第5章-飛機(jī)的平衡、穩(wěn)定和操縱-飛行器原理教學(xué)課件

第5章飛機(jī)的平衡、穩(wěn)定和操縱

5.1飛機(jī)的平衡5.1.1機(jī)體坐標(biāo)系研究飛機(jī)飛行性能時(shí)，是將飛機(jī)作為質(zhì)點(diǎn)看待。研究飛機(jī)的平衡、操穩(wěn)特性時(shí)，必須將飛機(jī)視為有尺寸的剛體或彈性體。為了研究飛機(jī)的平衡和操穩(wěn)特性，需要采用適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系，我們采用機(jī)體坐標(biāo)系。圖

機(jī)體坐標(biāo)系的原點(diǎn)O取在飛機(jī)的重心；圖x軸在飛機(jī)的對(duì)稱面內(nèi)且與機(jī)身軸線〔或翼弦〕平行，稱為飛機(jī)的縱軸，以指向機(jī)頭為正；y軸在飛機(jī)對(duì)稱面內(nèi)，垂直于x軸，稱為立軸/豎軸，以指向座艙蓋方向?yàn)檎?；z軸和Oxy平面垂直，以指向右翼為正，稱為飛機(jī)的橫軸。x、y、z構(gòu)成右手坐標(biāo)系。飛機(jī)繞機(jī)體坐標(biāo)系橫軸Oz的轉(zhuǎn)動(dòng)〔俯仰運(yùn)動(dòng)〕以及沿縱軸Ox和豎軸Oy的移動(dòng)，是發(fā)生在飛機(jī)對(duì)稱面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，稱為縱向運(yùn)動(dòng)。飛機(jī)繞機(jī)體坐標(biāo)系縱軸Ox的轉(zhuǎn)動(dòng)〔滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)〕和沿橫軸Oz的移動(dòng)，是發(fā)生在飛機(jī)橫截面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，稱為橫向運(yùn)動(dòng)。飛機(jī)繞機(jī)體坐標(biāo)系豎軸Oy的轉(zhuǎn)動(dòng)〔偏航運(yùn)動(dòng)〕稱為航向/方向運(yùn)動(dòng)。5.1.2平衡的概念飛機(jī)在飛行時(shí)，所有作用于飛機(jī)的外力與外力矩之和都等于零的狀態(tài)，稱為飛機(jī)的平衡狀態(tài)。飛機(jī)的平衡問題，可歸結(jié)為縱向平衡、橫向平衡和航向/方向平衡的問題。飛機(jī)在飛行中，其平衡狀態(tài)不是一成不變的，經(jīng)常會(huì)因?yàn)楦鞣N因素〔如燃油消耗、收放起落架、收放襟翼、發(fā)動(dòng)機(jī)推力改變或有效載荷的投放等〕的影響而遭到破壞，從而使飛機(jī)的平衡狀態(tài)發(fā)生變化。駕駛員可以通過偏轉(zhuǎn)相應(yīng)的操縱面〔升降舵/全動(dòng)平尾、方向舵、副翼〕來保持飛機(jī)的平衡，稱為配平。5.1.3飛機(jī)的平衡及保持平衡〔配平〕的方法(1)飛機(jī)的縱向平衡及其保持方法飛機(jī)在縱向平面內(nèi)作等速直線飛行(作用在飛機(jī)上的各力保持平衡)并且不繞橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)(飛機(jī)的上仰力矩等于下俯力矩)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，稱為縱向平衡。圖當(dāng)飛機(jī)的縱向平衡狀態(tài)遭到破壞而出現(xiàn)附加的不平衡俯仰力矩時(shí)，可以借助于升降舵的偏轉(zhuǎn)來產(chǎn)生俯仰操縱力矩，以保持飛機(jī)原有的縱向平衡狀態(tài)。

