飞机的稳定性和操纵性

空气动力学基础（ME、AV）第一章大气物理学第二章空气动力学第三章飞行理论第四章飞机的稳定性和操纵性第4章飞机的稳定性和操纵性4.1飞机运动参数4.2飞机稳定性和操纵性的基本概念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地面坐标系是固定在地球表面的一种坐标系。姿态角俯仰角θ机体坐标系纵轴(OXt)与水平面之间的夹角。规定机头上仰时为正。偏航角ψ机体坐标系纵轴在水平面上的投影与地面坐标系Axd轴之间的夹角。规定当飞机向左偏航时为正。滚转角γ飞机对称面与包含Oxt轴的铅垂面之间的夹角。规定当飞机向右滚转时为正。空速向量相对机体的方位速度轴系或风轴系OVXVYVZVXV沿飞行速度方向，气动阻力沿XV负向。YV在飞机对称面内且与飞行速度垂直。迎角和侧滑角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轴下方时为正。侧滑角β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（向右侧滑为正）。4.2飞机稳定性和操纵性的基本概念飞机的稳定性处于平衡状态的物体，受到外界扰动，偏离了平衡位置，当扰动消失后，物体能否自动恢复到原始的平衡位置，取决于物体的平衡状态是否具有稳定性。飞机的稳定性静稳定性研究外界扰动消失后，物体是否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研究外界扰动消失后，物体回到原平衡位置的运动过程：扰动是收敛的，物体最终回到原始平衡位置，物体具有动稳定性，否则就是动不稳定的。平衡稳定状态飞机的稳定性和操纵性分类纵向稳定性（和操纵性）绕横轴（OZt）转动，也叫俯仰稳定性。侧向稳定性（和操纵性）绕纵轴（OXt）滚转，也叫滚转稳定性。方向稳定性（和操纵性）绕立轴（OYt）转动，也叫航向稳定性。4.3飞机的纵向稳定性飞机的纵向静稳定性飞机的纵向力矩主要是机翼、水平尾翼的气动升力和发动机的推力。水平尾翼的重要作用一（纵向配平）保证飞机在不同速度下进行定常直线飞行的纵向平衡。AmZSbCMz2)2/1(全机焦点全机焦点：由于迎角的改变而引起的飞机气动升力增量的作用点。影响因素：机翼、机身和水平尾翼。在低速飞行时，全机焦点的位置保持不变。飞机纵向静稳定性的条件在小迎角下飞机纵向静稳定性只取决于全机焦点和重心之间的相对位置。纵向静稳定纵向静不稳定飞机纵向静稳定性的条件①全机焦点位于重心之后：飞机是纵向静稳定的。②全机焦点位于重心之前：飞机是纵向静不稳定的。③全机焦点位于重心之上：飞机具有纵向中立静稳定性。飞机纵向静稳定性的条件纵向静稳定余量：全机焦点和重心之间的距离KF=XF-XW。对于民用飞机KF=10%-15%。水平尾翼的重要作用二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。影响飞机纵向静稳定性的因素握杆和松杆对飞机纵向静稳定性的影响与握杆飞行相比，松杆飞行时，全机焦点的位置前移了，纵向静稳定性减少了。减少升降舵的自由摆动，减少松杆和握杆飞行状态下纵向静稳定性的差异。飞机实用重心和飞机焦点位置的变化影响飞机实用重心位置的因素货物的装载情况、乘客的位置、燃油的数量及消耗、飞机的构型。影响飞机焦点位置的因素飞行Ma数、水平尾翼、飞机构型、纵向操纵系统的安装间隙和弹性间隙。飞机的纵向动稳定性影响因素静稳定力矩、转动惯量和俯仰阻尼力矩。俯仰阻尼力矩主要由水平尾翼产生。纵向扰动运动的模态及其特征短周期模态飞机的扰动运动主要是飞机绕重心的摆动过程，表现为迎角和俯仰角速度周期性迅速变化，而飞行速度则基本上保持不变。一般情况下，飞机的这种短期振荡运动在开始的头几秒内就基本结束了。