2飞机横航向平衡和静稳定性和操操纵

本节内容1、横侧向运动的定义2、典型的横侧向运动时飞机上的横侧向气动力和力矩（定常直线侧滑和定常盘旋）3、横航向静稳定性及横航向静稳定导数4、如何操纵飞机实现横侧力与力矩的平衡飞机横侧运动的基本概念•横向运动（滚转运动）；•航向运动；•侧滑；•三者之一或其组合统称为横侧运动。非对称的飞行运动，称为横侧运动，或横航向运动。侧滑侧滑角：飞行速度矢量和纵向对称面的夹角：β；当Vy为正时，侧滑角为正。即右侧滑为正。VVy＝sin图:飞机着陆的侧滑飞行V•绕OX轴的运动称为横向运动或滚转运动；•绕OZ轴的运动称为航向运动•凡出现侧滑、横向或航向运动这三者之一，或其组合统称为横侧运动。•典型的横侧运动：－定常直线侧滑飞行－定常曲线飞行横向运动和航向运动LN图:机体坐标系滚转力矩L右滚为正滚转角速度p右滚为正偏航力矩N右偏航为正偏航角速度r右偏航为正俯仰力矩M抬头为正俯仰角速率q抬头为正舵面偏角和操纵位移正负的定义舵面偏角正负定义操纵位移正负定义平尾偏角后缘下偏为正纵向操纵位移推杆为正副翼偏角左上右下为正横向操纵位移左压杆为正方向舵偏角左偏为正方向操纵位移左脚蹬为正平尾演示飞机的方向平衡与偏航力矩L右偏力矩左偏力矩X左X右重心L右偏力矩左偏力矩X左X右重心方向平衡：偏航力矩的平衡。∑N=0方向不平衡，即偏航力矩不为零的原因：1）左右机翼阻力不对称2）左右发动机推力不对称或者推力线偏斜3）垂直尾翼不对称4）飞行员操纵副翼或者方向舵副翼飞机的横向平衡与横滚力矩横向平衡：横滚力矩的平衡。∑L=0γ=0横向不平衡的原因：1）左右机翼升力不相等或到飞机对称面的距离不相等2）左右平尾升力不相等或到飞机对称面的距离不相等左滚力矩右滚力矩YLYR左滚力矩右滚力矩YLYR静稳定力矩•纵向定常直线飞行中，β=0，气流对称流过飞机，所以不产生侧力和横侧力矩。•定常侧滑直线飞行中，飞机上同时作用有侧力、滚转力矩和偏航力矩。•偏航力矩和滚转力矩随β的变化规律，可以通过吹风实验得出，或者采用工程估算求得。Y:侧力L:滚转力矩N:偏航力矩Z图:风洞实验确定侧力和横侧力矩V1定常直线侧滑飞行，作用在飞机上的侧力、横侧力矩定常侧滑直线飞行中，飞机上同时作用有侧力、滚转力矩和偏航力矩，力和力矩系数与β成线性关系。1）侧力SVYCy221yyCC侧力导数：SVCYy221侧力系数：侧力系数随侧滑角变化曲线•线性、对原点成反对称•原点处为平衡状态，做对称定直飞行2）滚转力矩llCCSbVLCl221横向静稳定导数：图:滚转力系数随侧滑角变化曲线由侧滑角引起的滚转力矩称为滚转静稳定力矩滚转力矩系数3）偏航力矩航向静稳定导数：nnCCSbVNCn221偏航力矩系数：由侧滑角引起的偏航力矩称为偏航静稳定力矩图:偏航力系数随侧滑角变化曲线•Cl随β变化曲线的斜率称为横向静稳定导数，•Cn随β变化曲线的斜率称为航向静稳定导数。nnCCllCC飞机横航向静稳定性课堂设计航向静稳定性定义条件影响因素横向静稳定性定义条件飞机横航向静稳定性横航向静稳定性：飞机受到扰动偏离横航向平衡状态产生侧滑或倾斜时，在扰动消失瞬间飞机自动恢复原平衡状态的趋势。反映飞机在平衡（对称定直飞行）状态附近的偏航力矩和滚转力矩特性。横航向静稳定性方向静稳定性横向静稳定性横向静稳定性:横向静稳定性：飞机受到扰动偏离原横向平衡状态产生坡度，在扰动消失瞬间飞机自动恢复原横向平衡的趋势。横向静稳定性判据ZY右滚扰动重力分量右侧滑β0Clβ0右滚不稳定Clβ0左滚稳定横向静稳定导数：0lClC0：横向静稳定0：横向静不稳定=0：横向中立稳定航向静稳定性飞机能自动改变机头指向消除侧滑,称为航向静稳定性Δβ=0,ΔN=0航向静稳定性：飞机受到扰动偏离原方向平衡状态产生侧滑角，在扰动消失瞬间飞机自动恢复原平衡状态的趋势。