(2)飛機(jī)的橫向平衡及其保持方法飛機(jī)作等速直線飛行(作用在飛機(jī)上的各力保持平衡)并且不繞縱軸滾轉(zhuǎn)(飛機(jī)右傾的力矩等于飛機(jī)左傾的力矩)的飛行狀態(tài)，稱為橫向平衡。圖當(dāng)飛機(jī)的橫向平衡狀態(tài)遭到破壞后，駕駛員可以操縱副翼，使飛機(jī)產(chǎn)生橫向操縱力矩，來克服不平衡的滾轉(zhuǎn)力矩，保持飛機(jī)的橫向平衡狀態(tài)。圖

(3)飛機(jī)的航向/方向平衡及其保持方法飛機(jī)作等速直線飛行(作用在飛機(jī)上的各力保持平衡)并且不繞豎軸轉(zhuǎn)動(dòng)(飛機(jī)左轉(zhuǎn)的力矩等于飛機(jī)右轉(zhuǎn)的力矩)的飛行狀態(tài)，稱為航向/方向平衡。圖當(dāng)飛機(jī)的航向/方向平衡狀態(tài)遭到破壞后，駕駛員應(yīng)當(dāng)用腳蹬，使方向舵偏轉(zhuǎn)，飛機(jī)產(chǎn)生航向/方向操縱力矩，來克服不平衡的航向/方向力矩。圖

