 

at Hi gh Speeds nd at High Altitudes Including Data or 

th e D-558-II Research Airplane.  NACA  RM  H 5 5 J 1 8 , 1 9 5 6 . 

A Radar M e t h o d of Calibrating Airspeed Installations n 

Airplane n M ane uve rs t High Altitudes nd at Transonic 

and Supersonic Speeds.  NACA  TN  1 9 7 9 , 1 9 4 9 .  

Wind-Tunnel Investigation of  Number of Total Pressure 

Tubes t High Angles-of-Attack. ubsonic Speeds. ACA TN  2 3 3 1 ,  9 5 1 . Supersedes   NACA  RM  L 5 0 G 1 9 . ) 

3 0 . eeler, e . 

et al. 

Flight echniques or Determining Airplane Drag at High  

Mach Numbers .  N A C A N 821 ,  1956 . 

Page 116: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 116/190

92  

3 1 . ischel, a ck  Webb, annie . 

Flight-Informational Sensors, Display, nd Space Control 

of h e X-15 Airplane or Atmospheric m i Near-Space Flight 

Missions. N A C A N - 24 07 ,  1964 . 

3 2 . lldhack, .A.  Pressure Drop n Tubing n Aircraft Instrument Installa- tions .  N A C A N 93 .  19 37 . 

3 3 . llen, . ulian Perkins, dward . 

A Study of Effects of Viscosity n F l o w O v e r Slender 

inclined Bodies of Revolution. N A C A eport 048 , 19 5 1 . (Supersedes A C A N 044.) 

3 4 . inclair, rchibald .  Mace , illiam .  

3 5 . a ggy . a u l . 

3 6 . auert, . 

Wind-Tunnel Calibration of  Combined Pitot-Static ub e an d Vane-Type Flow-Angularity Indicator t Mach Numbers 

of 1.61 nd 2.01.  N A C A N 808,  1 9 5 6 . 

A M e t h o d for Predicting he Upwash Angles Induced at he 

Propeller Plane of  C o m b i n a t i o n of Bodies with n Unswept 

fl ing.  N A C A N 528,  19 5 1 . 

Th e Elements of Aerofoil nd Airscrew T h e o r y . 

University Press, 1947 Reprinted 948). Cambridge 

3 7 . R o g a l l o , Vernon  L . 

3 8 . W o l o w i c z , Chester  H . G o s s e t t , Terrence D . 

Effects of Wing Sweep n he Upwash at he Propeller 

Planes f Multiengine Airplanes.  NACA TN 2 7 9 5 , 1 9 5 2 . 

Operational nd Per fo rma nce Characteristics of h e X - 1 5 

Spherical, ypersonic Flow-Direction Sensor. NACA T N D - 3 0 7 0 ,  9 6 5 . 

3 9 . M u z z e y , C . L .  K i d d , E . A . 

Measurement nd Interpretation of Flight Test Data or 

Dynamic Stability and Control.  Report  N o . C A L - 6 0 , Cornell Aeronautical  L a b o r a t o r y , April  9 ,  9 5 4 . 

4 0 . S e c k e l , Edward  Systematic Errors.  V o l . I V , P a r t  IV  A , A G A R D Flight 

Test Manual ,  North Atlantic Treaty O r g a n i z a t i o n ,  9 6 3  ( r e v . ) . 

4 1 . W o l o w i c z , Chester  H . 

4 2 . Y a n c e y , Roxanah  B .  e t   a l . 

4 3 . W o l o w i c z , Chester  H . 

4 4 . Doetsch, .H . 

Time-Vector Determined Lateral-Derivatives of  Swept- 

Wing Fighter-Type

 Airplane with 

Three Different

 

ertical Tails t Mach Numbers Between 0.70 nd 1.48.  N A C A M  

H56C20,  19 5 6 . 

Aerodynamic-Derivative Characteristics f h e X-15 Research 

Airplane s Determined f rom Flight Tests or Mach Numbers 

f rom 0.6 o 3.4.  N A S A N - 1 0 6 0 .  19 62 . 

Effects f Jet Exhausts n Flight-Determined Longitudinal 

an d Lateral Dynamic Stability Characteristics of h e 

Douglas D-558-II Research Airplane.  N A S A M 57G09,  1957 . 

Th e im e ector Me thod or Stability Investigations. 

Report ero 495 , oyal Aircraft Establishment, ugust 

1 9 5 3 . 

Page 117: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 117/190

-

9 3 

4 5 . B r e u h a u s , Waldemar 0 . 

4 6 . S t e r n f i e l d , L . 

4 7 . W o l o w i c z , Chester H . 

4 8. owin, orman . 

4 9. hinbrot, arvin 

5 0 . reenberg, arry 

51 . riplett, illiam . et l. 

5 2 . onegan, a m e s J. et l. 

53 . l awans , ernard . W hite , a ck . 

54 . chumacher , loyd . 

55 . ggleston, oh n . 

Mathews, Charle s . 

56 .  Rampy, oh n . 

Berry, onald . 

Resume of h e im e ector M e t h o d s Means or Analyzing 

Aircraft Stability Problems.  Tech. eport 2 - 29 9 Contract N o . A P 3 3 ( 0 3 8 ) - 2 0 65 9 , R D O o. 461-1-2), W right Air Develop- me nt Center , S ir orce, ovember 952. 

A Vector M e t h o d Approach o he Analysis of h e Dynamic 

Lateral Stability of Aircraft. Journa l of he ero- nautical Sciences, Vol.21. pril 954, p.251-256. 

Time-Vector Determined Lateral Derivatives of  Swept- 

Wing Fighter-Type Airplane ith Three Different ertical 

Tails t Mach Numbers Between 0.70 nd 1.48.  N A C A M  

K56C20,  19 56 . 

Lateral Stability Investigation of n  -100A Airplane. 

Tech. Rept . 5 7 - 5 63 ASTIA o. D 3 1 0 5 2 ) , W right ir  Deve lopm ent Center , S ir orce, ovember 957. 