n0C航向静稳定导数：右侧滑扰动β0nC0nC0不稳定右偏航侧滑减小稳定左偏航侧滑增大航向静稳定性判据导数纵向静稳定导数横向静稳定导数航向静稳定导数静稳定时的符号——＋LmCmCC或lCnC•Cl随β变化曲线的斜率称为横向静稳定导数，Cn随β变化曲线的斜率称为航向静稳定导数。•静稳定判据结论机身机翼定直侧滑引起的侧力与横航向力矩翼端机翼上反垂尾翼身干扰结论与分析机翼后掠机身作用0,0,0nlyCCC—机身为航向静不稳部件(正常重心情况)机翼后掠作用0000nlyC,CC:机翼后掠产生横向和航向静稳定作用。但后掠角一般由升阻要求决定。翼端的作用机翼迎风一侧的直边缘变成了前缘，另一侧变成了后缘。迎风直边缘上部存在侧缘吸力，升力增加。翼端的作用—机翼翼端增加横向静稳定性。但翼端形状一般由升阻要求决定。000nlyC,CC直端翼：：机翼上反作用—机翼上反产生横向和航向静稳定作用。一般通过调节上反角改变lC000nlyC,CC机翼上反：垂尾作用主要的航向静稳定部件。一般通过调节垂尾容积改变nC000nlyC,CC垂尾：翼身干扰0C:l上单翼或高平尾V导数纵向静稳定导数横向静稳定导数航向静稳定导数静稳定时的符号——＋LmCmCC或lCnC•Cl随β变化曲线的斜率称为横向静稳定导数，Cn随β变化曲线的斜率称为航向静稳定导数。•静稳定判据结论分析与结论cwshyyyCCC全机的滚转力矩•机翼的滚转力矩主要由上反角、后掠角、和翼端形状这三个因素产生•原因：侧滑气流使得左右机翼有效迎角和速度不等，引起左右机翼升力阻力差。,)()()(cwyishiyllllCCCC全机的横向静稳定导数,)()()(cwyishiyllllCCCCllllCCCCyi0yi翼端：静稳定上反角：静稳定后掠角：静稳定垂尾：静稳定翼身干扰：上单翼静稳定•大后掠飞机在大迎角飞行时，横向静稳定性过大，往往采用下反机翼布局来改善。•下单翼气动布局的飞机常采用较大上反角来。全机的偏航力矩nnnnCCCC垂尾机翼机身机翼上反和后掠产生航向静稳定作用机身起静不稳定的作用垂尾是产生航向静稳定的主要部件超声速飞机常采用增大垂尾面积，甚至采用双垂尾来提供必需的航向静稳定性思考题•飞机具有航向静稳定性是否意味着飞机具有保持航向不变的特性？•机翼上反角和后掠角对飞机横向静稳定性有何影响？•如何从（俯仰、横向、航向）力矩系数曲线判断该飞机是否具有静稳定性及大小？定常直线侧滑的横侧向操纵力矩•横侧向操纵机构主要有副翼、方向舵和推力矢量等。•由副翼偏转引起的横向力矩称为滚转操纵力矩。•由方向舵偏转引起的偏航力矩称为偏航操纵力矩。滚转操纵力矩•副翼对称地安装在机翼外段后缘的两个活动操纵面•驾驶员左右压驾驶杆可使左右副翼反向等角度，即反对称偏转。•左压杆时左副翼上偏（右副翼下偏）•左压杆规定为正•右压杆时情况相反偏转副翼产生滚转操纵力矩偏转副翼产生的滚转力矩0a0C0L,0Lal左右a0左副翼上偏右副翼下偏0CDDan左右副翼操纵导数副翼操纵效能0alC副翼偏转对滚转力矩曲线的影响左压杆0alC•副翼偏转（+）产生左滚转操纵力矩的同时，还产生右偏航力矩，形成左侧滑（β0）。•横向静稳定力矩的作用(Clβ.β0)将会降低副翼的操纵效果。•故该偏航力矩称为副翼的不利偏航。•副翼偏转产生的偏航力矩远小于滚转力矩。副翼不利偏航现象副翼不利偏航现象左压杆0lC1.采用差动副翼•使上偏副翼的偏角大于下偏副翼的偏角，用增大型阻去平衡增大的升致阻力，削弱不利偏航力矩。