飛機(jī)的橫向平衡和航向/方向平衡之間是互相聯(lián)系、互相依賴、互相制約著的。當(dāng)航向/方向平衡破壞時(shí)，那么橫向平衡也不能保持；反過來，假設(shè)橫向平衡遭到破壞，那么航向/方向平衡也要被破壞。由于航向/方向平衡和橫向平衡之間關(guān)系如此密切，通常把二者合在一起，稱為飛機(jī)的橫航向/側(cè)向平衡。顯然，為了保持飛機(jī)的橫航向/側(cè)向平衡，經(jīng)常需要同時(shí)操縱副翼和方向舵。對(duì)于飛機(jī)的配平而言，不平衡的力矩是由一些長(zhǎng)久作用的因素造成的，因而駕駛員適當(dāng)?shù)钠婢涂梢钥朔?。除此之外，飛機(jī)在飛行過程中，還常常會(huì)碰到一些偶然的、瞬時(shí)作用的因素，例如突風(fēng)的擾動(dòng)或偶而觸動(dòng)一下駕駛桿或腳蹬等，也會(huì)使飛機(jī)的平衡狀態(tài)遭到破壞。并且在這種情況下，飛機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化比較劇烈，駕駛員很難加以控制，這便是飛機(jī)的穩(wěn)定性問題。5.2飛機(jī)的穩(wěn)定性5.2.1穩(wěn)定性概念所謂穩(wěn)定性，指處于平衡狀態(tài)的物體在偶然受外力干擾〔小擾動(dòng)〕后，不需要人為的干預(yù)，靠自身特性恢復(fù)原來平衡狀態(tài)的能力。圓球的平衡、穩(wěn)定問題：平衡→瞬時(shí)小擾動(dòng)→偏離平衡狀態(tài)→能否自動(dòng)回到原平衡狀態(tài)？圖圓球穩(wěn)定的3種情況：穩(wěn)定，不穩(wěn)定，中立穩(wěn)定欲使處于平衡狀態(tài)的物體具有穩(wěn)定性，其必要條件是物體在受到擾動(dòng)后能夠產(chǎn)生穩(wěn)定力矩，使物體具有自動(dòng)恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)的趨勢(shì)；其次是在恢復(fù)過程中同時(shí)產(chǎn)生阻尼力矩，保證物體最終恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)。對(duì)飛機(jī)來說，其穩(wěn)定與否，和圓球的情況在實(shí)質(zhì)上是類似的。為了保證飛行平安和便于操縱，飛機(jī)應(yīng)當(dāng)具有良好的穩(wěn)定性。通常將穩(wěn)定性分成靜穩(wěn)定性和動(dòng)穩(wěn)定性。一般來說，只有恰當(dāng)?shù)剡x擇靜穩(wěn)定性的大小，才能保證獲得良好的動(dòng)穩(wěn)定特性。飛機(jī)的靜穩(wěn)定性也可分為縱向靜穩(wěn)定性、橫向靜穩(wěn)定性和航向/方向靜穩(wěn)定性。5.2.2飛機(jī)的縱向靜穩(wěn)定性飛行中，當(dāng)飛機(jī)受到微小擾動(dòng)而偏離其縱向平衡狀態(tài)時(shí)，在擾動(dòng)去除瞬間，飛機(jī)不經(jīng)駕駛員操縱就具有自動(dòng)地恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)的趨勢(shì)，那么稱飛機(jī)具有縱向靜穩(wěn)定性。飛機(jī)重心和飛機(jī)焦點(diǎn)〔飛機(jī)各個(gè)部件升力增量的合力的作用點(diǎn)〕之間的相互位置，決定了飛機(jī)是否具有縱向靜穩(wěn)定性。圖假設(shè)飛機(jī)重心位于其焦點(diǎn)之前，那么飛機(jī)是靜穩(wěn)定的。反之，假設(shè)飛機(jī)重心位于其焦點(diǎn)之后，那么飛機(jī)是靜不穩(wěn)定的。圖水平尾翼的重要作用之一在于保證飛機(jī)具有縱向靜穩(wěn)定性。低速飛行時(shí)，飛機(jī)焦點(diǎn)位置根本是不變的，高速飛行時(shí)，焦點(diǎn)位置會(huì)后移；而飛機(jī)的重心位置卻因燃料的消耗、裝載的改變以及投彈等而發(fā)生移動(dòng)。為了保證良好的縱向靜穩(wěn)定性，就必須對(duì)飛機(jī)重心的變化范圍做嚴(yán)格的限制。關(guān)于飛機(jī)型式和鴨式布局。圖圖圖正常式布局鴨式布局三翼面布局無(wú)尾式布局鴨式加前掠翼氣動(dòng)布局變后掠翼后掠翼飛翼式布局后掠翼加V型尾翼布局鴨式布局前掠翼布局(Ju-287)正常式布局、發(fā)動(dòng)機(jī)翼吊正常式布局、發(fā)動(dòng)機(jī)尾吊焦點(diǎn)的位置取決于機(jī)翼形狀、機(jī)身長(zhǎng)度，特別是機(jī)翼和尾翼的位置與尺寸。在進(jìn)行常規(guī)飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，必須合理地安排飛機(jī)重心的位置，并恰當(dāng)?shù)剡x擇水平尾翼的位置和面積等參數(shù)〔合理布置焦點(diǎn)的位置〕，以確保飛機(jī)的縱向靜穩(wěn)定性?，F(xiàn)代飛機(jī)采用主動(dòng)控制技術(shù)〔ACT〕，允許飛機(jī)縱向靜不穩(wěn)定，即允許飛機(jī)重心位于焦點(diǎn)之后，這種技術(shù)稱為放寬縱向靜穩(wěn)定度。對(duì)于縱向靜不穩(wěn)定的飛機(jī)，隨著迎角的增加，自動(dòng)器使升降舵/全動(dòng)平尾上偏，產(chǎn)生低頭力矩，使飛機(jī)保持縱向穩(wěn)定。放寬靜穩(wěn)定度技術(shù)可以減輕飛機(jī)的重量、提高飛機(jī)性能。5.2.3飛機(jī)的航向/方向靜穩(wěn)定性在飛行中，飛機(jī)受微小擾動(dòng)而使航向/方向平衡狀態(tài)遭到破壞時(shí)。在擾動(dòng)消失瞬間，假設(shè)飛機(jī)能不經(jīng)駕駛員操縱就有自動(dòng)地恢復(fù)到原來航向/方向平衡狀態(tài)的趨勢(shì)，那么稱飛機(jī)具有航向/方向靜穩(wěn)定性。航向/方向平衡狀態(tài)遭到破壞后飛時(shí)機(jī)產(chǎn)生側(cè)滑現(xiàn)象。飛行速度與飛機(jī)參考面之間的夾角稱為側(cè)滑角，用β表示。當(dāng)飛行速度沿橫軸的分量為正時(shí)側(cè)滑角為正〔右側(cè)滑的側(cè)滑角為正〕。圖飛機(jī)的航向靜穩(wěn)定性主要由垂直尾翼來保證。圖5.2.4飛機(jī)的橫向靜穩(wěn)定性在飛行中，飛機(jī)受微小擾動(dòng)而使橫向平衡狀態(tài)遭到破壞時(shí)，在擾動(dòng)消失瞬間，飛機(jī)假設(shè)不經(jīng)駕駛員操縱就具有自動(dòng)地恢復(fù)到原來橫向平衡狀態(tài)的趨勢(shì)，那么稱飛機(jī)具有橫向靜穩(wěn)定性；反之，就沒有橫向靜穩(wěn)定性。橫向平衡狀態(tài)遭到破壞后，飛機(jī)同樣會(huì)產(chǎn)生側(cè)滑現(xiàn)象。圖保證飛機(jī)橫向靜穩(wěn)定性的主要因素是機(jī)翼的上反角、后掠角和垂直尾翼。圖

