飛行原理（第二版） 課件 第4章 飛機的平衡、穩(wěn)定性和操縱性

飛機的平衡、穩(wěn)定性和操作性第4

章02目錄CONTENTS4.1飛機的平衡4.2飛機的穩(wěn)定性4.3飛機的操作性03014.1飛機的平衡1. 飛機的重心重心可以視為整個物體全部質(zhì)量的集中點，同時它也是物體的平衡點。對于形狀規(guī)則的物體，其重心就是該物體的幾何形心。4.1.1 飛機的重心和機體軸物體的重心4.1.1 飛機的重心和機體軸1. 飛機的重心飛機是一個多物體系統(tǒng)，飛機各部件、燃料、乘員、貨物等重力的合力，叫做飛機的重力。飛機重力的著力點叫做飛機重心（Center

of

Gravity，用

CG表示

）。重力著力點所在的位置，叫做重心位置。重心的前后位置，常用重心在某一特定翼弦上的投影到該翼弦前端的距離占該翼弦的百分比來表示。這一特定翼弦，就是平均空氣動力弦（Mean

AerodynamicChord，用

MAC表示）。知道平均空氣動力弦的位置和長度，就可定出飛機重心的前后位置。平均空氣動力弦重心位置表示法2. 飛機的機體軸在研究飛機的平衡、穩(wěn)定性和操縱性問題時，我們采用機體軸系，如圖

4.4

所示。機體軸系

OXYZ

與飛機固連，坐標系的圓心

O

在飛機重心處?？v軸

OX

平行于機身軸或平行于機翼弦線，指向前；立軸

OY

在飛機對稱面內(nèi)，向上；橫軸OZ

垂直于對稱面，指向右。4.1.1 飛機的重心和機體軸飛機的俯仰平衡，是指作用于飛機的各俯仰力矩之和為零。飛機取得俯仰平衡后，不繞橫軸轉(zhuǎn)動，迎角保持不變。

作用于飛機的俯仰力矩有很多，主要有：機翼產(chǎn)生的俯仰力矩、水平尾翼產(chǎn)生的俯仰力矩、拉力（或推力）產(chǎn)生的俯仰力矩。4.1.2 飛機的俯仰平衡主要的俯仰力矩機翼產(chǎn)生的俯仰力矩是機翼升力對飛機重心所構(gòu)成的俯仰力矩，用M

翼表示。4.1.2 飛機的俯仰平衡水平尾翼產(chǎn)生的俯仰力矩是水平尾翼負升力對飛機重心所形成的俯仰力矩，用M尾

表示。平尾迎角螺旋槳的拉力或噴氣發(fā)動機的推力，其作用線若不通過飛機重心也會形成繞重心的俯仰力矩，這叫拉力或推力力矩，用z拉M

或z推M

表示。對于同一架飛機來說，拉力或推力形成的俯仰力矩的大小主要受油門位置的影響。增大油門，拉力或推力增大，俯仰力矩增大。飛機的方向平衡，是作用于飛機的各偏轉(zhuǎn)力矩之和為零。飛機取得方向平衡后，不繞立軸轉(zhuǎn)動，側(cè)滑角不變或側(cè)滑角為零。側(cè)滑是指相對氣流方向與飛機對稱面不一致的飛行狀態(tài)。