O n h e Analysis f Linear nd Nonlinear Dynamica l Systems 

Fr om Transient-Response Data.  N A C A N 288,  1954 . 

A Survey of M e t h o d s or Determining Stability Parameters of n Airplane  ro m Dynamic Flight M easurement s.  N A C A  

T N 3 4 0 ,  1 9 5 1 . 

Th e Dynamic-Response Characteristics f  35° wept-Wing  Airplane s Determined Fr om Flight Meauurements .  N A C A  

Report 2 5 0 ,  19 55 . 

Determination of Lateral-Stability Derivatives nd Transfer- 

Function Coefficients ro m Frequency -Response Data or 

Lateral Motions.  N A C A eport 2 2 5 , 1955 .  (Supersedes 

N A C A N 083.) 

A Method Utilizing Data n 

h e Spiral, oll-Subsidence, an d Dutch Roll Mode s or Determining Lateral Stability 

Derivatives ro m Flight M easurem ents .  N A C A N 0 6 6 ,  19 57 . 

A M e t h o d or Evaluating Aircraft Stability Parameters Fr om Flight Test Data. ech. ept. 2-71, right ir  Deve lopm ent Center , S ir orce, une 952. 

Application of Several Methods or Determining Transfer 

Functions nd Frequency Response f Aircraft ro m Flight 

Data.  N A C A eport 2 0 4 ,  19 54 . 

Determination of Stability Derivatives ro m Flight est 

Data 

y Means 

f High Speed Repetitive Operation Analog  M atch ing .  FTC-TDR-64-8, S ir orce Flight Test enter,  M a y 9 64 . 

Page 118: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 118/190

94  

5 7 . shkenas , Irving . McRuer, uane . 

58. adoff. elvin 

5 9. reer. rent . et l. 

60. aylor, awrence . r. Day, ichard . 

Approx imate Airfraue ransfer Functions nd Applications 

to Single Sensor Control Systems. Tech. ept. 58-82  (ASTIA N o. D 5 1 0 2 5 ) , right ir eve lopment Center, O S Air orce, une 958. 

Th e Effects of Longituiinal Control-System Dynamics n 

Pilot Opinion nd Re  speise Characteristics s Determined 

f r om Flight Tests nd f rom Ground Simulator Studies. 

N A S A E M O 0 -1 -58A .  1958. 

A Pilot Opinion Study of Lateral Control Requirements or 

Fighter-Type Aircraft.  N A S A E M O -29-59A,  1959. 

Flight Controllability Limits nd Related Human Transfer 

Functions s Determined ro m Simulator nd Flight Tests. 

N A S A N -746 ,  19 61 . 

6 1 . shkenas , rving . McRuer, uane . 

Th e Determination of Lateral Handling Quality Requirements 

f rom Airframe-Human Pilot System Studies.  Tech. Rept. 5 9 - 1 3 5 , right ir eve lopment Center, S ir orce, une  1959. 

6 2 . J e x , H e n r y .  C r o m w e l l , Charles H . 

Theoretical nd Experimental Investigation of Some New  

I I I ongitudinal Handl ing Qualities Parameters.  T e c h . R e p t . A S D - T R - 6 1 - 2 6 , Wright-Patterson Air Force B a s e , US   Air 

F o r c e , June  1 9 6 2 . 

6 3 . A s h k e n a s , I . L . M c R u e r , D .   T . 

A Theor y of Handl ing Qualities Derived ro m Pilot-Vehicle 

System Considerations.  Aerospace  E n g i n e e r i n g ,  Vol.21 . , p p . 6 0 , 6 1 , 8 3 - 1 0 2 , F e b r u a r y 1 9 6 2 . 

6 4 . ewell, F .D .  Criteria or Acceptable Representation of Airplane Dynamic 

Responses n Simulators Used or Pilot raining.  Tech. Rept. A V T R A D E V C E N 1 4 6 - 1 , S aval raining Device

Center Port W ashington, Y ) ctober 9 62 . 

6 5 . D u r a n d , T . S . J e x , H . R . 

Handl ing Qualities n Single-Loop Roll Tracking Tasks: 

Theor y nd Simulator Experiments.  T e c h . D o c . Report A S D - T D R - 6 2 - 5 0 5 ,  Wright-Patterson A i r   F o r c e   B a s e , US Air  F o r c e , November  1 9 6 2 . 

6 6 . W e i l , Joseph D a y , Richard E . 

6 7 . W e i l , Joseph 

An Ana log Study of he Relative mpor tance f Va r i ous 

Factors Affecting Roll Coupling.  N A C A M 56A06 ,  19 5 6 . 

Application of Analytical echniques o Flight Evaluations 

in Critical Control Areas. A G A R D eport 6 9,  1 9 6 1 . 