圖

圖飛機(jī)的橫向靜穩(wěn)定性與航向/方向靜穩(wěn)定性都是在飛機(jī)有了側(cè)滑這個(gè)條件后，通過垂直尾翼、機(jī)翼上反角、機(jī)翼后掠角等產(chǎn)生恢復(fù)力矩，因此，兩者之間緊密聯(lián)系并互相影響，一般統(tǒng)稱為橫航向/側(cè)向靜穩(wěn)定性，它們必須搭配適當(dāng)，才能使飛機(jī)有良好的橫向和方向動(dòng)穩(wěn)定性，否那么飛時(shí)機(jī)出現(xiàn)螺旋或荷蘭滾等不穩(wěn)定狀態(tài)。5.3飛機(jī)的操縱性飛機(jī)不僅應(yīng)有自動(dòng)保持其原有平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性，而且，還要求具有良好的操縱性。所謂飛機(jī)的操縱性，是指飛機(jī)對(duì)駕駛員〔或自動(dòng)駕駛儀等控制設(shè)備〕的操縱做出反響、改變其飛行狀態(tài)的特性，也就是飛機(jī)按照駕駛員的意圖做各種動(dòng)作的能力。操縱性的好壞與飛機(jī)穩(wěn)定性的大小有密切關(guān)系，必須正確處理好穩(wěn)定性與操縱性之間的關(guān)系。飛機(jī)在飛行時(shí)的操縱，是通過三個(gè)主舵面〔操縱面〕——升降舵/全動(dòng)平尾、方向舵和副翼來實(shí)現(xiàn)的。圖各個(gè)操縱面控制飛機(jī)的原理都是一樣的，即通過操縱面的偏轉(zhuǎn)改變升力面上的空氣動(dòng)力，增加或減少的空氣動(dòng)力相對(duì)于飛機(jī)重心產(chǎn)生一個(gè)使飛機(jī)按需要改變飛行姿態(tài)的附加力矩。同穩(wěn)定性一樣，飛機(jī)的操縱性同樣可分為縱向操縱性、航向/方向操縱性和橫向操縱性。5.3.1飛機(jī)的縱向操縱性當(dāng)駕駛員操縱駕駛桿或通過自動(dòng)駕駛儀等偏轉(zhuǎn)升降舵〔或全動(dòng)平尾〕之后，飛機(jī)繞橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)而改變其迎角、速度等飛行狀態(tài)的特性，稱為飛機(jī)的縱向操縱性。飛機(jī)的縱向操縱，依靠位于機(jī)身尾部的裝在水平安定面后緣的升降舵或全動(dòng)平尾來進(jìn)行。圖駕駛員后拉桿或自動(dòng)駕駛儀等控制設(shè)備產(chǎn)生相應(yīng)的指令，使升降舵向上偏轉(zhuǎn)，于是在升降舵〔或全動(dòng)平尾〕上產(chǎn)生向下的附加升力，該力對(duì)飛機(jī)重心形成使飛機(jī)抬頭的操縱力矩，使飛機(jī)抬頭。圖反之，駕駛員前推桿或自動(dòng)駕駛儀等控制設(shè)備產(chǎn)生相應(yīng)的指令，升降舵向下偏轉(zhuǎn)，于是在升降舵〔或全動(dòng)平尾〕上產(chǎn)生向上的附加升力，該力對(duì)飛機(jī)重心形成使飛機(jī)低頭的操縱力矩，使飛機(jī)低頭。當(dāng)舵面向上偏轉(zhuǎn)時(shí)，舵面上產(chǎn)生的附加升力，對(duì)升降舵的轉(zhuǎn)軸亦形成力矩，通常稱為鉸鏈力矩，亦稱樞軸力矩。圖為了保持舵面的偏角不變，駕駛員必須對(duì)駕駛桿作用一定的力，通常稱為駕駛桿力，簡(jiǎn)稱為桿力。桿力的大小及其隨速度的變化規(guī)律是衡量和評(píng)定操縱性好壞的一個(gè)最重要指標(biāo)。桿力是否適當(dāng)，是駕駛員借以感覺來掌握操縱份量的重要依據(jù)。桿力不能太小，也不能太大。在飛行中，升降舵有時(shí)總要有一定的偏角〔其他舵面也一樣，有時(shí)可能會(huì)有很大的偏角〕，因而飛行員對(duì)駕駛桿始終要保持一定的桿力，這在長(zhǎng)途飛行中，不僅分散精力，而且容易使駕駛員疲勞。為了改變這種情況，通常在升降舵后緣裝一個(gè)小舵，稱為調(diào)整片。調(diào)整片的偏轉(zhuǎn)方向與升降舵相反，其產(chǎn)生的空氣動(dòng)力對(duì)升降舵轉(zhuǎn)軸形成的鉸鏈力矩與升降舵上的氣動(dòng)力的鉸鏈力矩方向相反。二者大小相等時(shí)，總的鉸鏈力矩等于零，桿力亦等于零。這樣駕駛員便可以松開駕駛桿進(jìn)行飛行。圖

