飞行原理-04-V3.0

飞行原理/CAFUC飞机的平衡、稳定性与操纵性第四章第四章第页2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。第四章第页3本章主要内容4.1飞机的平衡4.2飞机的稳定性4.3飞机的操纵性飞行原理/CAFUC飞行原理/CAFUC4.1飞机的平衡第四章第页54.1.1飞机的坐标轴和重心①机体轴第四章第页6横轴纵轴立轴俯仰滚转偏转●机体轴及对应转动第四章第页7I.绕横轴（OZ轴）的转动称为俯仰转动注：角速度和力矩均按右手螺旋法则判定正负第四章第页8II.绕立轴（OY轴）的转动称为偏转第四章第页9III.绕纵轴（OX轴）的转动称为滚转第四章第页10②重心（CenterofGravity）整个物体的全部质量可被视为集中在重心这一个点上，重心也是一个物体的平衡点。第四章第页11②重心（CenterofGravity）飞机是一个物体系统，由多个物体组成。飞机各部件、燃料、乘员、货物等重力的合力，叫飞机的重力。飞机重力的着力点叫做飞机重心。第四章第页12重心CG飞机在空中的运动，总可分解成飞机各部分随飞机重心一起的移动和飞机各部分绕重心的转动。②重心（CenterofGravity）第四章第页13WeightCGCG=Centreofgravity●重心位置的表示重心的前后位置常用重心在某一特定翼弦上的投影到该翼弦前端的距离，占该翼弦的百分数来表示。CGCGXChord%100ChordXXCGCG第四章第页14●平均空气动力弦（MeanAerodynamicChord）假想的矩形翼的面积、空气动力及俯仰特性与原机翼相同。●标准平均弦（SMC）标准平均弦等于机翼面积与翼展的比值。第四章第页15m.a.c=2/3[λ+1/(λ+1)]CR●MAC的计算m.a.cλ=CT/CRλ=taperratioCR=RootChordCT=TipChord第四章第页16MeanAerodynamicchord.●MAC图示第四章第页17MeanAerodynamicchord.CGForwardlimitAftlimit重心的前后位置常用重心在MAC上的投影到该翼弦前端的距离，占该翼弦的百分数来表示。重心必须在其前后极限范围内。●重心位置在MAC上的表示第四章第页18③飞机的平衡相对横轴(OZ轴)：俯仰平衡相对立轴(OY轴)：方向平衡相对纵轴(OX轴)：横侧平衡飞机的平衡包括作用力平衡和力矩平衡两个方面。本节只分析各力矩的平衡。第四章第页194.1.2飞机的俯仰平衡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。第四章第页20CPCG●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）产生的俯仰力矩第四章第页21DragThrustWeightCGCG=CentreofgravityLiftCPCP=Centreofpressure●平飞时飞机所受外力第四章第页22机翼升力没有作用于重心上形成低头力矩WeightLiftf平尾负升力产生一个抬头力矩以平衡机翼升力的低头力矩。●机翼升力和平尾升力产生的俯仰力矩第四章第页23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第四章第页24②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。第四章第页25水平尾翼产生的俯仰力矩取决于机翼迎角、升降舵偏角和流向水平尾翼的气流速度。②平尾产生的俯仰力矩第四章第页26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第四章第页27●获得俯仰平衡的条件：0ZM第四章第页284.1.3飞机的方向平衡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。