從駕駛艙方向來看，如果相對氣流從左前方吹來，叫做左側(cè)滑；如果從右前方吹來，叫做右側(cè)滑。相對氣流與對稱面的夾角稱為側(cè)滑角。4.1.3 飛機的方向平衡飛機左側(cè)滑示意圖作用于飛機上的偏轉(zhuǎn)力矩主要有：兩翼的阻力對重心形成的力矩，垂直尾翼側(cè)力對重心形成的力矩，雙發(fā)動機或多發(fā)動機的拉力（或推力）對重心形成的力矩。4.1.3 飛機的方向平衡飛機的偏轉(zhuǎn)力矩飛機的橫側(cè)平衡是作用于飛機的各滾轉(zhuǎn)力矩之和為零。飛機取得橫側(cè)平衡后，不繞縱軸滾轉(zhuǎn)，坡度不變或坡度為零。作用于飛機的滾轉(zhuǎn)力矩主要有：兩翼升力對重心形成的力矩，螺旋槳旋轉(zhuǎn)時的反作用力矩。4.1.4 飛機的橫側(cè)平衡飛機的滾轉(zhuǎn)力矩1. 影響俯仰平衡的因素1）加減油門加減油門會改變拉力或推力的大小，從而改變拉力力矩或推力力矩的大小，影響飛機的俯仰平衡。2）收放襟翼收放襟翼會引起飛機升力和俯仰力矩的變化，從而影響俯仰平衡。4.1.5 影響飛機平衡的主要因素放襟翼對俯仰平衡的影響4.1.5 影響飛機平衡的主要因素1. 影響俯仰平衡的因素3）收放起落架收放起落架會引起飛機重心位置的前后移動，飛機將產(chǎn)生附加的俯仰力矩。4）重心的移動重心位置的改變勢必引起各俯仰力矩的改變，主要是引起機翼產(chǎn)生的力矩變化。所以重心前移，下俯力矩增大，飛機低頭；反之，重心后移，上仰力矩增大，飛機抬頭。4.1.5 影響飛機平衡的主要因素影響飛機方向平衡的因素一邊機翼變形（或兩邊機翼形狀不一致）。都將會導致左、右兩翼阻力不相等。多發(fā)動機飛機，左、右兩邊發(fā)動機工作狀態(tài)不同，或者一邊發(fā)動機停車，從而產(chǎn)生不對稱拉力或推力。螺旋槳發(fā)動機的飛機，油門改變，螺旋槳滑流引起的垂直尾翼力矩隨之改變。影響飛機橫側(cè)平衡的因素一邊機翼變形（或兩邊機翼的形狀不一致），兩翼升力不等。螺旋槳發(fā)動機的飛機，油門改變，螺旋的反作用力矩隨之改變。重心左右移動（如兩翼的油箱、耗油不均），兩翼升力作用點至重心的力臂改變，形成滾轉(zhuǎn)力矩。4.2飛機的穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指物體受擾后偏離原平衡狀態(tài)，在擾動消失后，靠自身特性能夠恢復原平衡狀態(tài)的能力。懸擺具有穩(wěn)定性，立擺是不穩(wěn)定的，或者說立擺沒有穩(wěn)定性。4.2.1 穩(wěn)定性概念及條件懸擺的穩(wěn)定性 立擺的不穩(wěn)定性只有在穩(wěn)定力矩和阻尼力矩的共同作用下，才能充分保證懸擺具有穩(wěn)定性。飛機的穩(wěn)定性原理與懸擺的穩(wěn)定性原理基本上是一樣的。飛機之所以有穩(wěn)定性，首先是因為飛機偏離原平衡狀態(tài)時出現(xiàn)了穩(wěn)定力矩，使飛機具有自動恢復原來平衡狀態(tài)的趨勢；其次是在擺動過程中又出現(xiàn)了阻尼力矩，促使飛機擺動減弱乃至消失。4.2.1 穩(wěn)定性概念及條件動穩(wěn)定性描述4.2.2 飛機的俯仰穩(wěn)定性1. 俯仰穩(wěn)定力矩的產(chǎn)生飛機的俯仰穩(wěn)定力矩主要由水平尾翼產(chǎn)生。當飛機受擾動使機翼迎角增大

