第四章-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四章飞机的稳定性和操纵性飞机飞行状态的变化，归根到底，都是力和力矩作用的结果。飞机的平衡、稳定性和操纵性是阐述飞机在力和力矩的作用下，飞机状态的保持和改变的基本原理。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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。俯仰角θ偏航角ψ滚转角γ姿态角俯仰角滚转角偏航角姿态角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(OXt)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迎角α侧滑角β空速向量，即相对气流V∞迎角侧滑角迎角和侧滑角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4.2.1飞机的稳定性飞机的稳定性是指，飞机受扰偏离原平衡状态，偏离后飞机能自动恢复到原平衡状态的能力。纵向稳定性侧向稳定性方向稳定性稳定性的概念稳定性的两个要素扰动后有稳定力矩。扰动后有阻尼力矩。稳定性静稳定性动稳定性静稳定性与动稳定性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。静稳定性研究物体受扰后的最初响应问题。正的静稳定性中立静稳定性负的静稳定性外力外力外力静稳定性与动稳定性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，是研究物体受扰运动的时间响应历程问题。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。静稳定性与动稳定性综上所述，具有静稳定性是平衡状态具有稳定性的必要条件，但并不是充分条件，只有具有动稳定的平衡状态才是真正的稳定。飞机的稳定性是指：飞机受到小扰动（包括阵风扰动和操纵扰动）后，偏离原平衡状态，并在扰动消失后，飞行员不给于任何操纵，飞机自动恢复原平衡状态（包括最初响应—静稳定性问题，和最终响应—动稳定性问题）的特性。俯仰稳定性方向稳定性横侧稳定性飞机稳定性的定义飞机具有稳定性飞机不具有稳定性飞机具有中立稳定性飞机的稳定性飞机的纵向稳定飞机受到扰动，产生绕横轴（OZt）的偏转，飞机迎角变大或者变小，扰动消失后，不经驾驶员操纵，飞机能自动恢复到原飞行状态的能力叫纵向稳定性，也叫俯仰稳定性。飞机的侧向稳定性飞机受到扰动，产生绕纵轴（OXt）的滚转，扰动消失后，不经驾驶员操纵，飞机能自动恢复原飞行姿态的能力叫侧向稳定性，也称为滚转稳定性。飞机的方向稳定性飞机受到扰动，产生绕立轴（OYt）的转动，扰动消失后，不经驾驶员操纵，飞机能自动恢复原飞行姿态的能力叫方向稳定性，也称航向稳定性。4.3飞机的纵向稳定性飞机的俯仰平衡是指作用于飞机的各俯仰力矩之和为零，迎角不变。0MzCPCG●俯仰力矩主要有:①机翼产生的俯仰力矩②水平尾翼产生的俯仰力矩③拉力（或推力）产生的俯仰力矩机翼产生的俯仰力矩的大小最终只取决于飞机重心位置、迎角和飞机构型。一般情况下机翼产生下俯力矩。但当重心后移较多且迎角有很大时，则可能产生上仰力矩。①机翼产生的俯仰力矩②平尾产生的俯仰力矩在正常飞行中，水平尾翼产生负升力，故水平尾翼力矩是上仰力矩。当迎角很大时，也可能会产生下俯力矩。②平尾产生的俯仰力矩正常布局的飞机的平尾的安装角通常要比机翼的安装角更小。纵向上反角机翼安装角与水平尾翼安装角之差。纵向上反角螺旋桨的拉力或发动机的推力，其作用线若不通过飞机重心，也会形成围绕重心的俯仰力矩。③拉力产生的俯仰力矩●获得俯仰平衡的条件：0ZM纵向平衡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。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。重心焦点翼型的焦点翼型焦点的概念翼型的焦点，就是迎角改变时机翼升力增量的作用点。试验表明，在小于临界迎角的范围内，焦点位置不随迎角而改变。现代翼型其焦点位置大都位于距翼型前缘的25%弦长的地方。气动力系数随马赫数的变化关系翼型空气动力的变化是与翼型表面流场的变化密切相关的。全机焦点影响因素：机翼、机身和水平尾翼。在低速飞行时（MMcr），全机焦点的位置保持不变，不随迎角改变。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X’F和重心X’W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(X’FX’W)：飞机是纵向静稳定的。②全机焦点位于重心之前(X’FX’W)：飞机是纵向静不稳定的。③全机焦点位于重心之上(X’F=X’W)：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=X’F-X’W0。对于民用飞机KF=10%-15%(bA)。水平尾翼的重要作用二为飞机提供必要的纵向静稳定性。