第四章飞机的平衡稳定性操纵性

飞机的静稳定性与操纵性飞机的动稳定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1、飞机的平衡2、飞机的稳定性3、飞机的操纵性飞机的平衡第四章第页5飞机的重量与重心飞机各部件、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6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。飞机的重量与重心第四章第页7●重心位置的表示X重CMCA重心%100MCAGGbXX飞机重心所在的位置(左右对称、前后位置)，常用重心在飞机某一特定翼弦（平均空气动力弦或标准平均弦）上的投影到该翼弦前端的距离，占该翼弦长度的百分数来表示。第四章第页8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9常用的坐标系机体坐标系气流坐标系第四章第页10•飞机的平衡：所有作用在飞机上的力之和等于零，各力绕重心构成的诸力矩之和也等于零的飞行状态。•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。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11飞机的平衡可以从两个方面进行分别研究飞机的纵向平衡（或俯仰平衡）飞机的侧向平衡第四章第页124.1.2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13CPCG●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14●获得俯仰平衡的条件：0ZM第四章第页154.1.3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16●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17●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18●获得方向平衡的条件：0yM第四章第页194.1.4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20●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21●获得横侧平衡的条件：0xM第四章第页22本章主要内容1、飞机的平衡2、飞机的稳定性3、飞机的操纵性第四章第页23思考：什么是稳定性？稳定性概念及条件第四章第页254.2.1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26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27●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28●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29●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30●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31●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32飞机在平衡状态受到小扰动后的几种基本运动形式●飞机的稳定性第四章第页33●静稳定性与动稳定性第四章第页342、飞机的稳定性飞机的俯仰稳定性飞机的方向稳定性飞机的横侧稳定性飞机的侧向稳定性第四章第页35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。飞机的俯仰稳定性是由俯仰稳定力矩和俯仰阻尼力矩共同作用的结果。4.2.2飞机的俯仰稳定性●什么是俯仰稳定性第四章第页36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37I.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38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39翼型上，以1/4弦长处为距心，得到翼型的升力L和使翼型俯仰转动的力矩MF（使抬头为正）MF（或mF）不随攻角改变，故把1/4弦长处称为焦点焦点是附加升力的作用点，又称为气动中心焦点定义LMF第四章第页40●焦点位置的确定理论分析，在低速、亚音速时，翼型焦点在1/4弦长处实验结果表明，焦点坐标在23%-27%范围内迎角增加，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41II.焦点与俯仰稳定力矩迎角发生变化时，机身、机翼等各部件都会产生附加升力飞机迎角改变时附加升力合力的作力点称为焦点。重心焦点第四章第页42●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43俯仰静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44●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45αmz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46俯仰阻尼力矩的产生●俯仰阻尼力矩主要由平尾产生转动速度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47第四章第页48短周期运动长周期运动位移量俯仰动稳定性两种典型振动模态：短周期模态：周期短、衰减速度快长周期模态：周期长、衰减慢第四章第页49俯仰动稳定性飞机的纵向扰动大致可分为两个阶段：在扰动运动的最初阶段，表现为迎角和角速度有较快变化的短周期运动，飞行速度基本保持不变。在扰动的后一阶段，其主要特征表现为飞行速度和轨迹升降角不断缓慢变化的长周期运动，飞机的攻角基本不变。第四章第页50思考题1：αmz已知某飞机的俯仰力矩系数与迎角的关系如下图所示，该飞机的正的动稳定性。请问该飞机是否具有俯仰静稳定性？是否具有俯仰稳定性？该飞机如果受到瞬间抬头的干扰能否最后回到平衡状态？如果可以，该平衡状态是否是原来的平衡状态，如果不可以，飞机该怎样运动？第四章第页512、飞机的稳定性飞机的俯仰稳定性飞机的方向稳定性飞机的横侧稳定性飞机的侧向稳定性飞机稳定性的影响因素第四章第页52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。飞机的方向稳定性●什么是方向稳定性第四章第页53●侧滑是指相对气流方向与飞机对称面不一致的飞行状态。①主要方向稳定力矩的产生第四章第页54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55●由垂尾产生的方向稳定力矩第四章第页56●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57机身横轴后掠角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58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59●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60③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相对气流垂尾运动方向第四章第页61第四章第页622、飞机的稳定性飞机的俯仰稳定性飞机的方向稳定性飞机的横侧稳定性飞机的侧向稳定性飞机稳定性的影响因素第四章第页63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64①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65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66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67②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68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69II.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70③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71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●滚转对两翼迎角的影响第四章第页722、飞机的稳定性飞机的俯仰稳定性飞机的方向稳定性飞机的横侧稳定性飞机的侧向稳定性飞机稳定性的影响因素第四章第页73飞机的侧向稳定性飞机的方向稳定性与横侧稳定性是相互耦合的，飞机的方向稳定性和横侧稳定性的总和，叫侧向稳定性侧向扰动运动由两种非周期模态（滚转模态和盘旋下降模态）和一个振荡模态（飘摆模态）组成。第四章第页74●滚转模态飞机在受侧向扰动初期，主要表现出飞机的滚转角速度和机翼坡度的迅速变化，这种迅速衰减的滚转阻尼运动，就是滚转模态第四章第页75●飘摆模态飞机受扰左倾斜→左侧滑，若横侧稳定性强→飞机迅速改平坡度；方向稳定性弱→飞机左偏的速度慢，未等左侧滑消除，飞机又带右坡度→右侧滑。飞机的横侧稳定性过强而方向稳定性过弱，易产生飘摆。滚转阻尼运动基本结束之后第四章第页76●飘摆飘摆的危害性在于：飘摆震荡周期只有几秒，修正飘摆超出了人的反应能力，修正过程中极易造成推波助澜，加大飘摆。正常情况下，飘摆半衰期很短，但当方向稳定性和横侧稳定性不协调时，易使飘摆半衰期延长甚至不稳定，严重危及安全。大型运输机在高空和低速飞行时由于稳定性发生变化易发生飘摆。因此广泛使用飘摆阻尼器。第四章第页77●盘旋下降模态飞机受扰左倾斜→左侧滑，若横侧稳定性弱→飞机改平