空气动力学基础04飞机的稳定性和操纵性

空气动力学与飞行原理第4章飞机的稳定性和操纵性知识要求掌握飞机运动参数的概念掌握飞机稳定性和操纵性的基本概念掌握飞机纵向稳定性、纵向操纵性、横侧向静稳定性、横侧向动稳定性横侧向操纵性的概念及相关影响因素掌握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飞机在空间的姿态可用机体坐标系与地面坐标系之间的方向关系来确定，并用姿态角表示出来Axdydzd地面坐标系原点A位于地面任意选定的某一固定点Ayd轴铅垂向上Axd、Azd轴在水平面内并互相垂直Axd轴指向地面内某一选定的方向描述飞机在空中姿态的姿态角有：俯仰角ν机体坐标系纵轴Ox与水平面Axdzd之间的夹角。规定当机头上仰时ν角为正。偏航角ψ机体坐标系纵轴Ox在水平面Axdzd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ψ角为正。滚转角γ飞机对称面Oxy与包含Ox轴的铅垂面之间的夹角。规定当飞机向右滚转时γ角为正。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以用两个方位角表示：迎角α空速向量在飞机对称面Oxy上的投影与机体坐标系纵轴Ox之间的夹角。规定投影线在Ox轴下方时α角为正。侧滑角β空速向量与飞机对称面Oxy之间的夹角。规定空速向量偏向右侧时β角为正。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。4.2飞机稳定性和操纵性的基本概念4.2.1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。稳定性分类飞机的稳定（安定）性分为静稳定性、动稳定性飞机的静稳定性：飞机具有自动恢复到原平衡位置的趋势纵向静稳定性：反映飞机在俯仰方向的稳定特性侧向静稳定性：反映飞机的滚转稳定特性方向静稳定性：反映飞机的方向稳定特性飞机的动稳定性：能自动恢复到原平衡位置小球的平衡状态放在三种不同形状光滑表面上的小球的平衡状态。如果小球受到扰动偏离了平衡位置，当扰动消失后：（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；（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；（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。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。平衡稳定状态静稳定的问题具有静稳定性是平衡状态具有稳定性的必要条件，但并不充分，只有具有动稳定的平衡状态才是真正稳定的。飞机在飞行中的平衡状态是定常直线（匀速直线）飞行，作用在飞机上所有外力和外力矩都是平衡的。飞机在飞行中会受到各种扰动，比如突风引起飞机的迎角和速度的改变、气流使舵面发生了小偏转等，这时作用在飞机上的气动力和力矩也会发生变化，破坏了飞机原始的平衡状态。当扰动消失后，飞机能否自动地回到原平衡状态，就是飞机是否具有稳定性的问题。不稳定或中立的飞机是不适合飞行的。执行飞行任务的飞机必须具有一定的稳定性。4.2.2飞机的操纵性飞机的操纵性：飞机在驾驶员操纵下，从一种飞行状态过渡到另一种飞行状态的特性。对于驾驶员的操纵反应过于灵敏或过于迟钝的飞机都会给飞机的飞行操纵带来困难飞机的操纵性分类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。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。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飞机的纵向稳定性4.3.1飞机的纵向静稳定性4.3.2飞机的纵向动稳定性4.3.1飞机的纵向静稳定性定义如果处于平衡状态的飞机受到微小扰动时，其迎角发生变化，在扰动消失后，飞机在驾驶员不施加操纵的情况下依靠自身的特性，具有恢复到原来平衡迎角的趋势。飞机具有纵向稳定性的原因是：飞机受到微小扰动后迎角改变附加升力(改变量)俯仰稳定力矩(恢复力矩)具有恢复到原来平衡迎角的趋势1.飞机的纵向力矩和纵向平衡（1）飞机的纵向力矩纵向力矩就是使飞机绕横轴OZt转动的俯仰力炬，用Mz表示。规定使飞机抬头的Mz为正值，否则为负值。飞机是由机翼、机身、尾翼以及动力装置等部件组成，每个部件上的气动力及发动机推力都对飞机产生纵向力矩。全机纵向力矩等于机翼、机身、尾翼等部件上的气动力及发动机推力产生的纵向力矩之和。AmZSbCMz2)2/1(（2）飞机的纵向平衡飞机的纵向力矩Mz=0，即俯仰力矩系数Cmz=0，没有外界扰动的话飞机不会绕横轴OZt产生俯仰运动，飞行迎角不会变化。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。如果不考虑发动机的影响，机翼和水平尾翼的气动开力对飞机纵向平衡的影响如所示：一般机翼的压力中心在飞机重心之后，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向下作用，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，飞机保持纵向平衡。为使水平尾翼的气动升力能产生抬头力矩，水平尾翼的安装角一般采取负值平衡迎角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，就必须通过改变升降舵的偏转角（或者改变水平安定面的配平角），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，为飞机的纵向配平。