第七章-第六节-飞机重心的计算

第六节飞机重心的计算一、飞机的重心和重心位置的表示1、飞机重心确保飞行安全的要求和条件是多方面的，重要的一点就是要保证飞机平衡。飞机的重心必须在安全的范围内，保证飞机飞行具有良好的操作性和稳定性。飞机重心具有以下特性：(1)飞行中，重心位置不随姿态改变。(2)飞机在空中的一切运动，无论怎样错综复杂，总可以分解为：飞机各部分随飞机重心一道的移动和飞机各部分转绕着飞机重心的转动。本节将着重介绍飞机的重心、重心计算的方法，以及飞机的平衡，稳定性和操纵性。重力是地球对物体的吸引力，飞机的各部件（机身、机翼、尾翼、发动机等）、燃油、货物、乘客等都要受到重力的作用，飞机各部分重力的合力，叫做飞机的重力，用G表示。重力的着力点，叫做飞机的重心。重心所处的位置叫做重心位置。飞机在空中的转动，是绕飞机的重心进行的。因此，确定飞机重心位置是十分重要的。飞机重心的前后位置，常用重心到某特定翼弦上投影点到该翼弦前缘点的距离，占该翼弦的百分比来表示。这一特定翼弦，就是平均空气动力弦（MAC）。所谓平均空气动力弦，是一个假想的矩形机翼的翼弦。该矩形机翼和给定的任意平面形状的机翼面积、空气动力以及俯仰力矩相同。在这个条件下，假想矩形机翼的弦长，就是给定机翼的平均空气动力弦长。机翼的平均空气动力弦的位置和长度，均可以从飞机技术手册上查到。有了平均空气动力弦作为基准，就可以计算飞机重心相对位置。飞机重心位置与装载情况有关，而与飞机飞行状态无关。当载重及其分布情况改变，飞机重心位置就要发生移动。如果飞机前总载重增加，重心位置前移；载重减少，重心位置后移。在飞行中，收放起落架、燃油的消耗等都使飞机重心位置发生变化。有了平均空气动力弦作为基准，就可以计算飞机重心相对位置。设重心的投影点到前缘点的距离为XT，平均空气动力弦长为bA，则重心相对位置可用下表示：重心GG1G2G3G4G5飞机各部分重力的合力叫飞机的重力G=G1+G2+G3+G4+G5+.....图7.6.1飞机重心平均空气动力弦MACbA原后掠机翼假想矩形机翼重心投影点平均空气动力弦bA飞机对称面飞机重心XT图7.6.3平均空气动力弦图7.6.2飞机重心相对位置XT=100%XTbA2、飞机的机体轴通过飞机重心的三条互相垂直的、以机体为基准的坐标轴，叫机体轴。飞机在空中的运动，可分解为飞机各部分随重心一起的移动和各部分绕重心的转动。它可分为：(1)纵轴：沿机身轴线，通过飞机重心的轴线，叫飞机的纵轴。飞机绕纵轴的转动，叫飞机的横向滚转。操纵副翼可使飞机产生横滚（滚转）运动。(2)横轴：沿机翼屁向通过飞机重心并垂直纵轴的轴线，叫飞机的横轴。飞机绕横轴的转动，叫俯仰转动。操纵升降舵可使飞机产生俯仰运动。(3)立轴：通过飞机重心并垂直于纵轴和横轴的轴线，箭头方向向上，叫飞机的立铀。飞机绕立轴的转动，叫方向偏转。因此立轴又称为偏航轴。操纵方向舵可使飞机产生偏航运动。3、操纵飞机绕三轴运动驾驶员通过操纵手、脚操纵机构可操纵飞机绕三个转动轴的运动。手操纵机构用于操纵副翼和升降舵，转动驾驶盘可操纵副翼，前推或后拉驾驶盘可操纵升降舵的偏转。当向左转驾驶盘时，左侧副翼向上偏转，同时右侧副翼向下偏转，从而导致左侧机翼的升力减小，而右侧机翼的升力增大，这样就产生了使飞机向左滚转的力矩，飞机则向左侧滚转。当向右转驾驶盘时，右侧副翼向上偏转，同时左侧副翼向下偏转，导致右侧机翼的升力减小，而左侧机翼的升力增大，使飞机绕纵轴向右滚转。当前推驾驶盘时，位于水平安定面上的升降舵向下偏转，使飞机水平尾翼的升力增大，使飞机绕横轴产生下俯（低头）；当后拉驾驶盘时，升降舵向上偏转，飞机水平尾翼的升力减小，使飞机机头上仰（抬头）。方向舵用于操纵飞机绕立轴的转动。当方向舵脚蹬在中立位置时，即左右脚蹬平齐时，方向舵也处于中立位置。当向前蹬左脚蹬，右脚蹬向后运动时，方向舵向左偏转，作用于垂直尾翼上的空气动力使飞机机头向左偏转。当向前蹬右脚蹬时，方向舵向右偏转，从而使机头向右偏转。