時，水平尾翼迎角也增大，產(chǎn)生向上的附加升力?L尾

，對飛機重心形成下俯的穩(wěn)定力矩，使飛機趨向于恢復原來的迎角。水平尾翼產(chǎn)生的俯仰穩(wěn)定力矩實際上，當飛機受擾動迎角變化時，除水平尾翼迎角隨之變化外，機身、機翼、螺旋槳等部分的迎角也要發(fā)生變化，同樣也會產(chǎn)生額外的升力。要使飛機最后恢復到原來的迎角，除有俯仰穩(wěn)定力矩，使飛機具有自動恢復到原來迎角的趨勢外，還要在飛機俯仰擺動過程中出現(xiàn)阻尼力矩，迫使飛機的擺動逐漸減弱直至消失。俯仰阻尼力矩主要由水平尾翼產(chǎn)生。4.2.2 飛機的俯仰穩(wěn)定性飛機的焦點位置2. 飛機俯仰阻尼力矩的產(chǎn)生俯仰阻尼力矩的產(chǎn)生3. 飛機俯仰穩(wěn)定性判別飛機是否具有俯仰穩(wěn)定性，可以通過俯仰力矩系數(shù)曲線（mz

～α

變化曲線）判斷。飛機的全機俯仰力矩（Mz）可通過理論計算和實驗（風洞、試飛）得到，飛機的俯仰力矩系數(shù)可用下式計算4.2.3 飛機的方向穩(wěn)定性飛機俯仰力矩系數(shù)隨迎角的變化曲線1. 飛機方向穩(wěn)定力矩的產(chǎn)生方向穩(wěn)定力矩，主要是飛機側(cè)滑時，由垂直尾翼產(chǎn)生的。在平飛中，飛機受微小擾動，出現(xiàn)左側(cè)滑時，空氣從左前方吹向飛機，作

用在垂直尾翼上，產(chǎn)生向右的空氣動力（?

Z尾

），對重心形成左偏力矩，力圖消除側(cè)滑，使飛機自動趨向恢復原來的方向平衡狀態(tài)。這個力矩就是方向穩(wěn)定力矩。此外，機翼的上反角和后掠角也能產(chǎn)生方向穩(wěn)定力矩。4.2.3 飛機的方向穩(wěn)定性垂直尾翼產(chǎn)生的方向穩(wěn)定力矩2. 飛機方向阻尼力矩的產(chǎn)生方向阻尼力矩，主要由垂直尾翼產(chǎn)生。飛機受到擾動機頭右偏，此時，飛機繞著重心順時針轉(zhuǎn)動。此時垂尾向左運動，會額外出現(xiàn)一個向右的相對氣流速度，使得垂尾處原來的相對氣流速度大小和方向都發(fā)生變化，進而形成向右的側(cè)力，這個力對重心形成的力矩方向（逆時針方向）正好與飛機的轉(zhuǎn)動方向相反，阻止飛機偏離原平衡位置更遠，所以該力矩稱為方向阻力力矩。4.2.3 飛機的方向穩(wěn)定性方向阻尼力矩的產(chǎn)生1. 飛機橫側(cè)穩(wěn)定力矩的產(chǎn)生飛機的橫側(cè)穩(wěn)定力矩，主要由側(cè)滑時機翼的上反角和機翼的后掠角產(chǎn)生。飛機在平飛中，受微弱擾動而帶左坡度時，升力（L）和重力（W）的合力（F）形成向心力，使飛機向左側(cè)方做曲線運動，而出現(xiàn)左側(cè)滑。此時，空氣從左前方吹來，因上反角的作用，左機翼迎角增大，升力增大，右機翼的迎角減小，升力減小。加之左機翼上表面的氣流比較平順，升力也比較大，而右機翼上表面可能產(chǎn)生氣流分離，升力較小。于是，左右機翼升力之差形成右滾力矩，力圖消除左坡度，從而消除側(cè)滑，而使飛機具有自動恢復原來橫側(cè)平衡狀態(tài)的趨勢。這個力矩就是橫側(cè)穩(wěn)定力矩。4.2.4 飛機的橫側(cè)穩(wěn)定性機翼上反角的作用機翼的后掠角也將使飛機產(chǎn)生橫側(cè)穩(wěn)定力矩。此外，飛機在側(cè)滑中，垂直尾翼上的附加側(cè)力（?Z尾