Page 119: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 119/190

9 5 

TABLE I 

Transfonwtion of   Derivatives froa Stability  t o  Body Axis 

c«a   =   C Laos a + oasin a + Cc

C ca =   C oaos  a - Lasin a - N  

C«a =   (C.a8 

cnß   =   ( C n y j ) a coa  a + Cj^s sin a  

Cnr =   ( C n r)a co s2 a + Cip)B sin2 a +   ( C n p Cir)8snacosa 

CDß   =   (Cny§)sCosa+ C )8Bina  

S =   ( C n p)s cos2 a - Cjr)8 sin2 a -  ( C nr - Cj 8snacosa 

C»S  =   ( C n8)8cosa + Cij)8sna  

C lß   =   (Ci^scosa- C n^ )Bsna 

ch  =   (Cir8 cos2 a - C n p)8 s in2 a -  ( C nr - Cip)8sinacosa 

clß  =   (Ci^)8cosa- C n/8)ssna 

Ch 

=   (Cip)8 co s2 a + C nr)8 sin

2 a -  (° np C ir8snacosa 

Cl|  =   (Cls)s co s a - C n s)8 sin a  

Page 120: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 120/190

9 6 

TABLE II 

Transformation of   Derivatives  f r o «  Body  t o  Stability Axis 

CL« =  C ((acos a - Ccasin a - Cp 

cD a  =  CCacc8 a + N( Xsin a + L 

<*«>s  =  C-a 

(cn s =  C^„cosa - Cj„sin a 

(C nrs  =  Cnrcos2 a + C jpsin

2 a - C jr- Ca sin a cos  a 

(Cn^s  =  Cnä cos a - C l ö sin a 

«Vs  = 

Chp cos

2

 a - C jrsin

2

 a + CDr - C/p ) sin a cos a 

(Cnj)s  r C Dj cos a - zssin a 

(Clß)B =  C iß  cos a + C nä  sin a 

«Vs  =  C jrcos2 a - Cnß  sin

2 a  CDr - C jp sinacos a 

(Clß)s  =  Cj^cosa + n/gSin a 

<% U   =  C /p cos2 a + nrsin

2 a + C [r+ n sin a cos a 

(Cjj)s  =  Cjj cos a + n$ sin a 

Page 121: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 121/190

9 7 

TABLE III 

Transformation   of   Noaents  of  Inertia  f r o «   One Axis Systen to   Another 

B o d y o  Stability 

xx.  = d z) idz - x) cos 2a - xz sin 2a 

«t.  = ly  

Jz.  = dx z) idz - t) cos 2 a + xz sin 2a 

I»szs  =  t dx ~ z) sin 2a + xz cos 2a 

Stability o B o d y  

Ix   =  ±(Ix8 z8)  - idz8  - l8 cos 2a + X8Zg  sin 2a 

ly  = y. 

Iz  = dz8  x8)  + idz8  - Xs cos 2a -  Ixs2s sin 2 a  

Ixz  =  Ix8z8COB2a  - idx8 -  I- sin 2a 

Principal  ^ o Sto6 :Zity 

l*B  =  idxo  + W-idzo-Ix0)  cos 2 7 7  

* y» lyo 

Izs  =   idxo  + z0)  + idz0 Ix0)  cos 2 7 7  

IisZs  =  idx0  - Z0)sin2i7 

Stability  to Principal 

^o  =   i<ix8  +  w  - idz8 - W cos 2 ? 7 +  Ix8z8  sin 2T ; 

ho  = h3 lz0  =   ittx8 + z8)  + idz8 -  X8> 

CO S 27 ? - Ixaz8 sin 2 7 7  

Ixozo  =  0   =   Ix8zscos 2 ) 7 - i(rX8-IZg) in 2 7 7  

(Continued) 

Page 122: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 122/190

98 

Principal o Body 

I*  =   idxo W  - idzo -  Ixo) O S  2€ 

h   =   ly o 

h  =   idio z0)  + idzo -  IXo) cos 2 e  

Ix z  =   -idx0-i 0) Bin 2e  

Body o Principal 

xo   =   idx z) -  idz - x)   C O S  2 6 - xzsin 2 e  

h o   =   h 

Iz0  =   idi z) idz - x)  cos2e xz sin2e 

JXoZo -0  =   Ixz cos 2e  (IX - Iz) sin 2 e  

Page 123: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 123/190

99  

«M  A i & 

* r  to 

+  W  /- ^  ^v  * ^ * /- »  Al >  + 

&  A  o / - »  A a| N m  

I «H m  a si«; •Ö 

in m  

Ö

5 m  

«H  |  U

09 •«a. 

* - * U

CM  in

8 sir;  1  1 

09 

1  CO  1  CO 

r- 4  o e 09  

1   60  | «O 

1 >  § 

+ x> | > hi  M 

ft r o 

+ A |>

+  +  - e -  8 h.  09  

O

be  hi CO X

 CQJN  %   X>1>a; C M   5  +  8 

I  II s~*  &

(3 N  t?  a 

9 09 hi  a  hi 

+ U m   M   U +  +  +  o  09 i  3 

+  I« >  + 9

+  - e -  a <M  o 

§ -H e 

1   1  4 5  h .   1  M hi -4 

£l& •«a 

OD  8  + 

a 09 er 

i <* 

II + 

u +  0° 11 

x->•>  

00 o ü

-P  lo >  +  o +  II  ii  li J A  < S   Ol IN   X) |>  3 s  n  ft  a M  1 • ° l>  •<t5   •-6-  -9- 3  Cfc   z  a  hi  | M 

I  < = a  a)  o 6  < - ^  + 

Oil 

+ II  hi 

1   a •H > 

be  CO Nin 

+  1   Ü  | 

E  (3 •H 09 i u 

> N

n >  CO 

1-t 

+ er 9 

ft 1  CO   1 

CO   9

II   a +  II   I O

m  in

  tf  IÜ a h,  h> 

SO  < 

1 rH  |  M

a 09 be + 

•* 

II 0,° 

w 1 8  IS 

•« u U + 

lot > 

II 9

ft" 

"35 e •H » 1 

M

1  

+  

a 8 M

1  a 

a i-i 09 

09 8 -9- 

a i-i 09 

1 e- 09 8 

u  »1 « M  S   * - * 

C M   hi  09  -6 - ö 05 O O 

o a o 0 

§ * > o 

>  

+ •3 

a o o

+ %  

+ •hi •

NM M 

al 

Nu 

N MM 

•a N MM I 

1 II 

09 8 

•<t) n  

09 8 -9- 

ii «0  >  C   > — -  1  h.  a <y  hi 

0 • * *  ^  

&  hi  g  < £ . X  II  •44  II 

9

< 0  * - *   a ^ •* |9  k

M   C o 

e 0  M 

H H   < 0 

e   •  -»  al  '» 4  O  44  I   •p*

c S  •J  44 8 3 

|  IP  | | 

a NM  N  

M  1 ».  44 a i 

£  t

II  fcj  ^ s-'  v^  C  

0 •tj [;  44  +  +  > * - , u  O   K  c 0 «-4  §  M 

D  8  •Ö M  •hi 

N g £  -J £  ft 

*M M IH  Ä 

Page 124: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 124/190

1 0 0  

a ?   8  £  8  s  o 8  S  5  Ä   5  Ü

I  s IN

la J U.  £  

1  I  3  

•H M 

«H M 

Qi • *   I  < < Ib   « H <  a - e -  C O  (0  to 8  + 

< ts 3

00 3  < 6A  I +  a w  < <  3

i\  l\ 

as  <  5 

O S  

i I 

•a  i 

K  

c  L. 