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迎角。飞机水平尾翼的一个重要作用就是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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。3.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。重心位置与静稳定性关系分析扰动使飞机抬头，迎角增加，升力增量向上，作用于全机焦点：全机焦点如果在重心之后，升力增量对重心产生低头力矩，飞机低头运动趋势，升力增量产生的是恢复力矩，飞机具有纵向静稳定性；全机焦点如果在重心之前，升力增量对重心产生抬头力矩，飞机更加偏离原飞行姿态，升力增量产生的是偏离力矩，飞机具有纵向静不稳定性；纵向静稳定裕量定义：全机焦点与重心之间的距离。要求其大于零，并保持一定数值，保持纵向静稳定性。民用飞机一般为平均气动力弦长的10-15％。WFFXXK亚音速飞行，机翼焦点一般位于飞机重心之前，故单有机翼的飞机纵向静不稳定。机身对纵向力矩的作用，使焦点前移，不稳定性增大。引进水平尾翼后，焦点大大后移，形成在重心之后的全机焦点。水平尾翼的第二个作用：提供飞机纵向静稳定性。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握杆：假设受扰动后，飞机的速度不变，只有迎角变化，并且升降舵面不能自由偏转，此稳定性称握杆定速静稳定性。松杆：受扰动后，迎角发生改变，升降舵面也随风发生偏转，使平尾产生附加的纵向力矩，大小与迎角成正比则此稳定性与握杆状态下不同。升降舵随风偏转对飞机静稳定性的影响：当扰动使飞机抬头增加迎角时，升降舵会顺气流方向向上偏转，在平尾上产生的附加纵向力矩是正值，使飞机抬头进一步偏离原飞行姿态的趋势，所以飞机的纵向静稳性减少。与握杆飞行相比，松杆飞行时，全机焦点的位置前移。实际飞行状态下：飞机操纵系统的摩擦，使升降舵不能完全自由随风摆动，理想松杆状态不存在；驾驶杆到升降舵之间传动机构比较长，存在弹性间隙和装配间隙，驾驶杆不能完全约束升降舵摆动，理想握杆状态不存在；必须减少升降舵随风的自由摆动，减少握杆和松杆状态下飞机纵向静稳定的差异（2）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：MA1.5，焦点后移水平尾翼:升降舵的偏转角和水平安定面的配平角飞机构型:襟翼、缝翼、起落架的位置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定义飞机受到扰动后，恢复原飞行姿态的运动过程。影响因素静稳定力矩转动惯量俯仰阻尼力矩作用于飞机上的力矩飞机纵向扰动运动过程中作用在飞机上的力矩：静稳定力矩：由迎角增量产生的作用在焦点上的升力增量对飞机横轴的转动力矩，企图使飞机恢复原有姿态。也称为恢复力矩。俯仰阻尼力矩：飞机在恢复摆动过程中，因绕重心摆动角速度引起的与飞机摆动角速度方向相反的附加力矩。对飞机绕重心的摆动起阻尼作用。主要由水平尾翼产生。为保证飞机具有动稳定性，要求飞机具有足够大的阻尼力矩。惯性力矩：因飞机的转动惯量在飞机摆动过程中产生的维持继续转动力矩，企图使飞机不停的摆动。飞机具有纵向动稳定性的条件：有足够的纵向静稳定力矩（必要条件）和足够的俯仰阻尼力矩（充分条件）。1.俯仰阻尼力矩俯仰摆动，飞机上的升力增量产生俯仰力矩：飞机抬头，重心前各处相对气流向上运动，实际气流=迎面气流速度+相对向下运动速度，因此当地迎角减小；飞机抬头，重心后各处相对气流向下运动，实际气流=迎面气流速度+相对向上运动速度，因此当地迎角增加；飞机抬头，重心前各处迎角减小，升力增量向下；重心后各处迎角增加，升力增量向上；飞机全身分布的升力增量对飞机形成低头力矩，阻止飞机抬头转动。飞机水平尾翼距离飞机中心最远，气动面积最大，所以阻尼俯仰力矩主要由水平尾翼产生。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看成是由两种典型周期性运动模态叠加而成：周期很短、衰减很快的短周期模态周期长、衰减很慢的长周期模态（1）短周期运动模态短周期模态周期短、衰减很快；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。短周期模态分析扰动消失的最初阶段，飞机上产生的静稳定力矩迫使飞机返回原飞行姿态，从而使飞机产生较大的绕横轴转动的角加速度，使飞机的迎角和俯仰角速度迅速变化。到达原平衡姿态时，由于运动惯性，飞机会继续转动并超过原平衡位置，又会产生方向向反的静稳定力矩，迫使飞机再回到原飞行姿态，使飞机产生相反方向的转动角加速度，使飞机的迎角和俯仰角速度又向相反的方向迅速变化。（2）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。长周期模态分析在短周期震荡运动基本结束时，纵向力矩基本恢复平衡，飞机基本不再绕横轴转动；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。重力、升力、阻力和发动机推力的相互作用，使飞机的高度增加，速度和升力随之减小，航迹逐渐转为向下弯曲；随后，飞机的高度减小，速度和升力随之增加，航迹又逐渐转为向上弯曲。如此反复进行，就形成了飞机重心上、下缓慢振荡。这一振荡过程衰减很慢，形成长周期运动模态。两种模态对飞行的影响短周期模态对飞行的影响：短周期振荡周期短、运动参数变化迅速，驾驶员往往来不及反应和及时纠正。影响到飞行安全、乘员的舒适和操纵反应特性。CCA