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对于没有安装助力器的飞机，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。机头向上升降舵上偏向下气动力机尾向下影响飞机纵向静稳定性的因素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。影响飞机纵向静稳定性的因素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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。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。俯仰阻尼力矩的产生下洗气流使实际迎角减小上洗气流使实际迎角增大俯仰阻尼力矩的产生阻尼力矩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模态叠加而成：周期很短、衰减很快的短周期模态；这种运动模态主要发生在干扰消失后的最初阶段。周期很长、衰减很慢的长周期模态。这种运动模态主要发生在扰动运动的后一阶段。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在飞行过程中，驾驶员对这两种运动模态的感觉和要求是不同的。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。4.5飞机的横侧向静稳定性飞机的侧向平衡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。飞机的侧向平衡是指作用于飞机的各滚转力矩之和为零，坡度不变。●滚转力矩主要有:①两翼升力对重心产生的滚转力矩②螺旋桨反作用力矩对重心产生的滚转力矩●获得横侧平衡的条件：0xM飞机的方向平衡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。飞机的方向平衡是指作用于飞机的各偏转力矩之和为零，侧滑角不变或侧滑角为零。侧滑是指相对气流方向与飞机对称面不一致的飞行状态。●偏转力矩主要有:①两翼阻力对重心产生的偏转力矩②垂尾侧力对重心产生的偏转力矩③双发或多发飞机拉力产生的偏转力矩●获得方向平衡的条件：0yM飞机的滚转力矩和偏航力矩侧滑角引起的力矩——静稳定力矩滚转和偏航运动引起的力矩——阻尼力矩副翼偏转角引起的力矩——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。侧力主要侧向稳定力矩的产生侧向稳定力矩主要由侧滑中机翼的上反角和后掠角产生。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。右侧滑——左滚转力矩机翼后掠角对飞机侧向静稳定的影响机翼上下位置和垂尾也能够使机翼产生侧向稳定力矩。影响飞机侧向静稳定性的其他因素上单翼飞机侧向稳定性强下单翼飞机侧向稳定性弱I.机翼上下位置的影响II.垂尾产生的侧向稳定力矩侧滑中，垂尾产生的侧力对重心形成的滚转力矩也是侧向稳定力矩。垂尾侧力侧滑方向侧力力臂在飞机的设计中，为取得合适的侧向稳定性，往往采用这几种机翼构型的组合。下图为上单下反后掠布局。●上单下反后掠布局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。方向稳定力矩主要是在飞机出现侧滑时由垂尾产生的。飞机的方向静稳定性左侧滑——左偏航力矩右侧滑——右偏航力矩●由垂尾产生的方向稳定力矩●垂尾面积的影响垂尾面积越大，方向稳定力矩越大。相对气流相对气流扰动扰动稳定力矩稳定力矩较小侧力（面积小）较大侧力（面积大）机身横轴后掠角上反角和后掠角的设计等也能够使机翼产生方向稳定力矩。上反角影响飞机方向静稳定性的其他因素上反角使侧滑前翼迎角大，阻力大，从而产生方向稳定力矩。●上反角在侧滑中所产生的方向稳定力矩后掠角的存在，使侧滑前翼的相对气流有效分速大，因而阻力更大，从而产生方向稳定力矩。●后掠角在侧滑中所产生方向稳定力矩●机身、背鳍和腹鳍的方向稳定力矩的产生机身，以及背鳍和腹鳍也可以产生方向稳定力矩。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。飞机在受扰后的转动过程中，由于机翼存在附加上、下气流分量，使两翼迎角不等，从而导致两翼升力不等，这一阻尼力矩对飞机转动起阻碍作用。滚转方向阻尼力矩方向飞机的侧向阻尼力矩主要由机翼产生滚转附加气流速度滚转附加气流速度上扬机翼迎角减小下沉机翼迎角增大●滚转对两翼迎角的影响飞机转动的过程中，垂尾处出现附加的侧向气流速度分量，导致垂尾出现侧力，侧力形成的力矩起到阻碍转动的作用，称方向阻尼力矩。垂尾侧力转动方向阻尼力矩方向阻尼力矩主要由垂尾产生交叉力矩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。飞机的横侧向动稳定性扰动消失后，飞机在恢复原飞机姿态而产生的扰动运动过程中受到静稳定力矩、惯性力矩、气动阻尼力矩和交叉力矩的共同作用，扰动运动的情况就和影响这些力矩的各种因素有关。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