第四章第页29●侧滑是指相对气流方向与飞机对称面不一致的飞行状态。第四章第页30●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第四章第页31●获得方向平衡的条件：0yM第四章第页324.1.4飞机的横侧平衡飞机的横侧平衡是指作用于飞机的各滚转力矩之和为零，坡度不变。第四章第页33●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第四章第页34●获得横侧平衡的条件：0xM第四章第页354.1.5影响飞机平衡的主要因素加减油门收放襟翼收放起落架重心变化①影响俯仰平衡的主要因素第四章第页36●加减油门加减油门不仅直接影响拉力或推力力矩的大小，还会影响到机翼和尾翼力矩的大小。第四章第页37●襟翼收放放襟翼机翼升力增大，同时压力中心CP后移，下俯力矩增加；另一方面，放襟翼使下洗增大，平尾负升力增大，抬头力矩变大。第四章第页38●起落架收放一方面导致飞机重心移动；另一方面，起落架附加阻力变化会引起俯仰力矩变化。第四章第页39●重心位置变化重心移动对机翼的俯仰力矩影响较大。重心前移：第四章第页40●保持俯仰平衡的主要方法飞行员可利用偏转升降舵产生的俯仰操纵力矩来平衡俯仰力矩以保持俯仰平衡。横轴下俯第四章第页41一边机翼变形导致两侧阻力不同、两侧发动机工作状态不同以及螺旋桨副作用影响等。②影响方向平衡的主要因素第四章第页42立轴左偏●保持方向平衡的主要方法飞行员可利用偏转方向舵产生的方向操纵力矩来平衡偏转力矩以保持方向平衡。第四章第页43●A340翼梢小翼掉落第四章第页44一边机翼变形导致两侧升力不同、油门改变和重心移动等。③影响飞机横侧平衡的因素第四章第页45●保持横侧平衡的主要方法飞行员可利用偏转副翼产生的横侧操纵力矩来平衡滚转力矩以保持横侧平衡。左滚纵轴第四章第页46本章主要内容4.1飞机的平衡4.2飞机的稳定性4.3飞机的操纵性飞行原理/CAFUC飞行原理/CAFUC4.2飞机的稳定性第四章第页48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。俯仰稳定性方向稳定性横侧稳定性第四章第页494.2.1稳定性概念及条件一旦摆锤偏离原平衡状态，重力分力形成的力矩力图使摆锤回到原平衡位置。此外，摆锤在摆动过程中还受到空气阻力形成的力矩作用。●单摆的稳定性下垂的单摆是稳定的，因为其受到稳定力矩和阻尼力矩的共同作用。原平衡状态原平衡状态单摆在这两个力矩的共同作用下，最终回到原平衡状态。第四章第页50物体受扰后的运动过程中，自动出现的、力图使物体最终回到原平衡状态的、方向始终与运动方向相反的力矩，称为阻尼力矩。物体受扰偏离原平衡状态后，自动出现的、力图使物体回到原平衡状态的、方向始终指向原平衡位置的力矩，称为稳定力矩。原平衡状态原平衡状态●单摆的稳定性分析第四章第页51●倒立单摆的稳定性倒立的单摆不具备这两个力矩，因此是不稳定的。原平衡状态第四章第页52●静稳定性受扰后出现稳定力矩，具有回到原平衡状态的趋势，称为物体是静稳定的。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第四章第页53振幅正的动稳定性（稳定）中立动稳定性负的动稳定性（不稳定）●动稳定性扰动运动过程中出现阻尼力矩，最终使物体回到原平衡状态，称物体是动稳定的。动稳定性研究物体受扰运动的时间响应历程问题。第四章第页54●静稳定性与动稳定性第四章第页55●静稳定性与动稳定性正的静稳定性正的动稳定性正的静稳定性中立动稳定性正的静稳定性负的动稳定性A：B：C：第四章第页56●飞机稳定性的定义飞机的稳定性是指：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横侧稳定性第四章第页57●飞机的稳定性飞机具有稳定性飞机不具有稳定性飞机具有中立稳定性第四章第页58飞机的俯仰稳定性，指的是飞行中，飞机受微小扰动以至俯仰平衡遭到破坏，在扰动消失后，飞机自动趋向恢复原平衡状态的特性。