4、水平安定面现代大中型飞机由于纵向尺寸大，重心纵向位移量大，如果重心偏前或偏后，需要的纵向操纵量很大，单靠升降舵不能完全实现纵向操纵性，因此大多数飞机的水平安定面的安装角是可调节的。飞机在起飞之前应根据飞机的载重和平衡的情况进行水平安定面的配平。水平安定面在起飞之前必须调节到起飞位，以保证飞机在起飞过程中的纵向操纵。水平安定面起飞前调定的角度就是配平格。图7.6.4飞机的三个转动轴STABTRIMAPLNOSEDOWNAPLNOSEUP051015飞机低头配平飞机抬头配平水平安定面中立位水平安定面TAKE-OFF：起飞MAC：平均空气动力弦CG：重心二、飞机的平衡1、飞机平衡平衡的问题，在日常生活中会经常遇到，比如用秤称东西，秤钩上的重量改变了，要相应地移动秤砣，以求得平衡。飞机在空中飞行，也要求保持平衡。飞机的平衡是指作用于飞机上的各力之和为零，各力对飞机重心所构成的各力矩的代数和也为零。飞机处于平衡状态时，飞行速度的大小和方向都保持不变，也不绕飞机重心转动。反之，飞机处于不平衡状态时，飞行的速度的大小和方向都将发生变化，并绕飞机重心转动。飞机平衡包括以下两种平衡。1）作用力平衡包括升力和重力平衡、拉力和阻力平衡。若飞机的升力、重力不平衡，则飞机的高度会发生变化；若飞机的拉力、阻力不平衡，则飞机的飞行速度会发生变化。2）力矩平衡是指作用于飞机的各力矩之和为零。它包括以下三个平衡：①俯仰平衡：指作用于飞机各俯仰力矩之和为零。飞机获得俯仰平衡后，迎角不改变，不绕横轴转动。飞机飞行时，水平尾翼也产生一定的升力并且这个升力的大小和方向可利用升降舵的偏转来改变。只要使尾翼上产生的升力对飞机重心的力矩和机翼升力、发动机推力等对飞机重心的力矩大小相等、方向相反，就可以保持飞机的俯仰平衡。②方向平衡：指作用于飞机的左偏转力矩和右偏转力矩彼此相等，飞机不绕立轴转动。飞机的偏转力矩主要有：机翼的阻力力矩、发动机产生的拉力力矩、垂直尾翼和方向舵产生的力矩。③横侧平衡：指作用于飞机的左滚力矩和右滚力矩彼此相等，飞机不绕纵轴滚转。飞机的滚转力矩主要有：左、右机翼的升力对重心形成的力矩。2、飞机俯仰平衡图7.6.6取得俯仰平衡时飞机上各力的作用情况重力大翼升力尾翼升力推力阻力飞机的俯仰平衡是指飞机做等速直线运动，并且不绕横轴转动的飞行状态。保持飞机俯仰平衡的条件是作用于飞机的各俯仰力矩的代数和为零，飞机取得俯仰平衡后，不绕横轴转动，迎角保持不变。影响飞机俯仰平衡的主要因素是机翼和水平尾翼升力产生的俯仰力矩。机翼的力矩主要是机翼升力对飞机重心构成的俯仰力矩。水平尾翼力矩是水平尾翼的升力对飞机重心所构成的力矩。飞机重心位置的变化对其俯仰平衡具有较大的影响。由于大中型飞机的储油量较多，在飞机飞行过程中，随着燃油的消耗，会使飞机重心的位置发生变化。另外，地面运输人员对飞机进行的各项装载，也会影响飞机的重心位置。飞机重心的位置是有严格限制的，如果按照飞机的技术规范进行装载，就不会使飞机的重心超过其允许的重心范围。如果对飞机载重安排的重心不符合规定要求，就会影响飞机的俯仰平衡，同时还会影响飞机的稳定性和操纵性。如果飞机的重心过于靠前，则会使飞机的低头力矩过大；若飞机的重心过于靠后，会使飞机的抬头力矩过大。3、保持飞机俯仰平衡的方法驾驶员可通过控制升降舵的偏转角度保持飞机的俯仰平衡。驾驶员操纵驾驶盘，当前推驾驶盘时，升降舵向下偏转，使水平尾翼的升力增大，从而增大飞机低头力矩。当后拉驾驶盘时，升降舵向上偏转，使水平尾翼的升力减小，可使飞机抬头力矩增大。现代大型飞机由于纵向尺寸大，重心纵向位移量较大，单靠升降舵不能保证在各种飞行状态下的纵向平衡，因此现代大中型飞机的水平安定的安装角大多是可调节的。需要长时间或大角度操纵升降舵时，可以改变水平安定面的安装角实现纵向配平。4、飞机的横向平衡及方向平衡飞机的横向平衡是指作用于飞机的各滚转力矩之和为零，飞机取得横向平衡后，不绕纵轴滚转。影响飞机滚转平衡的主要因素是两侧机翼的升力对飞机纵轴形成的力矩。