圖5.3.2飛機(jī)的航向/方向操縱性當(dāng)駕駛員用腳蹬〔或自動(dòng)駕駛儀等控制設(shè)備〕操縱方向舵之后，飛機(jī)繞豎軸轉(zhuǎn)動(dòng)而改變其側(cè)滑角等飛行狀態(tài)的特性，稱為航向/方向操縱性。航向/方向操縱主要通過位于機(jī)身尾部的裝在垂直安定面后緣的方向舵實(shí)現(xiàn)。駕駛員用右腳蹬舵，方向舵向右偏轉(zhuǎn)，在垂直尾翼上產(chǎn)生向左的側(cè)向力，該力對(duì)飛機(jī)重心形成使機(jī)頭向右偏轉(zhuǎn)的航向操縱力矩，使飛機(jī)右偏而產(chǎn)生左側(cè)滑。反之亦然。圖

圖同樣，方向舵上一般也要安裝調(diào)整片。5.3.3飛機(jī)的橫向操縱性當(dāng)駕駛員操縱駕駛桿〔或自動(dòng)駕駛儀等控制設(shè)備〕偏轉(zhuǎn)副翼之后，飛機(jī)繞縱軸滾轉(zhuǎn)或改變其滾轉(zhuǎn)角速度和傾斜角等飛行狀態(tài)的特性，稱為飛機(jī)的橫向操縱性。橫向操縱主要通過副翼來實(shí)現(xiàn)。駕駛員右壓桿，右副翼上偏使右翼升力減小，左副翼下偏使左翼升力增加。左、右機(jī)翼升力之差對(duì)飛機(jī)縱軸形成滾轉(zhuǎn)力矩，使飛機(jī)右滾轉(zhuǎn)。圖圖同理，駕駛員左壓桿，那么左副翼上偏，右副翼下偏，飛機(jī)便向左滾轉(zhuǎn)。駕駛員壓桿行程愈大，副翼偏角亦愈大，飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)角速度