Page 125: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 125/190

fm 

1 01  

m  ja  o C N N to o o  a S   Ä o 

CO   CO   CO  to  CO   to  4

to  4 to 

IX o i e 00 s H

  W a 

<l 

Ed c a 

§ 2 I- 5 u  2 , 

* e £ E  

99  

IN  IX IJ 12 

a IX 

i  IN

I m  I 

IN . % 

00 cv  1 Ml 

(0  c +  0 1« rt  IN

1 B

+ 03 

10  09 

Ö to 8 

'«a ,< 

to

t  - e - < 

bf i +  IJ

a IZ 

1  • « - c  03  go 

03  ~H o 03  M 5

 09 

1 03  03 

1 05 a ft

m  € M 

> -*  

03  00 o o > 

OS II  II 

CM

1  +  IZ  b o  CA t<   10  1 09  - M 

03 * ^ 03 

03 

M*^ 03 

IX i 

03  

IN +  IS 

I l|H  «9.  

IJTI 

«5 . 

e  o 

i u 

a k. 

o C D  

Page 126: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 126/190

1 02  

T A B L E II  

Des irable Characteristics of nstrum ents or Free-Oscillation Maneuver 

.   I 

Function  Ra ng e 

Sensitivity (per nch  

deflection) 

Undamped 

natural 

frequency c/s) 

Damping 

ratio 

a  deg  ± 1 0  5 . 0  8 ov  more  0.65 

ß deg  ± 1 0  4 . 0  8  or  more  0.65 

q   , radian/sec  ±0.2  0 . 2  8  or   more  0.65 

q   , radian/sec2 

±0.5  0 . 5  8  or more  0 . 6 5 

r   , radian/sec  ±0.1  0 . 1  8 or   more  0.65 

f   , radian/sec2  ±0.4  0 . 4  8  or   more  0.65 

p  , radian/sec  . ±0.2 

±0.6 

0 . 2 , rudder pulses 

0 . 6 , aileron pulses 

8  or   more 

8  or more 

0.65 

0.65 

p , radian/sec2  • ±0.6 

±6.0 

0 . 6 , rudder pulses 

6 . 0 , aileron pulses 

8   o r  more 

8  or   more 

0.65 

0.65 

an  , g  units  ± 1  1 . 0  8   o r  more  0.65 

a t  , g  units  i 

±0.3 

±0.6 

0 . 3 , rudder pulses 

0 . 6 , aileron pulses 

8  or   more 

8  or   more 

0.65 

0.65 

Page 127: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 127/190

1 0 3 

TABLE VIII 

Format used b y  NASA Flight Research Center  t o  Record A c t u a l  Conditions a t  Tine o f  Maneuver 

Trace  Instrument Not, frea 

I».SO  

10,SO  

Oom t-rafio  St«i» gcfrri Fir*, o. ' 19 6 .MIO  

10 3o  

Wt  V/9- vane ocation 

•  T * l i r i &o r accelerometer ocat ion

X »-  •»y 

l##flMt#fK ««.-M* ft 

M fps 

Dynamit 

preuvro, 

3 w» ;9ht, 

ft 

a C.6.,  «*,« 

W  P 

/Ö Demit/ 1, 

«*<• /7  44,330 0.743T  723  /«2  7?,8,?o  2g.7  a23-»  .••*f7J 

Trace   Jnsfrur n«n<   Scale factors A«, to-o  D am o . ratio  Fit*. 0 -*   Fit's. 

a  /o.r  .U ICC 

n_  J2.0  .cs-  €,n 

--£"  n.*t a  *  7  

Airplane 

Configuration 

Page 128: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 128/190

r~  1 0 4  

TABLE X  

Airplane  I I Altitude, 

ft a, 

efeg 

Reference Cng  (Eq.(6.53)) 

Cg a er adian 

Equation 6 ~54 )  Equation 6-56) 

F-104 

YP-102 

0.94 

0.74 

41,000 

40,000 

4.9 

6.6 

0.46 

0.054 

0.46 

0.043 

0.57 

0.106 

TABLE 

a/U/h  15/0.8/60  3,5/0.8/40  6.6/1.2/60  14/1.6/80  10/2.0/80  5/2.0/80 

Analog value 

of  C iß

-0.084  -0.021  -0.032  -0.074  -0.0164  -0.0034 

Analog value of  Caß 

Equation 166) 

Equation 175) 

0.259 

0.286 

0.278 

0.641 

0.661 

0.679 

0.640 

0.6o3 

0.674 

0.367 

0.360 

0.383 

0.445 

0.434 

0.451 

0.508 

0.498 

0.504 

TABLE I 

a /M/h*   15/0.8/60 3.5/1.0/40 18/1.2/80 6.6/1.2/80 14/2.0/80 10/2.0/80 5/2.0/80 

Analog value 

of (Cn,.- ) -1.58  -1.734  -1.71  -1.92  -2.09  -2.55  -2.58 

Equation 

(184) 

Equation 

(183) 

-2.50 

-4.22 

-1.43 

-1.647 

-2.96 

-4.69 

-1.81 

-2.36 

-4.77 

-8.46 

-2.76 

-4.41 

-2.66 

-4.39 

b  ltitude/1000 

Page 129: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 129/190

"*—JL 

1 0 5  

Page 130: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 130/190

 

