4飞机的平衡稳定性与操纵性

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）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11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12●重心位置的表示X重bMCA重心%100MCAGGbXX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。第四章第页13●平均空气动力弦（MAC）假想的矩形翼的面积、空气动力及俯仰特性与原机翼相同。第四章第页14几何中心●标准平均弦（SMC）●平均空气动力弦（MAC）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。标准平均弦等于机翼面积与翼展的比值。第四章第页15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。③飞机的平衡相对横轴(OZ轴)——俯仰平衡相对横轴(OY轴)——方向平衡相对横轴(OX轴)——横侧平衡第四章第页164.1.2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17CPCG●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18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19②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20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21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22●获得俯仰平衡的条件：0ZM第四章第页234.1.3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24●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25●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26●获得方向平衡的条件：0yM第四章第页274.1.4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28●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29●获得横侧平衡的条件：0xM第四章第页304.1.5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31●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32●襟翼收放放襟翼机翼升力增大，同时升力作用点（压力中心）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33●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34●重心位置变化重心移动对机翼的俯仰力矩影响较大。第四章第页35●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。第四章第页36一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37一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。第四章第页38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40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414.2.1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42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43●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44●静稳定性与动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45●静稳定性与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。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）第四章第页46●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47●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48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49水平尾翼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第四章第页50I.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。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负升力零升力正升力第四章第页51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第四章第页52II.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53●焦点位置的确定迎角增加，压力中心向前移动机翼升力对A点的上仰力矩增加第四章第页54●焦点位置的确定迎角增加，压力中心向前移动机翼升力对B点的下俯力矩增加第四章第页55●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。通常焦点距翼弦前缘点的距离是整个翼弦长度的25%。迎角增加，压力中心向前移动机翼升力对焦点的下俯力矩恒定焦点第四章第页56●焦点与俯仰稳定力矩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。稳定不稳定第四章第页57②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58③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59●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60αmz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61短周期运动长周期运动位移量④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。第四章第页62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63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第四章第页64●由垂尾产生的方向稳定力矩第四章第页65●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66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67●上反角在侧滑中的作用上反角的存在，使侧滑前翼的迎角更大，因此阻力也更大。第四章第页68上反角使侧滑前翼迎角大，阻力大，从而产生方向稳定力矩。●上反角在侧滑中所产生的方向稳定力矩第四章第页69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70●机身、背鳍和腹鳍的方向稳定力矩的产生机身，以及背鳍和腹鳍也可以产生方向稳定力矩。第四章第页71③方向阻尼力矩的产生方向阻尼力矩主要由垂尾产生。飞机转动的过程中，垂尾处出现附加的侧向气流速度分量，导致垂尾出现侧力，侧力形成的力矩起到阻碍转动的作用，称方向阻尼力矩。垂尾侧力转动方向阻尼力矩第四章第页72④方向稳定性与侧滑角飞机的方向稳定性只能保持侧滑角，而不能保持飞机的航向不变，因此也称风标稳定性。丁字风向标第四章第页73飞机的横侧稳定性，指的是飞行中，飞机受微小扰动以至横侧平衡遭到破坏，在扰动消失后，飞机自动趋向恢复原平衡状态的特性。4.2.4飞机的横侧稳定性●什么是横侧稳定性第四章第页74①主要横侧稳定力矩的产生侧力横侧稳定力矩主要由侧滑中机翼的上反角和后掠角产生。第四章第页75上反角情况下，侧滑前翼的迎角更大，升力大于侧滑后翼的升力，从而产生绕纵轴的横侧稳定力矩。I.上反角产生的横侧稳定力矩第四章第页76侧滑前翼的升力大于侧滑后翼的升力，是机翼能够具有横侧稳定性必要条件。II.后掠角产生的横侧稳定力矩后掠角情况下，侧滑前翼的有效分速大，因而升力大于侧滑后翼的升力，从而产生横侧稳定力矩。第四章第页77②其他横侧稳定力矩的产生机翼上下位置和垂尾也能够使机翼产生横侧稳定力矩。第四章第页78上单翼飞机横侧稳定性强下单翼飞机横侧稳定性弱I.机翼上下位置的影响第四章第页79II.垂尾产生的横侧稳定力矩侧滑中，垂尾产生的侧力对重心形成的滚转力矩也是横侧稳定力矩。垂尾侧力侧滑方向侧力力臂第四章第页80在飞机的设计中，为取得合适的横侧稳定性，往往采用这几种机翼构型的组合。下图为上单下反后掠布局。●上单下反后掠布局第四章第页81③横侧阻尼力矩的产生飞机的横侧阻尼力矩主要由机翼产生。飞机在受扰后的转动过程中，由于机翼存在附加上、下气流分量，使两翼迎角不等，从而导致两翼升力不等，这一阻尼力矩对飞机转动起阻碍作用。滚转方向阻尼力矩方向第四章第页82滚转附加气流速度滚转附加气流速度上扬机翼迎角减小下沉机翼迎角增大●滚转对两翼迎角的