飛機的穩(wěn)定性

4.2飛機的穩(wěn)定性理解飛機為什么會有穩(wěn)定性穩(wěn)定力矩和阻轉力矩的產(chǎn)生原因、作用、大小1

飛機的穩(wěn)定性是指，飛機受擾偏離原平衡狀態(tài)，偏離后飛機能自動恢復到原平衡狀態(tài)的能力。24.2.1穩(wěn)定性概念及條件一旦擺錘偏離原平衡狀態(tài)，重力分力形成的力矩力圖使擺錘回到原平衡位置。此外，擺錘在擺動過程中還受到空氣阻力形成的力矩作用。單擺的穩(wěn)定性下垂的單擺是穩(wěn)定的，因為其受到穩(wěn)定力矩和阻尼力矩的共同作用。阻尼力矩原平衡狀態(tài)穩(wěn)定力矩阻尼力矩原平衡狀態(tài)穩(wěn)定力矩單擺在這兩個力矩的共同作用下，最終回到原平衡狀態(tài)。3物體受擾后的運動過程中，自動出現(xiàn)的、力圖使物體最終回到原平衡狀態(tài)的、方向始終與運動方向相反的力矩，稱為阻尼力矩。物體受擾偏離原平衡狀態(tài)后，自動出現(xiàn)的、力圖使物體回到原平衡狀態(tài)的、方向始終指向原平衡位置的力矩，稱為穩(wěn)定力矩。阻尼力矩原平衡狀態(tài)穩(wěn)定力矩阻尼力矩原平衡狀態(tài)穩(wěn)定力矩單擺的穩(wěn)定性分析4

倒立單擺的穩(wěn)定性倒立的單擺不具備這兩個力矩，因此是不穩(wěn)定的。原平衡狀態(tài)不穩(wěn)定力矩5靜穩(wěn)定性與動穩(wěn)定性

受擾后出現(xiàn)穩(wěn)定力矩，具有回到原平衡狀態(tài)的趨勢，稱為物體是靜穩(wěn)定的。靜穩(wěn)定性研究物體受擾后的最初響應問題。6靜穩(wěn)定性與動穩(wěn)定性

擾動運動過程中出現(xiàn)阻尼力矩，最終使物體回到原平衡狀態(tài)，稱物體是動穩(wěn)定的。動穩(wěn)定性研究物體受擾運動的時間響應歷程問題。振幅正的動穩(wěn)定性（穩(wěn)定）中立動穩(wěn)定性負的動穩(wěn)定性（不穩(wěn)定）7飛機穩(wěn)定性的定義飛機的穩(wěn)定性是指：飛機受到小擾動〔包括陣風擾動和操縱擾動〕后，偏離原平衡狀態(tài)，并在擾動消失后，飛行員不給于任何操縱，飛機自動恢復原平衡狀態(tài)〔包括最初響應—靜穩(wěn)定性問題，和最終響應—動穩(wěn)定性問題〕的特性。俯仰穩(wěn)定性方向穩(wěn)定性橫側穩(wěn)定性8飛機的穩(wěn)定性飛機具有穩(wěn)定性飛機不具有穩(wěn)定性飛機具有中立穩(wěn)定性9飛機的俯仰穩(wěn)定性，指的是飛行中，飛機受微小擾動以至俯仰平衡遭到破壞，在擾動消失后，飛機自動趨向恢復原平衡狀態(tài)的特性。4.2.2飛機的俯仰穩(wěn)定性什么是俯仰穩(wěn)定性10水平尾翼俯仰穩(wěn)定力矩的產(chǎn)生

俯仰穩(wěn)定力矩主要由平尾產(chǎn)生11俯仰穩(wěn)定力矩主要由平尾產(chǎn)生平尾可以產(chǎn)生俯仰穩(wěn)定力矩，趨于保持飛機的俯仰平衡。俯仰轉動機翼迎角平尾升力零升迎角較小正迎角較大正迎角負升力零升力正升力12瞬間受擾機頭上抬擾動運動消失迎角恢復原值平尾附加升力俯仰穩(wěn)定力矩平尾產(chǎn)生俯仰穩(wěn)定力矩13焦點與俯仰穩(wěn)定力矩飛機迎角改變時附加升力的著力點稱為焦點。14焦點位置確實定迎角增加，壓力中心向前移動機翼升力對A點的上仰力矩增加1516焦點與俯仰穩(wěn)定力矩