）因其著力點在飛機重心位置之上，也會對重心形成橫側(cè)穩(wěn)定力矩。另外，機翼的上下位置不同對飛機的橫側(cè)穩(wěn)定性也有影響。4.2.4 飛機的橫側(cè)穩(wěn)定性機翼后掠角的作用圖機翼上、下位置對橫側(cè)穩(wěn)定性的影響2. 飛機的橫側(cè)阻尼力矩的產(chǎn)生機的橫側(cè)阻尼力矩主要由機翼產(chǎn)生。飛機向左滾轉(zhuǎn)，左翼下沉，在左翼上引起向上的相對氣流速度（

?

v

），而使迎角增大，產(chǎn)生正的附加升力（在臨界迎角范圍內(nèi)）；右翼上揚，在右翼上引起向下的相對氣流速度（

?

v

），而使迎角減小，產(chǎn)生負的附加升力。左右機翼升力之差，形成向右的橫側(cè)阻尼力矩，阻止飛機向左滾轉(zhuǎn)。4.2.4 飛機的橫側(cè)穩(wěn)定性橫側(cè)阻尼力矩的產(chǎn)生4.2.5 飛機方向穩(wěn)定性和橫側(cè)穩(wěn)定性的關系飛機的方向穩(wěn)定性與橫側(cè)穩(wěn)定性是相互聯(lián)系但又不能單獨存在的，也就是說他們是相互耦合的。

飛行中，飛機若無側(cè)滑，既不會產(chǎn)生方向穩(wěn)定力矩，也不會產(chǎn)生橫側(cè)穩(wěn)定力矩。如果飛機有側(cè)滑，除產(chǎn)生向側(cè)滑一邊偏轉(zhuǎn)的方向穩(wěn)定力矩外，同時還要產(chǎn)生向側(cè)滑反方向滾轉(zhuǎn)的橫側(cè)穩(wěn)定力矩。比如，飛機受擾動出現(xiàn)左側(cè)滑時，飛機除產(chǎn)生方向穩(wěn)定力矩，使機頭左偏外，還要產(chǎn)生橫側(cè)穩(wěn)定力矩，使飛機向右滾轉(zhuǎn)。又如，飛機受擾動向左傾斜時，飛機就要出現(xiàn)左側(cè)滑，除產(chǎn)生橫側(cè)穩(wěn)定力矩，使飛機向右滾轉(zhuǎn)，消除傾斜外，同時產(chǎn)生方向穩(wěn)定力矩，使飛機向左偏轉(zhuǎn)，消除側(cè)滑。1. 飄擺（荷蘭滾）現(xiàn)象如果飛機的橫側(cè)穩(wěn)定性過強，而方向穩(wěn)定性過弱，飛機在飛行中受到微小擾動出現(xiàn)傾斜，側(cè)滑時，就會產(chǎn)生明顯的飄擺現(xiàn)象，即所謂的荷蘭滾。4.2.5 飛機方向穩(wěn)定性和橫側(cè)穩(wěn)定性的關系飄擺的危害性在于：飄擺震蕩周期只有幾秒，修正飄擺超出了人的反應能力，并且在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(cè)穩(wěn)定性不協(xié)調(diào)時，易使飄擺半衰期延長甚至不穩(wěn)定，嚴重危及安全。2. 螺旋下降如果飛機的方向穩(wěn)定性過強，而橫側(cè)穩(wěn)定性過弱，飛機在飛行中受微小擾動發(fā)生傾斜、側(cè)滑時，就會自動地產(chǎn)生緩慢的螺旋下降。分別是飛機的偏轉(zhuǎn)力矩系數(shù)（my

）、滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)（mx

）隨側(cè)滑角（

β

）變化的曲線，它們分別叫做飛機的偏轉(zhuǎn)力矩系數(shù)曲線和滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)曲線。兩曲線的斜率