4.2.2飞机的俯仰稳定性●什么是俯仰稳定性第四章第页59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。①俯仰稳定力矩的产生俯仰稳定力矩主要由平尾产生。水平尾翼第四章第页60俯仰转动机翼迎角平尾升力零升迎角较小正迎角较大正迎角零升力负升力正升力I.俯仰稳定力矩主要由平尾产生平尾可以产生俯仰稳定力矩，趋于保持飞机的俯仰平衡。第四章第页61瞬间受扰机头上抬扰动运动消失迎角恢复原值平尾附加升力俯仰稳定力矩●平尾产生俯仰稳定力矩的过程第四章第页62II.焦点与俯仰稳定力矩飞机迎角改变时附加升力的着力点称为焦点。重心焦点第四章第页63迎角增加，升力增加,压力中心向前移动机翼升力对A点的上仰力矩增加●焦点位置的确定第四章第页64迎角增加，升力增加,压力中心向前移动机翼升力对B点的下俯力矩增加●焦点位置的确定第四章第页65迎角增加，升力增加,压力中心向前移动机翼升力对焦点的下俯力矩恒定●焦点位置的确定在A、B两点之间，存在一个点，当压力中心移动时，机翼升力对此点的力矩大小不变。这个点就是焦点（AerodynamicCenter）。通常焦点距翼弦前缘点的距离是整个翼弦长度的25%。第四章第页66阵风扰动阵风扰动形成抬头力矩焦点上的附加正升力形成低头力矩●焦点位于重心之后，飞机具有俯仰稳定性第四章第页67●焦点位于重心之前，飞机没有俯仰稳定性阵风扰动形成抬头力矩焦点上的附加正升力形成抬头力矩阵风扰动第四章第页68只有焦点的位置在飞机的重心之后飞机才具有俯仰稳定性，焦点距离重心越远，俯仰稳定性越强。稳定●焦点与俯仰稳定力矩不稳定第四章第页69②俯仰阻尼力矩的产生●俯仰阻尼力矩主要由平尾产生转动方向相对气流平尾附加升力俯仰阻尼力矩飞机转动方向第四章第页70③俯仰稳定性的判别俯仰力矩系数曲线：俯仰力矩系数：MACZZcSVMm221第四章第页71●俯仰力矩系数曲线ZZmm俯仰力矩系数曲线的斜率也称为迎角稳定度或纵向静稳定度，它表示迎角每变化1度时俯仰力矩系数的变化量，它的表达式为：αmz抬头低头αmz第四章第页72αmz抬头低头αmz当焦点在重心之后，飞机具有俯仰稳定性，这也意味着俯仰力矩系数曲线斜率为负。●俯仰力矩系数曲线重心焦点第四章第页73④俯仰动稳定性俯仰动稳定性分为长周期运动和短周期两种。短周期运动（Shortperiodoscillation），表现为俯仰角与迎角的交替变化，必须有合适的半衰期。长周期运动（Phugoid），表现为速度与高度的交替变换，又称为沉浮模态，允许轻度不稳定。飞机在受到垂直脉冲气流冲击后的时间响应历程分析：第四章第页74飞机的方向稳定性，指的是飞行中，飞机受微小扰动以至方向平衡遭到破坏，在扰动消失后，飞机自动趋向恢复原平衡状态的特性。4.2.3飞机的方向稳定性●什么是方向稳定性第四章第页75方向稳定力矩主要是在飞机出现侧滑时由垂尾产生的。①主要方向稳定力矩的产生扰动力矩方向稳定力矩相对气流垂尾CP垂尾侧力第四章第页76●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）第四章第页77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。②其他方向稳定力矩的产生上反角第四章第页78●上反角在侧滑中所产生的方向稳定力矩上反角的存在，使侧滑前翼的迎角更大，因此阻力也更大，从而产生方向稳定力矩。第四章第页79有效分速小侧滑前翼侧滑后翼相对气流侧滑角有效分速大后掠角的存在，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第四章第页80●机身、背鳍和腹鳍的方向稳定力矩的产生机身，以