第四章飞机的稳定性和操纵性.

第四章飞机的稳定性和操纵性飞机的稳定性和操纵性4.1飞机运动参数4.2飞机稳定必和操纵性的概念4.3飞机的纵向稳定性4.4飞机的纵向操纵性4.5飞机的横侧向静稳定性4.6飞机的横侧向动稳定性4.7飞机的横侧向操纵性4.8飞机主操纵面上的附设装置4.1飞机运动参数4.1.1飞机在空间的姿态4.1.1空速向量相对机体的方位4.1.1飞机在空间的姿态飞机在空间的姿态可用机体坐标系与地面坐标系之间的关系来确定，并用姿态角表示出来地面坐标系：固定在地球表面的一种坐标系。原点A位于地面任意选定的某一固定点。•Ayd轴：铅垂向上。•Axd轴：在地面内某一选定的方向。•Azd轴：与Axd轴在水平面内并互相垂直。ydAxdzd俯仰角θ偏航角ψ滚转角γydxdzdztztyt描述飞机在空中姿态的姿态角：1.俯仰角θ：机体坐标系纵轴Oxt与水平面Axdzd之间的夹角，规定上仰为正。2.偏航角ψ：机体坐标系纵轴Oxt在水平面Axdzd上的投影与地面坐标系AXd轴之间的夹角，规定飞机左偏航为正。3.滚转角γ：飞机对称面Oxtyt与包含Oxt轴的铅垂面之间的夹角，规定飞机右滚为正。4.1.2空速向量相对机体的方位空速向量相对机体的方位可用两个方位角表示出来：1.机身迎角α：空速向量在飞机对称面Oxtyt上的投影与机体坐标系纵轴Oxt之间的夹角，规定投影线在Oxt轴下方时，α为正。2.侧滑角：空速向量与飞机对称面Oxtyt之间的夹角。规定空速向量偏向右侧时为正，•飞行中，空速向量一般都在飞机对称面内，侧滑角β=0，以防止增加阻力。•但由于外界扰动或水平转弯操纵不当会产生侧滑。•在有些情况下，采用适当的侧滑角有利飞行。比如侧风着陆、不对称动力飞行等。空速向量相对机体的方位4.2飞机稳定性和操纵性的概念4.2.1飞机的稳定性1.物体的稳定性：处于平衡状态的物体受到外界扰动偏离平衡位置，当扰动消失后，物体能否恢复原来平衡位置的特性叫物体的稳定性。2.物体的三种不同平衡稳定状态：稳定、不稳定和中立。a、图中的小球经过振荡会自动回到原始平衡位置，它的平衡状态具有稳定性；原始平衡位置b、图中的小球会越来越偏离原始平衡位置，它的平衡状态具有不稳定性；原始平衡位置C、图中的小球会停留在任意一个外界扰动使它达到的位置，它的平衡状态具有中立稳定性。原始平衡位置3.静稳定性与动稳定性静稳定性：外界扰动消失后，物体是否具有回到原始平衡位置的趋势。也就是扰动消失后，物体的瞬间运动。动稳定性：指外界扰动消失后，物体回到原来平衡位置的运动过程。扰动运动是收敛的，物体最终回到原始平衡位置，物体平衡状态就具有动稳定性，否则就是动不稳定的动稳定to参数中立动稳定o参数t动不稳定o参数t稳定性的充分、必要条件静稳定性是平衡状态具有稳定性的必要条件。动稳定性是平衡状态具有稳定性的充分条件。4、飞机为什么要有稳定性飞机的稳定性：当扰动消失后，驾驶员不施加操纵的情况下，飞机能自动回到原平衡状态，这架飞机就具有稳定性，否则就是不稳定或中立的。不稳定或中立的飞机是不适合飞行的：它需要驾驶员不断地操纵飞机，飞行也极其危险。严重威胁飞行安全。所以，执行飞行任务的飞机必须具有一定的稳定性，这点对飞行安全来说是至关重要的。5、飞机稳定性分为三个方面1.纵向稳定性：绕横轴OZt的俯仰转动，也叫俯仰稳定性。表现为飞机迎角的变化。Zt2.侧向稳定性：绕纵轴OXt的滚动，也叫横侧向稳定性。表现为飞机滚转角的变化。Xt3.方向稳定性：绕立轴OYt的偏转，也叫航向稳定性。表现为飞机偏航角的变化。Yt4.2.2飞机的操纵性副翼升降舵方向舵副翼操纵系统介绍主操纵机构驾驶盘驾驶杆脚蹬4.2.2飞机的操纵性1.飞机的操纵性在驾驶员操纵下，飞机从一种飞行状态过渡到另一种飞行状态的特性。2.驾驶员操纵飞机，飞机能立即随着驾驶员的操纵改变飞行状态，叫飞机反应灵敏；如果飞行状态改变缓慢，叫飞机反应迟钝。3.