只有焦點的位置在飛機的重心之后飛機才具有俯仰穩(wěn)定性，焦點距離重心越遠，俯仰穩(wěn)定性越強。穩(wěn)定不穩(wěn)定17俯仰阻尼力矩的產(chǎn)生俯仰阻尼力矩主要由平尾產(chǎn)生轉動方向相對氣流平尾附加升力俯仰阻尼力矩飛機轉動方向1819俯仰穩(wěn)定性的判別俯仰力矩系數(shù)曲線：俯仰力矩系數(shù)：20俯仰力矩系數(shù)曲線

俯仰力矩系數(shù)曲線的斜率也稱為迎角穩(wěn)定度或縱向靜穩(wěn)定度，它表示迎角每變化1度時俯仰力矩系數(shù)的變化量，它的表達式為：αmz抬頭低頭

α

mz21αmz抬頭低頭

α

mz

當焦點在重心之后，飛機具有俯仰穩(wěn)定性，這也意味著俯仰力矩系數(shù)曲線斜率為負。俯仰力矩系數(shù)曲線重心焦點224121.具有縱向穩(wěn)定性的飛機，飛機重心位于壓力中心前位于壓力中心后與壓力中心重合234127.重心靠后，飛機的縱向安定性變強減弱保持不變244088.平尾的作用保持飛機具有俯仰穩(wěn)定性主要用來產(chǎn)生正升力以增大飛機升力減小飛機阻力254096.飛機的焦點機翼升力的著力點全機升力的著力點迎角改變時，附加著力點264094.飛機的焦點位于飛機重心之后越遠，飛機的縱向穩(wěn)定性越強越弱與之沒有關系274111．具有正靜安定性的飛機，當受到擾動使平衡狀態(tài)變化后，有回到原平衡狀態(tài)的趨勢繼續(xù)偏離原平衡狀態(tài)的趨勢保持偏離后的平衡狀態(tài)284124．飛行中減小發(fā)動機功率，由于機翼和螺旋槳的下洗減弱，飛時機出現(xiàn)一定的____傾向。下俯上仰左偏29

飛機的方向穩(wěn)定性，指的是飛行中，飛機受微小擾動以至方向平衡遭到破壞，在擾動消失后，飛機自動趨向恢復原平衡狀態(tài)的特性。4.2.3飛機的方向穩(wěn)定性什么是方向穩(wěn)定性30方向穩(wěn)定力矩主要是在飛機出現(xiàn)側滑時由垂尾產(chǎn)生的。主要方向穩(wěn)定力矩的產(chǎn)生31由垂尾產(chǎn)生的方向穩(wěn)定力矩32垂尾面積的影響

垂尾面積越大，方向穩(wěn)定力矩越大。相對氣流相對氣流擾動擾動穩(wěn)定力矩穩(wěn)定力矩較小側力（面積小）較大側力（面積大）33機身四分之一翼弦連線橫軸后掠角后掠角的設計等也能夠使機翼產(chǎn)生方向穩(wěn)定力矩。其他方向穩(wěn)定力矩的產(chǎn)生上反角34

后掠角的存在，使側滑前翼的相對氣流有效分速大，因而阻力更大，從而產(chǎn)生方向穩(wěn)定力矩。后掠角在側滑中所產(chǎn)生方向穩(wěn)定力矩35方向阻尼力矩的產(chǎn)生方向阻尼力矩主要由垂尾產(chǎn)生。飛機轉動的過程中，垂尾處出現(xiàn)附加的側向氣流速度分量，導致垂尾出現(xiàn)側力，側力形成的力矩起到阻礙轉動的作用，稱方向阻尼力矩。垂尾側力轉動方向阻尼力矩3637