1 0 6  

01 

u ) a> 4 

u I 

.-H «9 9 *> e s a aC O  

CO  a   »  > § a s o 

„ Ul  •a  -£ • B  00 

•rH  T**  T3 

(0 9 

r- T K OS   OS  a 1 

K ü & - 

(4 o, 5 -3 - 

l » 4  § 43  p

« 3.-1  O iH CO   UXI  a J3 0)  O J  -P

+ > +J in  1»  

5 ?  •& K l 5 Q> 

s  <H  o 

a >  a a 

•«H  o 43  60 c o O a Ao •H S  •P 8)  o £ n o  

Page 131: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 131/190

 M 1  

107  

•e 

« a  9  

g-e. - a *s

ä H M l 

a t   iv 9   a  

9 I O I8 VI o a - 9  § 

I H 

Page 132: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 132/190

 i-- - 

1 0 8 

( a ) Euler angle perturbation referred  t o   t h e  z , . asic reference  f r a m e 

( b ) Euler  a n g l e  perturbation referred t o t,^,^^ xes serving as a secondary  s p a t i a l reference 

e ' i g .   4  Several methods of considering Euler  a n g l e  perturbations 

Page 133: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 133/190

  - -~- * Mi 

I  

i  1  

109 

Pig. 5  Relation f  p  nd r  about ody xes nd uler ngle ates  /< 

an d  4 >  

Page 134: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 134/190

1 1 0  

Ctn ta r of gravi ty 

W « .6   Pertinent elationships f otating ..... 

Pig . 7  A n xaaple f in nfluence f ranges f isturbances uc h s  (Aß) l and 

(äß)2  on he alue of a erivative  

Page 135: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 135/190

Ill 

2

Fig .8  Effect f t ime a g of m odification f ortex low bout ifting urface n he  change n  C N following nitial nstant hange n  a  

<p upwaih u* o w i n g . tc . 

/

Fig.9  Direct propulsive effects of propeller 

Page 136: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 136/190

1 1 2  

~w  "" 

£p  pwath t ir nra l t« 

Pig. 10  Direct ropulsive ffects f jet ngine  

F i g . 1 1   J e t - e x h a us t nflow ffect n orizontal ail  

Page 137: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 137/190

= - >Mt 

1 1 3  

at 

o I u a )  

g  

§ iH 

E  

ft . 

Page 138: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 138/190

1 1 4  

a) •   -I 

1  I  

s °sS3 

+»  >> ol -P -H •H -( ►   •* &a  

o i 

O i2 gB

i-H e s 5 •H +i h 

c o 

a >  u

I-H  

M •H b 

Page 139: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 139/190

0777777X77777777777777777777777777777777777777777777707777777?  Fig . 1 4  Determination f itching m o m e n t f nertia 

Airpiarw li 

ring pnngi 

(a ) e st etup  

1 1 5  

(b) ector esolution 

Fig . 15  Determination f nclination f rincipal xis nd yawing o m e n t f nertia 

Page 140: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 140/190

•  »« —  I  : . _  r V  ' '<   » ¥  'l*»MWW  T  

1 1 1 6 

P i g .   1 6  Photograph showing a g e n e r a l  arrangement  f o r  determining Inclination of principal axis and   yawing  moment of  i n e r t i a . prings attached  t o 

mounting brackets located below wings 

Ampl i tude rat io, 

lApl I Ä 7 T  

.04  -.02 02 04 Tangent f estoring pring ngl», an 5  .06 

«P  .08 

Pig . 1 7   Amplitude atio  |Ap|/|Arl  a s unction f pring estoring ngle  

Page 141: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 141/190

  '  » '««1 ■   « -  ■   .  < . '   '  »' — f ^ ^ w « » B J »n iqri.m»i  i> vjp 

1 1 7 

■ 

.. . >• 

SO

 W

0,096 ^

1—0.04» 

dj " X JL  . . 872 LX]  T  ü  ♦ t40 

View A-A •  0.043-inch-diam*.«. rifice e 0.052-inch-diam«.«. rific* 

f  U.U9Ö 

0096  0.096 0.640 

View -B Fig.18  Details of total-pressure chamber  and static-pressure  o r i f i c e s . eproduced 

f r o m  Reference  2 4 

Page 142: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 142/190

- sqa - ac:  -   ...   . ..  -  

1 1 8 

H)  

01 XI 

•a  c 0* 

Oat 

at 

0) 3 

°5 e o ) •H 9 a) i-l H CO 

+ >  09 O 6 >  

a) O 

I o E  

Page 143: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 143/190

wr-  in   P   ipPfW^   M -T»:VTT

Fig.20  Effect f atio of oom ength o uselage i a m e t e r n Mach umber rror. Reproduced rom Reference 0  

AM 

■ 

¥ 

119 

.1 2 

.03 

4M  

.04 -

0 -

..04 

\Subsonic   V V 

Superson ic 

1   1 .8 .2 Soon Ungth 

Futclage iow#l»r 

1 ,6  2.0 

F i g .   2 1  Variation of   Mach number error w i t h  Mach n u m b e r . eproduced  f r o m  Reference  3 0 

Page 144: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 144/190

120  

w~~ 

-   • 

M »ru«)  1 .0 - 

Pig . 22   A ypical alibration urve or eterm ination f true M a c h umber 

Page 145: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 145/190

IM*». . .«-   I .*«-  .i" J i ^m<   m  la-fi«  '"P 1.