驾驶员可通过操纵驾驶盘，从而操纵副翼的偏转角，来保持飞机的横向平衡。重心位置左右移动，会影响飞机的横向平衡。重心位置右移，右翼升力至重心的距离缩短，使飞机向左滚转的力矩减小，左翼升力至重心的距离加长，使飞机向右滚的力矩增大，这将迫使飞机向右滚转。如果左右翼油箱的燃油消耗不平衡，即左右翼油箱的燃油量相差较大，会导致飞机重心左右移动，从而破坏飞机的横向平衡。飞机的方向平衡是指作用于飞机各偏航力矩之和为零，飞机取得方向平衡后，不绕立轴转动。影响飞机方向平衡的主要因素是垂直尾翼上的气动力。驾驶员可通过操纵方向舵脚蹬，控制方向舵的偏转角来保持飞机的方向平衡。飞机左右配载不平衡，对横向平衡也有一些影响，大型货机通常需要对左右配载总量进行检查，务必在规定的安全范围内。三、飞机的稳定性1、稳定性在飞机中，飞机会经常受到各种各样的扰动，如气流的波动，发动机工作的不均衡，驾驶员偶然触动杆舵等，这些扰动会使飞机偏离原来的平衡状态。在偏离后，飞机能否自动恢复原状，这就是有关飞机的稳定或不稳定的问题。因此，飞机的稳定性就是在飞行中，当飞机受微小扰动（如气流波动）而偏离原来状态，并在扰动消失以后，不经飞行员操纵，飞机能自动恢复原来平衡状态的特性。三个小球处于平衡状态稳定平衡不稳定平衡随遇平衡要说明如何使飞机在空中稳定地飞行，先来看一下物体，比如说圆球的稳定情况。一个物体的稳定和它是否平衡有关。例如一个圆球首先应能平衡，然后才有稳定。当圆球处于平衡状态时，对它稍加一点力，使它离开原来的状态，外力一取消，它立刻就恢复到原来的状态。这种情况叫“稳定平衡”。如果加外力后它就离开了原位，外力取消后，并不能恢复到原来状态，这就叫“不稳定平衡”。如果施加外力后，小球偏离原来的状态，当外力消失时，小球在一个新的位置处于平衡状态，此情况称为随遇平衡或中和稳定。飞机的情况也是一样，也有稳定、不稳定和中和稳定三种情况。如果飞机在空中做水平直线等速飞行，这时升力等于重力，拉力等于阻力，各个力量互相抵消，同时各个力矩也互相抵消，那么，这架飞机处于平衡状态，正在平衡地飞行。倘若飞机受到一个小的外力短瞬的干扰（例如突然吹来一阵风），破坏了它的平衡，在外力取消后，驾驶员不加操纵，飞机靠自身某个构件产生的力矩，就能恢复到原来的飞行状态，这架飞机就是稳定的。否则就是不稳定的。如果始终保持一定的偏离，或则转入另一种平衡飞行状态，那么，这架飞机就是中和稳定的。飞机在平衡状态下，具有自动恢复平衡状态的能力，这就是飞机的稳定性。飞机与圆球的运动有一点不同，即飞机是在空间飞行，而圆球是在平面上滚动的，因此，飞机是否稳定须按三个互相垂直的轴来考虑。这三根轴都是通过飞机的重心。飞机重心就是飞机重力的作用点。从机头贯穿机身到机尾的轴叫纵轴，其方向指向前。从左翼通过飞机到右翼，并与纵轴垂直的轴叫横轴，这两根轴同处水平面内。通过重心并和这两根轴垂直的轴叫立轴。飞机绕这三根轴线有纵向、方向和侧向稳定。同时也有三种运动，绕横轴的运动叫俯仰运动，绕立轴的叫偏航运动，绕纵轴的运动叫滚转运动。2、飞机纵向稳定性（俯仰稳定性、仰角稳定性）指飞机受微小扰动迎角发生变化，自动恢复原来迎角的特性。飞机是通过水平尾翼产生的附加升力，对机场重心形成机头下俯或上仰的安定力矩来获得迎角稳定性的。此外，飞机的重心位置对迎角安定性有较大影响，所以，飞机的配载是很重要的。影响飞机纵向稳定的一个重要因素是飞机迎角的变化。当飞机做平衡飞行时，若有一个小的外力干扰，使它的迎角变大或变小，飞机抬头或低头，绕横轴上下摇摆。外力消除后，驾驶员不操纵飞机，而靠飞机本身的构造产生一个力矩，使它恢复到原来的平衡飞行状态，则这架飞机是纵向稳定的。如果飞机不能靠自身的机构恢复原来的状态的，就叫纵向不稳定。如果它既不恢复，也不远离，总是上下摇摆，就叫纵向中和稳定。影响飞机纵向稳定的因素很多，差不多飞机上每一个大部件（如机身、机翼等）都对稳定产生一定的影响。但影响最大、起决定作用的因素是水平尾翼和飞机重心位置