和 ，分別叫做飛機的方向穩(wěn)定度和橫側(cè)穩(wěn)定度。它們分別表示側(cè)滑角變化

1°

飛機偏轉(zhuǎn)力矩系數(shù)和滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)的變化量。4.2.6 從力矩系數(shù)曲線看飛機的方向、橫側(cè)穩(wěn)定性飛機偏轉(zhuǎn)力矩系數(shù)隨側(cè)滑角的變化曲線飛機滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)隨側(cè)滑角的變化曲線4.2.7 影響飛機穩(wěn)定性的因素重心位置前、后變動對飛機穩(wěn)定性的影響重心前后位置對俯仰穩(wěn)定性影響較大。重心位置越靠前，飛機在同樣的擾動下，俯仰擺動的幅度比較小。重心前后位置對方向穩(wěn)定性影響小。重心位置越靠前，飛機的方向穩(wěn)定性增強，但不明顯。重心前后位置對橫側(cè)穩(wěn)定性無影響。重心位置前、后移動，不影響飛機的橫側(cè)穩(wěn)定性。速度變化對飛機穩(wěn)定性的影響飛機擺動衰減時間的長短，主要取決于飛機阻尼力矩的大小。阻尼力矩越大，擺動消失越快，飛機恢復原平衡狀態(tài)越迅速。高度變化對飛機穩(wěn)定性的影響高度增加，空氣密度減小，使得飛機的阻尼力矩減小，從而導致飛機擺動的衰減時間增長，穩(wěn)定性減弱。4. 大迎角飛行對飛機穩(wěn)定性的影響在大迎角或接近臨界迎角飛行時，飛機的橫側(cè)阻尼力矩的方向可能發(fā)生變化，因此飛機可能喪失橫側(cè)穩(wěn)定性，出現(xiàn)機翼自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。4.2.7 影響飛機穩(wěn)定性的因素升力系數(shù)曲線4.3飛機的操縱性4.3.1 飛機的俯仰操縱性飛機的俯仰操縱性，是指飛行員操縱駕駛盤偏轉(zhuǎn)升降舵后，飛機繞橫軸轉(zhuǎn)動而改變其迎角等飛行狀態(tài)的特性。1. 直線飛行中改變迎角的基本原理當迎角增大到一定程度時，穩(wěn)定力矩與操縱力矩相等，飛機俯仰力矩重新取得平衡，飛機停止轉(zhuǎn)動，并保持較大迎角飛行。此時，力矩的平衡關系是：俯仰操縱力矩＝俯仰穩(wěn)定力矩

。直線飛行時改變迎角的基本原理在直線飛行中，駕駛盤前后的每一個位置（或升降舵偏轉(zhuǎn)角）對應著一個迎角。駕駛盤位置越靠后，升降舵上偏角越大，對應的迎角也越大。反之，駕駛盤位置越靠前，升降舵下偏角越大，對應的迎角也越小。如果飛機處于平飛狀態(tài)，飛機的升力與重力必須相等（L＝W），用不同的速度平飛，就需相應地用不同的迎角，才能保持升力不變，使升力始終等于重力。這就是說，在直線飛行中，駕駛盤前后的每一個位置，都對應著一個迎角或飛行速度。4.3.1 飛機的俯仰操縱性平飛中升降舵偏轉(zhuǎn)角與飛行速度的關系曲線2. 曲線飛行中改變迎角的基本原理轉(zhuǎn)動角速度一定時，飛機俯仰力矩的平衡關系是：

俯仰操縱力矩＝俯仰穩(wěn)定力矩＋俯仰阻尼力矩這就是說，操縱力矩的一部分與穩(wěn)定力矩平衡，以保持飛機迎角不變；而另一部分則與阻尼力矩平衡，以保持飛機繞橫軸做等角速度轉(zhuǎn)動。4.3.1 飛機的俯仰操縱性飛機在曲線飛行中的旋轉(zhuǎn)角速度3. 駕駛桿力1）桿力的產(chǎn)生和影響因素當飛行員向前推桿，升降舵向下偏一個角度（δ）時，升降舵上產(chǎn)生一個向上的空氣動力（?L