飛機的橫側穩(wěn)定性，指的是飛行中，飛機受微小擾動以至橫側平衡遭到破壞，在擾動消失后，飛機自動趨向恢復原平衡狀態(tài)的特性。4.2.4飛機的橫側穩(wěn)定性什么是橫側穩(wěn)定性38主要橫側穩(wěn)定力矩的產(chǎn)生側力橫側穩(wěn)定力矩主要由側滑中機翼的上反角和后掠角產(chǎn)生。39上反角情況下，側滑前翼的迎角更大，升力大于側滑后翼的升力，從而產(chǎn)生繞縱軸的橫側穩(wěn)定力矩。上反角產(chǎn)生的橫側穩(wěn)定力矩40

側滑前翼的升力大于側滑后翼的升力，是機翼能夠具有橫側穩(wěn)定性必要條件。后掠角產(chǎn)生的橫側穩(wěn)定力矩后掠角情況下，側滑前翼的有效分速大，因而升力大于側滑后翼的升力，從而產(chǎn)生橫側穩(wěn)定力矩。41其他橫側穩(wěn)定力矩的產(chǎn)生

機翼上下位置和垂尾也能夠使機翼產(chǎn)生橫側穩(wěn)定力矩。42上單翼飛機橫側穩(wěn)定性強下單翼飛機橫側穩(wěn)定性弱機翼上下位置的影響43垂尾產(chǎn)生的橫側穩(wěn)定力矩