1» mmtmmmgmm • BS ^"^ —  - -— -  «. .  »   — 

• • # • • • 

1 21  

A .5 

.1   .40 -

0  .36 

A 4 

3   1 .2 

T 1 . 1 — 

( a ) Variation of 5/PT i t h  Mach number 

( b ) Variation of {/ a i t h  Mach number 

P i g .   2 3  Determination of  d y n a m i c  pressure f r o m  t o t a l  pressure 

Page 146: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 146/190

^^r=  -yr- ~-- 

1 2 2  

o

0) 

42 

P

c o 

o a 

o 4J e  5 

iH 

I  

Page 147: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 147/190

«wmnp« »■     -w-  '" -«ipy«  B i uB  ■ »     " 

1 2 3  

x o E- O 

te«J 

* « . II *

o Xa  ii 6  > a 

J- 

l  1   1 

m e t 

0) 00 o c a >  A 

+J oe o 

§ 0) k >  o *H c 

O J J3  u  «1  VO S   «H * 0> a c m  3

  H R  c ll<M « 

* » •o C «J f l >  o I - ;? u   o 3 u  09  a,  01 « £  a j< 03 o TJ 03  4) t-> 0) Pa0J  0

<M  * o o 

1   rH

Vl-l +J 

b o 01 i 0J e 9 o 1—1 

* M  05 

4->  3O <M 0) <M  •o 

s >-H   B 

8 o 5 •P 

4) u s £ m N

M•H

h. 

• I " 

Page 148: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 148/190

—~- —-«iMÄ-- 

1 24  

# «•»  & - " ^  w  © 0  .*  w  e ^ V

N >  « 

0 w  1  e 

M 0 V 1  

0  e 1  0 ^ » # H 

>  a  X 

* si 

* >  pe s i 

c •H o c 

3

X3 + >  

OS  ai p

O < s >  u c » 

Page 149: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 149/190

-  ~-—— —    n wm  p uw MI  « ■  » .nTB i w m m N mpiipyi   ^* l <J. *^mm : WWT ~ ~ ~r•

' . 

1 25  

X

*

^

x* X 

s r  

»6 » 

ill 

II  17 \4 

o I « 

4) 5 o 

+ >  CO 

'S  s u  •P at 

Ad o s I 

0 >   « 

• a s P H o 0 ) 

t: 

h 5 I S  

Page 150: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 150/190

-v~ —

1 26  

§ ü«8 

aJ  > >  O 

§ 8 P

B t O 

\ -

O S Q > H M Ox o  

»   c   O 

B  <-H a >   o B O •H   O Ü 

• o  I m  o 

g  

I O 

bi H 

Page 151: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 151/190

1 27  

« 

® 1-1 

$ «HÜo r-l 0) > I 

u m  

s s o 

It U 

a) 

8 bi 

Page 152: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 152/190

— «r u -— -.- sr 

r

1 28 

: m  

bo  a iHa § o 

§ i a  

0)  Q 

OJ  

'   '' ''-   .' "'b-^^'vi,': " 

Page 153: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 153/190

~  - 1 

—• . . n' U 

Fig.30  Influence of interference angular velocity ( " q "   r a t e ) about spin reference a x i s  of  a  sensitive  r a t e g y r o 

v  

'■

400 

300 -

200 -

Percentage rror 

1 00 -

1 2 9 

-100 

-  ] ,

• 

Page 154: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 154/190

 -- 

130 

<£ c  ^ .  5  ?  i  w  

m  o w   ?  

G  

•S  V •£  M  ^t: 

m  0 w  

0 w  

« >   « •   -  'm   i 

M

0 sF   . 5  

M c «T   c  M  0 

w  0 

+   «1 

C  ?  c 

O  V 

M  d M  

0 _ c   « I   M  _ c   M 

0 w  

w  •*  «"   w  « s  < © "  

0 w  

- a - « *  0 w  

c w  

" a  

0 w  1» 

«•  e 

" 5 

M  0 * ~  

• _>  3  

«S I  a  "a   ♦  +   "a   +   +  ii  II   II   ii  

4« o a  V i~  Z 

.0 X 

k

0h f a •  S"  9T  S P  0» c  < £ " qf  tf c 3  • S T * -S * 0

€ e • E  3 a 

tT   •> 

w  

2 a UO £ 

(4 

09  

§ Ua) 

s  eo  

b o  

Page 155: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 155/190

_

 

13 1 

+  \\ • 

«• l l - «•»1« 

+  • S I -  •si- + 

+ • s | » 

f e" 

0  e  0 II  ii  II X 0  o "  c 

VI o I » s o V 

< 0   +J 

8 •H 

2 ° w ?  

8 0)   00 

u a 

•P o u  u  

• • • 

u  o m  a o i-i

•p at 

Ed 

C O  b O  

a "a 

Page 156: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 156/190

4

n 1 3 2  

Phot« og, 0, ag  

Pig . 33  Chart or orrecting enslng-recording ircuit f nstrument or hase a g  

I 06 

Corrtcf mplitude  jUcordtd amplitude I T T  

Amplitude laclor 

1.02 

I 0 

_L_  .04 

Fig . 34  Chart or orrecting enslng-recording ircuit f 

am plification  instrument or ynamic 

Page 157: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 157/190

m  II llI 

I 1 « S  

1 3 3  

• • * e a bf lw  • 3 f e a 3 

a 0 E k.  0•  w C  

• 

w • 0 E  3 

a 0 E u.  0 

w  

|B

0 * • 0  0 » 

£ • J  E . > B-   E c  03 w • 

"0 

f a . • • "D  

a f a  0  0H-  • f a . 

«1  

c c  1* 0  • a  *  o E  u  0 0  a.  c V • C k 0 -o 

1»  <  •a  

e  e w o •

a o  "5 oi • =  s 

C  M  • —  —  e  k e • a 

i/t 

e  c  .2  

I ? i "3 .A o t- . u

E r T 3-T  O 2 2 « 

Z O a>  -E w 

A   O u %  u o o a >  

» 

E  % u a ) J3 + >  i-l

CO  

-IS  S2 

ac •V  

m o . 