长周期运动模态飞机的扰动运动主要是飞机重心运动的振荡过程，表现为飞行速度和航迹倾斜角周期性的缓慢变化，飞机的迎角基本恢复到原来的迎角并保持不变。这一振荡过程衰减很慢，形成长周期运动模态。纵向扰动运动的模态及其特征CCAR-25部规定：在主操纵处于松浮状态或固定状态时，在相应于飞机形态的失速速度与最大允许速度之间产生的任何短周期振荡，必须受到重阻尼。4.4飞机的纵向操纵性飞机的纵向操纵是指飞机绕横轴的俯仰操纵。它是通过向前或向后推拉驾驶杆，使升降舵向下或向上偏转，来实现飞机纵向操纵的目的。飞机的纵向操纵前推杆——舵面下偏（δz0）——附加升力向上——低头力矩（Mz0）。后拉杆——舵面上偏（δz0）——附加升力向下——抬头力矩（Mz0）。纵向操纵性和纵向稳定性的关系纵向操纵性和纵向稳定性的关系飞机的稳定性和操纵性是相互制约的：稳定性太大，飞机保持原飞行姿态的能力太强，要改变它就很不容易，操纵起来就很费劲，飞机的操纵性就很迟钝。稳定性太小，飞机的飞行姿态很容易改变，驾驶员很难精确的操纵飞机，飞机的操纵性有过于灵敏。飞机重心范围的确定飞机的重心前限重心前移，飞机的纵向静稳定性提高，操纵性能变坏，纵向平衡变差。从飞机纵向平衡和纵向操纵性能的要求对飞机重心最靠前的位置进行了限制。飞机重心后限重心后移，飞机的纵向稳定性减小，飞机对操纵的反应变灵敏。从飞机的纵向静稳定性和操纵灵敏度的要求对飞机重心最靠后的位置进行了限制。4.5飞机的横侧向静稳定性飞机的侧滑和侧滑角飞机的滚转或偏航都会造成飞机侧滑和侧滑角，从而产生滚转力矩Mx和偏航力矩My，飞机相对纵轴OXt的侧向静稳定性和相对立轴OYt的方向静稳定性就不是独立的，而是相互影响。所以，又把飞机的侧向静稳定性和方向静稳定性统称为横侧向静稳定性。飞机的滚转力矩和偏航力矩作用在飞机上的气动力对机体OXt轴产生的力矩叫滚转力矩，用Mx表示。力矩矢量与Xt轴正方向一致时，滚转力矩为正。作用在飞机上的气动力对机体OYt轴产生的力矩叫偏航力矩，用My表示。力矩矢量与Yt轴正方向一致时，偏航力矩为正。相关因素：侧滑角——静稳定力矩滚转和偏航运动——阻尼力矩副翼偏转角——操纵力矩飞机侧向静稳定性的条件飞机受到扰动，绕机体OX轴转动，产生了滚转角γ，造成侧滑时，如果由于侧滑角引起的滚转力矩与飞机滚转的方向相反，飞机就具有侧向静稳定性。飞机的侧向静稳定性主要由机翼的上反角来提供。飞机的侧向静稳定性机翼上反角——提供飞机的侧向静稳定性。机翼后掠角对飞机侧向静稳定的影响影响飞机侧向静稳定性的其他因素垂尾机体纵轴上方的垂尾增加侧向静稳定性，下方的垂尾减少侧向静稳定性。机翼和机身的相对位置上单翼起侧向静稳定作用，下单翼起侧向静不稳定作用。飞机方向静稳定性的条件飞机具有方向静稳定性的条件，飞机受到扰动绕OY轴偏转，产生侧滑角β时，如果由于侧滑角引起的偏航力矩力图使飞机对准来流，消除侧滑角，飞机就具有方向静稳定性。飞机的方向静稳定性垂尾对飞机方向静稳定性的贡献影响飞机方向静稳定性的其他因素后掠角对飞机的方向稳定性也有一定的作用。机体的侧向迎风面积也对飞机的方向静稳定性有一定的影响。4.6飞机的横侧向动稳定性静稳定力矩由于侧滑角β而产生的恢复力矩。惯性力矩气动阻尼力矩是指由于在扰动运动过程中出现滚转运动和偏航运动时，作用在飞机上的气动力产生的力阻尼力矩。由滚转运动引起的气动阻尼力矩中，机翼起主要作用；由偏航运动引起的气动阻尼力矩中，垂直尾翼起主要作用。交叉力矩交叉力矩是指由滚转运动引起的偏航力矩和由偏航运动引起的滚转力矩。右滚——右机翼迎角增大，阻力增大——向右偏转的偏航力矩。右滚——垂尾产生向左侧的气动力——向右偏转的偏航力矩。左偏航——垂尾产生向左的气动力——向左横滚的滚转力矩。左偏航——左机翼升力减小，右机翼升力增大——向左的横滚滚转力矩。横侧向扰动运动的三种模态及特性滚转收敛模态一种非周期性的、衰减很快的运动模态。