側滑中，垂尾產(chǎn)生的側力對重心形成的滾轉力矩也是橫側穩(wěn)定力矩。垂尾側力側滑方向側力力臂44橫側阻尼力矩的產(chǎn)生飛機的橫側阻尼力矩主要由機翼產(chǎn)生。飛機在受擾后的轉動過程中，由于機翼存在附加上、下氣流分量，使兩翼迎角不等，從而導致兩翼升力不等，這一阻尼力矩對飛機轉動起阻礙作用。滾轉方向阻尼力矩方向4546滾轉附加氣流速度滾轉附加氣流速度上揚機翼迎角減小下沉機翼迎角增大滾轉對兩翼迎角的影響47飛機的橫側穩(wěn)定性過強而方向穩(wěn)定性過弱，易產(chǎn)生明顯的飄擺現(xiàn)象，稱為荷蘭滾。飛機的橫側穩(wěn)定性過弱而方向穩(wěn)定性過強，在受擾產(chǎn)生傾斜和側滑后，易產(chǎn)生緩慢的螺旋下降。4.2.5飛機方向穩(wěn)定性和橫側穩(wěn)定性的關系飛機的方向穩(wěn)定性與橫側穩(wěn)定性是相互耦合的。48飄擺飛機受擾左傾斜→左側滑，假設橫側穩(wěn)定性強→飛機迅速改平坡度；方向穩(wěn)定性弱→飛機左偏的速度慢，未等左側滑消除，飛機又帶右坡度→右側滑。飛機的橫側穩(wěn)定性過強而方向穩(wěn)定性過弱，易產(chǎn)生飄擺。49飄擺飄擺的危害性在于：飄擺震蕩周期只有幾秒，修正飄擺超出了人的反響能力，修正過程中極易造成推波助瀾，加大飄擺。正常情況下，飄擺半衰期很短，但當方向穩(wěn)定性和橫側穩(wěn)定性不協(xié)調時，易使飄擺半衰期延長甚至不穩(wěn)定，嚴重危及平安。大型運輸機在高空和低速飛行時由于穩(wěn)定性發(fā)生變化易發(fā)生飄擺。因此廣泛使用飄擺阻尼器。5051螺旋不穩(wěn)定飛機受擾左傾斜→左側滑，假設橫側穩(wěn)定性弱→飛機改平坡度慢；方向穩(wěn)定性強→飛機左偏的速度快→快速左偏導致右翼升力大→飛機飛機難于改平左坡度。最終導致飛機進入緩慢的盤旋下降過程，稱螺旋不穩(wěn)定。螺旋不穩(wěn)定的周期較大，對飛行平安不構成威脅，飛機設計中允許出現(xiàn)輕度的螺旋不穩(wěn)定。飛機的橫側穩(wěn)定性過弱而方向穩(wěn)定性過強，易產(chǎn)生螺旋不穩(wěn)定。5253無論是飛機偏轉力矩隨側滑角變化的曲線，還是飛機滾轉力矩隨側滑角變化的曲線，當曲線斜率為負時，才能具有穩(wěn)定性。4.2.6力矩系數(shù)曲線左偏右偏右側滑穩(wěn)定不穩(wěn)定左滾右滾右側滑不穩(wěn)定穩(wěn)定544129.上反角使飛機具有安定性的原因側滑時，上反角使側滑一側機翼的迎角增大，升力增大側滑時，上反角使側滑另一側機翼的迎角增大，升力增大側滑時，上反角使側滑一側機翼的迎角減小，升力增大554130.后掠角使飛機具有橫側安定性的原因側滑時，側滑一側的后掠角增大，升力增大側滑時，側滑另一側的后掠角增大，升力增大側滑時，側滑一側的后掠角減小，升力減小564131.飛機的方向安定性過強，而橫側安定性相對過弱，飛機容易出現(xiàn)飄擺螺旋不穩(wěn)定現(xiàn)象轉彎困難574133.飛行時發(fā)現(xiàn)飛機非指令的時而左滾，時而右滾，同時伴隨機頭時而左偏時而右偏的現(xiàn)象，此跡象說明飛機進入了飄擺飛機進入了失速飛機進入了螺旋584097.機翼后掠角可以產(chǎn)生俯仰安定力矩橫向阻轉力矩橫向安定力矩594099.飛機的方向安定力矩主要由——產(chǎn)生機翼后掠垂尾平尾60重心的位置速度速度增大，穩(wěn)定性越強〔阻尼力矩增大〕。大迎角飛行4.2.7影響飛機穩(wěn)定性的因素高度變化61重心位置靠前，飛機的俯仰穩(wěn)定性越強。重心位置靠前，飛機的方向穩(wěn)定性有所增加，但不明顯。重心位置前后移動，對橫側穩(wěn)定性無影響。重心焦點重心的位置62飛行高度擾動氣流速度相同擾動氣流速度高空低空飛行真空速飛行真空速合速度相對氣流迎角增加量迎角增加量更小在高空，相同當量空速下，同樣擾動氣流速度，飛機受影響更小。但在高空由于阻尼力矩小，飛機擺動的衰減時間長。63飛機受擾左傾，左翼下沉，迎角增大，右翼上揚，迎角減小。假設受擾前在臨界迎角附近，就可能導致迎角大，升力反而小，從而導致橫側阻尼力矩方向改變，飛機進一步左傾，出現(xiàn)機翼自轉現(xiàn)象。下沉側，迎角增大，升力減小上揚側，迎角減小，升力增大大迎角飛行644113．具有中立靜安定性的飛機，當受到擾動使平衡狀態(tài)變化后，有回到原平衡狀態(tài)的趨勢繼續(xù)偏離原平衡狀態(tài)的趨勢保持偏離后的平衡狀態(tài)的趨勢654090.使飛機具有縱向靜穩(wěn)定性，焦點必須位于重心之前之后之上664092.相同重量飛機，當飛機重心越靠前，為了維持飛機的平衡，機翼產(chǎn)生的升力要減小要增大不變674123．常規(guī)布局的飛機，平尾升力對飛機重心的力矩常為使飛機機頭

的力矩。上仰下俯偏轉684114．飛機從已建立的平衡狀態(tài)發(fā)生偏離，假設，那么飛機表現(xiàn)出正動安定性。飛機振蕩的振幅減小使飛機回到原來的平衡狀態(tài)飛機振蕩的振幅持續(xù)增大飛機振蕩的振幅不增大也不減小694117．飛機的縱向安定性有利于防止飛機繞立軸偏轉過快防止飛機繞縱軸滾轉過快防止