JB 

" 2 a '= £ 

c . 2   " .2  C 3 1 J   I  » t-  a. u  5 

a 3

i 8  f-i PfH09 

i i * at  +> 

P ) "O •D h 3 ? >  » O <H 

4 4  - s t ?  3  0) * »  

'c.I 

K-i 

§ to 

0) •o 

CO  

o CO o 

0) 

Ml 

Page 158: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 158/190

13 4  

2.4 i-

2.0 

1 .2 

12 I-

*"»\x per e9 .08 h

.06 

4.0 |-

per adian 

F i g . 3 6  Resul t s f nalysis f light ata n egion f apid hanges n ircraft characteristics 

Page 159: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 159/190

-  ~~   4« 

135  

1  

Fig . 3 7   Variation of th e eriod of n -100 eries irplane s unction of M a c h  number, ltitude, angle-of-attack, and oa d actor from eference 1 ) 

Page 160: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 160/190

1 3 6  

per rod 

per rod 

a, deg a, de g 

8  1 0 

Pig.38  Influence f ngle-of-attack nd oa d actor pon ateral haracterl of o n e  aircraft 

s t i e s 

Page 161: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 161/190

1 3 7 

4J a 4) 

s  « s M a

+ >  s •H Pa 0) ►   r-l e 

p

5 09  a o  

8 • S p

e H 

82 A  P 

09 P< U 9 Pa 

'S H PPH  U

<M  u i a 

o JC  a  O § a 

to 

Page 162: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 162/190

Page 163: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 163/190

Page 164: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 164/190

1 40 

Flight nalog imulation 

20 

-20 M  Q948 

J K  M = 1 24 5 

J .2 

i, radian/sac 

.0 4 

radian/sec .04 

P , radian/sec 

-.8 

radiin/sec 

a, 

- .4 

.10 

,1 0 

ß, •8  A \ '^L,-  * J 

t, u e 0  2   4   6  8 

t, ac 

Vyy^ - 'VWH -/\/\/v\ 

a M  1.614 

J vwyj ww 

¥  mm WM  

Pä^ wm wm  

V*°H VW^i Rffife  vA/Vv/ 

J 0   2  4  6   8 

t, ec 

F ig . 4 2  Typical ine histories f he ateral nd directional esponse haracteristics of he est irplane esulting r o m brupt aw-damper deflection 

Page 165: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 165/190

Page 166: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 166/190

1 42  

6> i "d 

Ap  on p  

Ap  & > n1A(p ' 

* ~ A < / > '  

Fig .44   Relation f m all-perturbation olling elocity nd cceleration ectors o sm al l -perturbation ol l-d isp lacem ent ector n a transient scillation 

Page 167: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 167/190

1 43  

p

•O C o 3 o CO o 

I 0) 0) 

8 CO  0>

0) CO as  s 

ao 

e o at  a 1-1 

E  0) p« s 1f t 

60 •H Eh 

♦ 

a < 

Page 168: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 168/190

Page 169: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 169/190

f - i 

1 4 5  

M 8  

I  

_Nl_ 

W  « 

K | < 5 >  

I  <* 

*o  

4

9 ii 

-lb 

*jt* II 

& 1 * 

► > II 

o o | 2 ?  

II tf  0 1  

11 

II 

< 1  

t • 8 5 i IH  0) O *H 

1 8S  S 

S « >  •P 

t n 

«" g  S 

M

B X• tH   O 00 ] 

«0 

Ha to 

01 < 

§ 9 ? .  u  o 

o  o >  ci  ^ V ö  ö II  I I 

K  •w o » 1 3 W   <   < 3 < \  < q   —  *  *

* Ö> 

b e 

Page 170: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 170/190

1 46  

K S ?

- 3 1 1 . 

•Tier -Six|*» 

-SIK *.*\l 

CO o tH

+J a s u • 8 3

J iI

„o „ -ta > a c a s c d H 

at c a c d   a) 

c a > 3-p c d >  i- 

cd  a >> a 

tx e a c IH > ca 

3 a 

< H . O  

c d 

K  O 

g  3

U  o Ü 

3 hi 

•H a.  

Page 171: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 171/190

1 4 7 

F i g .   4 9  T y p i c a l  determination of  f l i g h t  quantities f o r   t h e  evaluation of  l o n g i t u d i n a l  c o n t r o l derivatives 

Page 172: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 172/190

148 

^teKf-<irig|^-fv<yMS^"ö 

Mü-s/.*» V |*£ 

-fa+tt*)  U*| 

'<? V\*l\  = -006S3 

4oC  *$&, 

'* 

O  = /.T7  /,.y7 =  *.33* 

2.V 

F l g . 30   A raphical im e-vector olution or  d " a  »< 1 «*, Nd ) 

.....*-«**.

Page 173: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 173/190

1 49 

^6 t  «g 2 

AS off AS n 

n > n :  

rm  

n a i 10 0  50  m 

A4,  d«g/$f rc2  o 

-50 fk?  

Aq, »g/ste  0  p -5 -10  

U-LA 

n~n t s

I  L L _ 1  

Aa, og  

01 3456789  10  t, ec 

F i g . 5 1  T i m e  histories of  l o n g i t u d i n a l  pulses performed o n t h e  X-15 analog  w i t h   t h e  stability augmentation  s y s t e m  engaged  a n d   disengaged ( f r o m  Reference  4 2 ) 

Page 174: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 174/190

1 50  

. o O O o £ o o o o . O O O o * O o " * i ui O  * > * m ©  

J3 

U cS -p•p B) 

4) St s t- O p *

be ) c H •O ) B > as 

9 ) u  U o Ü 

§ a >  

P D 

g  I ' S <W <H ) a) s 8 

o a o 

«I 

b o  

z o  ti 

Page 175: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 175/190

1 5 1  

1/2 

3.U 

2 .0  

1 .0  

A-XM

_k  -C --~fcw

*Hft  Bu H b n G L j <   V 

*-♦ ££§>

-#-<* *«

1 .0   I . 1 .2  1 . 3   1 .4   1 .5  1 . 6  

Fig , 5 3   Longitudinal eriod nd amping haracteristics f he -558-II irplane s  fractions f M a c h u m b e r nd ltitude 

Page 176: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 176/190

1 52  

. 0 3 2r 

-.024  C m  a 

. 016  

.008  

| — ♦   ♦ ^ Ik*.

i\  - 

*&1 □ h 

.3 2  - .24  

.1 6  

Cn\,*Cm Ä  

-.08 

° h——i 

* 5  

i  TD"  II  1 .2   1 .3   1 . 4   1 .5  1 .6   17  M  

Pig.54  Variation of  static a n d  dynamic  l o n g i t u d i n a l  stability derivatives of t h e  D-558-II airplane   w i t h   Mach number ( f r o m  Reference  4 3 ) 

Page 177: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 177/190

n ?-. 