灵敏性对飞行操纵的影响：•过于灵敏，很难精确控制飞机，也会因对操纵反应过大而造成失速或结构的损坏；•过于迟钝，驾驶员不得不加大操纵量，操纵起来十分的吃力。所以只有具备一定操纵性的飞机才适合飞行。操纵性可以分为三个方面1.纵向操纵性：飞机按照驾驶员的操纵指令，绕横轴转动，增大或减少迎角，改变原飞行姿态的能力。2.侧向操纵性：飞机按照驾驶员的操纵指令，绕纵轴滚转，改变原飞行姿态的能力。3.方向操纵性：飞机按照驾驶员的操纵指令，绕立轴转动，向左或向右偏转，改变原飞行姿态的能力。4.3飞机的纵向定性4.3.1飞机的纵向稳定性1、飞机的纵向力矩和纵向平衡①飞机的纵向力矩：绕横轴OZt转动的力矩，用Mz表示。使飞机抬头的Mz为正，使飞低头的力矩Mz为负。AmzzSbvCM221Zt②飞机的纵向平衡：飞机的俯仰力矩平衡条件：Mz=0，也就是Cmz=0对飞机纵向力矩起主要作用的是机翼、水平尾翼的气动升力和发动机的推力。飞机重心机翼压力中心L机翼L平尾机翼上的气动升力对飞机产生使机头向下的俯仰力矩(－Mz)。水平尾翼上的气动升力对飞机产生使机头向上的俯仰力矩(＋Mz)。当两个力矩互相抵消时，飞机的纵向力Mz=0，飞机保持纵向平衡。④飞机的纵向配平平尾抬头力矩机翼低头力矩④飞机的纵向配平飞机定常直线飞行时，不同的飞行速度要求不同的迎角。迎角不同，机翼升力的大小及压力中心的位置也不同，对飞机重心会产生大小不同的低头力矩，这就必须通过改变升降舵的偏转角，使水平尾翼产生与之相平衡的抬头力矩来维持飞机的纵向平衡，这个过程就叫做飞机的纵向配平。对于每一个迎角下的定常直线飞行，都有一个升降舵的偏转角与之对应。这个迎角就叫做该升降舵偏转角对应的平衡角。飞机水平尾翼的一个重要作用就保证飞机在不同速度下进行定常直线飞行的纵向平衡。2、全机焦点飞机的焦点：由于迎角的改变而引起的飞机气动升力增量的作用点。也叫飞机的气动中心。机身、机翼、尾翼对全机焦点位置的影响①全机焦点的位置主要取决于机翼的焦点位置。②机身的焦点靠近机头部位，所以翼-身组合体的焦点位置，比机翼焦点靠前。③水平尾翼的升力在全机重心之后，且力臂较长，所以加上尾翼之后，全机焦点位置明显后移在MaM临界时，机翼的焦点位置基本保持不变。和机翼焦点的性质一样，低速飞行时，全机焦点的位置也保持不变飞机焦点机翼焦点重心机身L机翼L全机L平尾L3、飞机纵向静稳定的条件小迎角下，飞机的纵向静稳定性只取决于全机焦点和重心之间的位置关系。全机焦点和重心的位置：%100AFFbXX%100AWWbXX飞机纵向静稳定的条件①当焦点位于重心之后时：XF＞XW；△L对重心的力矩是低头力矩，使飞机有低头趋势，是恢复力矩，飞机具有静稳定性。②焦点位于重心之前：XF＜XW；△L对重心的力矩是抬头力矩，使飞机有抬头趋势，使飞机更加偏离原来的平衡状态，飞机不稳定。③焦点位于重心处：XF=XW，；△L对重心力矩为零，飞机具有中立静稳定性。重力△L飞机纵向静稳定分析全机静稳定裕量全机焦点与重心之间的距离称为飞机纵向静稳定裕量。设计飞机时，要求KF＞0，且KF要达到一定的量值，以保证飞机具有足够的纵向静稳定性。民用飞机，KF大约为平均气动力弦长的10%～15%。WFFXXK水平尾翼的重要作用之一水平尾翼的又一个重要的作用——为飞机提供必要的纵向静稳定性。亚音速飞行时，机翼的焦点一般在飞机重心之前，所以单有机翼的飞机是纵向静不稳定的。机身对纵向力矩的影响，使焦点向前移，所以，翼身组合体的纵向静不稳定性更大。将水平尾翼的作用考虑进去以后，焦点大大向后移，形成了在飞机重心之后的全机焦点，所以水平尾翼为飞机提供了纵向静稳定性。4、影响飞机纵向静稳定性的因素（1）握杆和松杆对飞机纵向静稳定性的影响：假设松杆时升降舵可以自由摆动，纵向静稳定性减小。在实际飞行中：①飞机操纵系统存在着摩擦；②传动机构的弹性间隙和装配间隙。理想的握杆飞行状态也是不存在的。