•此时估算副翼操纵效能时，副翼偏角取其平均值。2.在机翼上表面安装扰流片•随副翼上偏的一侧扰流片自动打开，增加阻力，达到与差动副翼同样的效果。。解决办法：差动副翼向下偏角向上偏角副翼不利偏航现象的解决措施2..右左aaa偏航操纵力矩•方向舵是装在垂尾后缘的活动翼面。•驾驶员蹬脚蹬，可使方向舵左右偏转。•左脚蹬前移时，方向舵后缘左偏，规定为正。•右脚蹬前移时，方向舵后缘右偏，规定为负。蹬左舵为正方向舵左偏为正偏转方向舵产生的偏航力矩rnC方向舵操纵效率：0ryC偏转方向舵产生的偏航力矩•方向舵操纵效能以产生偏航操纵为主。•现代飞机在大迎角飞行时，方向舵操纵效能大大降低，目前利用发动机喷管左右偏转，实现推力矢量控制，来补充方向舵操纵效能的不足。结论：•偏转副翼主要产生滚转力矩，可采用差动副翼或安装扰流片减小偏航力矩。•偏转方向舵主要产生偏航力矩，也有滚转力矩•定常直线侧滑的力矩模型：rnannnrlalllraraCCCCCCCC+—+—+—舵面偏角和操纵位移正负的定义舵面偏角正负定义操纵位移正负定义平尾偏角后缘下偏为正纵向操纵位移推杆为正副翼偏角左上右下为正横向操纵位移左压杆为正方向舵偏角左偏为正方向操纵位移左脚蹬为正LmmCCC或lCnC静稳定性导数判据纵向0横向0航向0静稳定导数及判据•飞机做侧滑飞行时，会引起阻力的增大，所以正常情况下飞行器保持对称飞行。•侧风着陆、不对称动力飞行时，往往要求侧滑飞行。定常直线侧滑飞行时飞行器的平衡和静操纵特殊情况需主动带侧滑飞行：侧风起落、非对称推力等侧滑产生侧力、横航向力矩，将由舵偏力矩及倾斜飞机获得重力在侧向的分量，从而得到平衡。定常直线侧滑飞行时飞行器的平衡侧力平衡方程：0sinWYYrr滚转力矩平衡方程：0ararLLL偏航力矩平衡方程：0rraaNNN=0sinWL定常直线侧滑飞行时飞行器的平衡侧力平衡方程：0sinWYYrr滚转力矩平衡方程：0arllalrCCC偏航力矩平衡方程：0rnnrCC=0sinWL0ryyrLCCC系数形式0ararLLL0rraaNNN定常直线侧滑飞行时飞行器的平衡0arllalrCCC0rnnrCC0ryyrLCCC平衡方程在气动导数已知的情况下，上式包含四个参数，若给定侧滑角β均与β成正比定常直线侧滑飞行时飞行器的平衡在定直侧滑飞行中，所需副翼和方向舵平衡偏角，以及飞行器的滚转角均与β成正比。横侧向操纵平衡曲线),(),(frfa横侧平衡曲线定常直线侧滑飞行时，为保证横侧力和力矩平衡，所需的副翼偏角和方向舵偏角随侧滑角（或滚转角）的变化。βΦββ飞行品质规范规定：蹬左舵应该产生右侧滑左压副翼产生左侧滑，右滚转增加随之右侧滑增加等。βΦββ这些要求可用静操纵性指标来表示000ar静稳定性与静操纵性的关系000ar0)1(00)1(rncnrcLcrnnrnlnrlallCCCCCCCCrCCCCCCa00nrnnrllCCCCCrnnrllCCCC此项一般飞行中均能满足。航向应静稳定横向静稳定性还要满足定常直线侧滑飞行时飞行器的平衡若给定滚转角ф横侧平衡曲线定常直线侧滑飞行时，为保证横侧力和力矩平衡，所需的升降舵偏角和方向舵偏角随侧滑角（或滚转角）的变化。侧风着陆•飞机着陆时如遇相对跑道方向侧风，为使机头对准跑道，往往需要飞机带侧滑和倾斜的飞行。•以垂直跑道右侧风为例：风速为Vw飞机对地速度为V则侧滑角应为VVarcwVwVVa侧风着陆例：P272•通常着陆时地速较小，因此对应一定的风速，侧滑角较大，相应的副翼和方向舵偏角较大。•但偏角受飞机结构和气动的限制，副翼不超过正负200,方向舵不超过正负300。VVarcw定常直线侧