滚转角和滚转速度迅速变化，侧滑角和偏航角的变化很小。螺旋模态一种非周期性的，运动参数变化比较缓慢的模态。侧滑角近似为零，偏航角大于滚转角，所以螺旋模态运动主要是略带滚转、侧滑角近似为零的偏航运动。方向静稳定性侧向静稳定性。荷兰滚荷兰滚是频率较快（周期为几秒）的中等阻尼的横向——航向组合振荡模态。在荷兰滚中，飞机的侧滑角、滚转角和偏航角的量级相同，而滚转、偏航运动的速度较小。各运动参数都随时间按振荡方式周期变化，形成飞机一面来回滚转，一面左右偏航，同时带有侧滑的振荡运动。侧向静稳定性与方向静稳定性相比较大时，飞机易产生荷兰滚不稳定。荷兰滚飞机的横侧向扰动运动及影响稳定性的因素飞机的侧向静稳定性和方向静稳定性大小比例搭配，对飞机横侧向动稳定性有着重要的影响。影响因素侧向静稳定性——机翼上反角和后掠角。方向静稳定性——垂尾面积及到飞机重心的力臂。偏航阻尼器——用在大型高速运输机上，防止荷兰滚4.7飞机的横侧向操纵性飞机的侧向操纵性副翼偏转对飞机进行侧向操纵飞机的侧向操纵是指飞机绕纵轴的滚转运动。驾驶员通过向左或向右操纵驾驶杆来进行飞机的侧向操纵。飞机的侧向操纵与纵向或方向操纵有一点不同，即副翼有两片，并且转动方向是相反的。一片副翼向上偏转；另一片副翼则向下偏转。由此产生的附加力，对飞机重心O产生一个滚转力矩M，便可使飞机绕纵轴倾侧。规定右侧副翼向下偏，左侧副翼向上偏时（左滚）δx为正，与Mx符号相反。副翼偏转对飞机进行侧向操纵前视图偏转副翼引起的有害偏航为什么？左压杆——机翼左右阻力不平衡——右偏航——左侧滑——右滚转静稳定力矩。怎么办？差动副翼上偏角大于下偏角弗莱兹副翼上下偏角相等副翼操纵的失效和反逆“副翼反效”又称为“副翼反逆”、“副翼反操纵”。飞机高速飞行时由于气动载荷而引起的机翼扭转弹性变形，使得偏转副翼时所引起的总滚转力矩与预期方向相反的现象。副翼操纵的失效和反逆是怎样产生副翼操纵的失效和反逆是怎样产生操纵力矩M1=反力矩M2，再操纵副翼就不会产生滚转力矩，这种现象叫副翼失效。这个飞行速度叫副翼反逆临界速度。M1M2时，副翼反效。提高副翼反逆临界速度提高机翼的抗扭刚度机翼的扭转刚度越大，副翼反逆临界速度就越高。采用混合副翼外侧副翼——低速飞行内侧副翼——高速飞行提高飞机侧向操纵效率扰流板(a)扰流板未打开时与机翼表面平齐(b)扰流板打开产生大量旋涡(c)扰流板在机翼表面上的位置1—扰流板；2—副翼；3—襟翼扰流板工作原理和作用扰流板一般安装在机翼下表面或上表面的襟翼之前，当副翼向上偏转到一定角度时，联动机构就起作用而将扰流板打开。当副翼继续偏转到某一角度时，扰流板就全部竖立在气流中。它全开时的最大高度，接近于该处的附面层厚度。有利于改善飞机的横侧操纵性能，或在飞行中使飞机减速，而且能提高飞机的起落性能。扰流板的优缺点扰流板工作时，不会使机翼的压力中心向后移动很多，所以机翼上产生的扭转变形很小。这样就带来了两个好处：改善飞机高速飞行时的横侧操纵性能有效地防止副翼反效。扰流板虽有不少好处，但也有比较严重的缺点。在它打开的一瞬间，气流绕过扰流板时，不能立即产生旋涡。这时升力反而略有增加，因而在低速飞行时效果很差，不宜单独使用。涡流发生器飞机的方向操纵方向舵安装在垂直尾翼上的操纵面。规定当方向舵后缘向右偏转时（右偏航），δy为正值。蹬右舵——方向舵后缘右偏——向左的侧向力——机头向右偏蹬舵反倾斜现象方向舵侧向力对重心产生的滚转力矩侧向静稳定性产生的滚转力矩，就会出现蹬右舵飞机向左倾斜，蹬左舵飞机又向右倾斜的现象，这种现象叫做蹬舵反倾斜现象。4.8飞机主操纵面上的附设装置主操纵面升降舵——俯仰操纵副翼——滚转操纵方向舵——偏航操纵附设装置重量平衡气动补偿气动平衡重量平衡的目的和方法在飞机操纵面的转轴前面安装配重，可以把操纵面的重心移到转轴之前或与转轴轴线重合，从而可以防止飞机