尽量减少升降舵随气流的自由摆动是必要的，目的是减少在松杆和握杆两种飞行状态下，飞机纵向静稳定的差异。对于装有无回力助力器的飞机，如果助力器安装在距升降舵较近的地方，升降舵就不能自由摆动。因此，可以认为这种飞机的松杆飞行与握杆飞行的纵向静稳定性是相同的（2）飞机实用重心和飞机焦点位置的变化：①影响飞机实用童心的位置的因素:a.货物的装载情况b.乘客的位置c.燃油的数量及消耗情况d.飞机的构型等等②影响飞机焦点位置的因素：a.飞行Ma数：超音速时，焦点后移。b.水平尾翼：升降舵的偏转角和水平安定面的配平角。c.飞机构型：襟翼、缝翼、起落架等的位置。d.纵向操纵系统的安装间隙和弹性间隙。4.3.2飞机的纵向动稳定性飞机的纵向动稳定性研究的是飞机受到扰动后，恢复原飞行姿态的运动过程。运动过程是由飞机的静稳定力矩、在俯仰摆动中产生的转动惯量以及俯仰阻尼力矩相互作用的结果来确定。1、俯仰阻尼力距：飞机在俯仰摆动中迎角变化：ωrωrVV’ωrVV’飞机在俯仰摆动中升力增量重心前迎角减小，升力减小，△L是负值重心后迎角增加，升力增加，△L是正值△L前△L后俯仰阻尼力矩升力增量，△L对重心产生的力矩也是一个低头力矩，阻止飞机的上仰运动，这就是俯仰阻尼力矩。△L前△L后阻尼力矩抬头运动2、纵向扰动运动的模态及其特征定常直线飞行的飞机受到扰动后，在回到原平衡姿态过程中，产生的扰动运动可以简化为由两种典型周期性运动模态叠加而成：①短周期运动模态②长周期运动模态。①短周期运动模态特点：周期很短，衰减很快。发生时机：扰动消失后的最初阶段；运动形式：飞机绕重心的摆动过程。a.迎角周期性迅速变化b.俯仰角速度周期性迅速变化c.飞行速度则基本上保持不变。短周期运动模态形成原因：静稳定力矩、运动惯性使飞机迎角和俯仰角速度周期性迅速变化。俯仰阻尼使飞机的俯仰摆动很快衰减。②长周期运动模态特点：周期很长，衰减很慢。发生时机：扰动消失后的后一阶段；运动形式：飞机重心运动的振荡过程。a.飞行速度和航迹倾斜角的缓慢变化，b.飞机的迎角基本恢复到原来的迎角并保持不变。长周期运动模态形成原因：由于飞行速度增量的作用，作用在飞机上的外力仍处于不平衡状态，飞机的航迹是弯曲的。在重力、升力、阻力和发动机推力的相互作用下，使飞机的高度，速度和升力交替变化，形成了飞机重心上、下缓慢振荡。对两种运动模态要求短周期模态：运动参数迎角、俯仰角速度变化快，驾驶员往往来不及反应并予以制止。必须受到重阻尼。长周期模态：振荡周期长，运动参数速度、航迹角变化缓慢，驾驶员有足够的时间进行纠正，所以对这种模态特性的要求就比前者要低。4.4飞机的纵向操纵性4.4.1水平尾翼水平尾翼结构：a.水平安定面：前面的固定不动(或安装角可调)。b.升降舵组：后面可绕转轴偏转。功用：纵向操纵、纵向平衡。升降舵偏角：用δz表示。下偏为正，上偏为负。尾翼结构形式单垂尾式：垂直安定面可与机身做成一个整体。刚度大，重量轻。对单台发动机的螺旋桨式飞机来说，还便于利用螺旋桨的滑流，提高尾翼的工作效率。其缺点：垂直尾翼上的空气动力使机身受到扭矩。双垂尾式：用于双发动机或多发动机的螺旋桨飞机上。这样可以使垂尾尽可能处于螺旋桨滑流之中，提高其工作效率。目前许多超音速战斗机由于装备两台发动机，后机身很宽，也有装双垂尾。后掠式尾翼在跨音速或超音速飞机上，为了延缓局部激波的产生或减弱波阻，同时为了避开随着机翼局部激波而产生的大量漩涡，往往将水平尾翼安置在垂直尾翼上，构成“T”字形或“十”字形，在大迎角飞行状态下，平尾仍有可能受到机翼的下洗流和漩涡的影响，所以有些现代超音速飞机采用平尾低置布局，使平尾低于机翼。C-17在某些跨音速或超音速的三角翼飞机上，只装有一个垂直尾翼，而将水平尾翼取消，以减少阻力和结构重量。另外在三角翼上常使用升降副翼，以代替—般的副翼。升降副翼既可起副翼的作用，又可起升降舵的作用V型和鸭式V型尾翼的舵面如果同时向上或向下，就起升降舵的作用。如两个舵