舵），對升降舵轉(zhuǎn)動軸形成一個力矩（叫鉸鏈力矩），這個力矩迫使升降舵和桿返回中立位置。為保持升降舵偏角不變，亦即保持桿位置不變，飛行員必須用一定的力（P）推桿，以平衡鉸鏈力矩的作用。4.3.1 飛機的俯仰操縱性升降舵鉸鏈力矩所引起的桿力2）配平（調(diào)整）片的作用飛行中，使用配平片可減小或消除桿力。4.3.1 飛機的俯仰操縱性配平片的位置升降舵配平片的作用配平片對平飛中桿力的作用，飛機的方向操縱性，就是在飛行員操縱方向舵以后，飛機繞立軸偏轉(zhuǎn)而改變其側(cè)滑角等飛行狀態(tài)的特性。在方向操縱力矩的作用下，飛機開始繞立軸轉(zhuǎn)動側(cè)滑角增加。在機頭左偏過程中，出現(xiàn)右側(cè)滑，相對氣流從右前方吹來，在機身、垂直尾翼上產(chǎn)生向左的側(cè)力，對重心形成右偏的方向穩(wěn)定力矩，力圖阻止側(cè)滑角的擴大。起初，由于左偏的方向操縱力矩大于右偏的方向穩(wěn)定力矩，側(cè)滑角會繼續(xù)增大。但右偏的方向穩(wěn)定力矩是隨著側(cè)滑角的增大而增大的，當方向穩(wěn)定力矩增大到與方向操縱力矩取得平衡時，飛機保持一定的側(cè)滑角（

β

）不變。此時，力矩的平衡關系為方向操縱力矩＝方向穩(wěn)定力矩4.3.2 飛機的方向操縱性（飛機無滾轉(zhuǎn)）無滾轉(zhuǎn)時飛機改變側(cè)滑角的基本原理飛機的橫側(cè)操縱性，是在飛行員操縱副翼以后，飛機繞縱軸滾轉(zhuǎn)而改變其滾轉(zhuǎn)角速度、坡度等飛行狀態(tài)的特性。在橫側(cè)操縱力矩的作用下，飛機開始繞縱軸轉(zhuǎn)動，使飛機向右加速滾轉(zhuǎn)。由于我們討論的是無側(cè)滑的橫側(cè)操縱，所以飛機在出現(xiàn)坡度后不會有穩(wěn)定力矩出現(xiàn)。但飛機右滾，會有滾轉(zhuǎn)角速度，因而產(chǎn)生橫側(cè)阻尼力矩，制止飛機右滾。起初，橫側(cè)操縱力矩大于橫側(cè)阻尼力矩，滾轉(zhuǎn)角速度是逐漸增大的。隨著滾轉(zhuǎn)角速度的增大，橫側(cè)阻尼力矩也逐漸增大。所以滾轉(zhuǎn)角速度的變化只取決于橫側(cè)操縱力矩和橫側(cè)阻尼力矩，當橫側(cè)阻尼力矩增大到與橫側(cè)操縱力矩取得平衡時，飛機保持一定的角速度滾轉(zhuǎn)，這時力矩平衡關系式為4.3.3 飛機的橫側(cè)操縱性（飛機無側(cè)滑）無側(cè)滑時飛機橫側(cè)操縱的基本原理飛機的方向操縱性和橫側(cè)操縱性與方向穩(wěn)定性和橫側(cè)穩(wěn)定性一樣，也是互相聯(lián)系和互相影響的，即它們也是相互耦合的。在實際飛行中，側(cè)滑和滾轉(zhuǎn)常常是同時出現(xiàn)的。只蹬舵，飛機不僅繞立軸偏轉(zhuǎn)，同時還會繞縱軸