1 53  

o —  —   o o » 

o - O  i

 II I a c 

CO 

o  CM  O 

at 

Page 178: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 178/190

1 5 4 

F i g .56  T o p i c a l determination of  f l i g h t  quantities  f o r   t h e  evaluation of l a t e r a l  c o n t r o l derivatives 

Page 179: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 179/190

Page 180: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 180/190

156  

b  IAH 

_dv » P  J w T ^ |—  - «^-»3 

-s^f=-^  -O.II83 

CntfQAM 

(a ) eterm ination f  Cn«  and C nr - 0^) 

fig.59  A ypical raphical ine-vector olution f yawing nd olling tability derivatives continued) 

Page 181: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 181/190

Page 182: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 182/190

1 5 8 

' 1 / 2 

. 0 5 

- . 0 5 

\\

—*M k 

•b k 

1  . . °/  u  ^

M  d e g 

T « k 

-kw^- 

(0  . 1  . 2  L 3  7 4  TS  T6  F7 

( a ) Influence of power o n  t h e  variation of  l a t e r a l  period  and damping 

Fig.60  Results of graphical time-vector analysis of t h e  effects of  power  o n   t h e  

lateral-directional  p e r i o d ,  d a m p i n g ,  and stability derivatives of  t h e  

D-558-II  r e s e a r c h   a i r p l a n e ( f r o m Reference  4 3 ) ( c o n t i n u e d ) 

Page 183: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 183/190

Power ff  Power n  hp,   ft 

3 0 , 0 0 0  o 

—b.— —  'A 0 2 , 0 0 0  

159 

r/3  

.4  c  1  ] 

I-  -k .  k□ . .  3 G~-G 

I  IK k --&:

. *— - -k-  /-**-

b w  

a  ,4  

Cn^  .2  

C z  ß 

crö—aFTJ 3-6  1  

H   1 TTiJhr~  

3 -6   l,g 3.8- 

- ir

TFK Cylinder ired __ —  — ' 

Hfr  ~ K /it,?.'» 

—13.0 

0 -.04 

-08  F l  k _>- k— ^

i 9 □ 

)—cJQ. 1 

Q   i

6  *-*>-^&-  &u -  B k  

-. 1 £ 

- 16 

ch 8 

Il£S= *l  I -1: ^^- > -fcfrfc-k 

36   .7  .8  .9  1 .0  I .I   1 .2   1 . 3   1 . 4   1 . 5   1 . 6   1 .7  

M (b) nfluence f ower n he ariation f tatic nd ynamic ateral 

stability derivatives 

Pig .60   Results f raphical ine-vector nalysis f th e ffects f ower n he  lateral-directional eriod, amping, n d tability derivatives f he  

D-558-II esearch irplane from eference 3 ) concluded)  

Page 184: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 184/190

16 0 

C nr er radian/sec 

048 052 056 060 064 ^na> «r adian 

.068  .072  .076 

«Ml  Grid plot se d o race ource of incc^atibilit, etween light nd 

wind-tunnel data 

Page 185: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 185/190

1 6 1 

P . 

deg/set 

Fig.62  T y p i c a l t i m e  history of   maneuver  t o  determine derivatives by  l e a s t squaring 

t h e  equations of motion (Reference  4 8 ) 

Page 186: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 186/190

Page 187: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 187/190

163 

RAO'' 

SAD'1 

RAD'1 

8Atf 

-.1 

.2 

.1 

..I , -.2 

-.2 

.0 1 

15,000 T >  — ,www  r 

I  / -35,000 FT - 

:..& -: - i- 

<a T a  •»3 ,000 T  TEST A T A  

< to  

/

%, 

APPROX. )  ~ FT j  A  15,000 

...L  O   35 , 000  

□   43,000 

•0 

F R O M MFR'S D A T A  „W/S  7.1  L3 / F T2, C O T 32* A C  

16,000 T, FLEXIBLE 35,000 T, FLEXIBLE 

„T^t". i W W . W inqfr

L..JÄ4 

tr 

RIGID ALTITUDE OTED) 

i»«—r .. °o 

35,000 T 

— L — - o I   Q «* 

r-oTaT -V«-[ 

35,000 T 

t •— —»  f (b ) 

Fig. 6 3  

M A C H U M B E R 

Rolling-moment erivatives ersus M a c h umber, stability-axes ystem 

Lateral-directional derivatives etermined y east quaring he equations of motion, as er Reference 8 concluded) 

Page 188: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 188/190

164 

Sa. *a 

2  

Sr, cg  0 

-2 -4 10  

< P *g  0 -10 

p, eg/sec  10  

ß < * • « 

at 

Fig. 64   typical nalog-match of a "recovery-from-sirieslip" maneuver of n xperimental aircraft.  M  .8 4  ltitude  9,400 ft 

Page 189: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 189/190

1 6 5  

per adian 

Wind-tunnel  data 

Basic 

Corrected or lexibility Corrected or lexibility and ir-intake low 

1.0  1 .2  1 .4 M 

Fig.65  Influence of flexibility  a n d   a i r  intake to engine on  t h e  directional stability d e r i v a t i v e , n/3  

Page 190: Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

8/12/2019 Considerations in the Determination of S&C Derivatives and Dynamic Characteristica From Flight Data

http://slidepdf.com/reader/full/considerations-in-the-determination-of-sc-derivatives-and-dynamic-characteristica 190/190

1 86  

Full