飛機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性

1、空氣動力學(xué)基礎(chǔ)（ME、AV）第一章 大氣物理學(xué)第二章 空氣動力學(xué)第三章 飛行理論第四章 飛機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性第4章 飛機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性4.1 飛機(jī)運(yùn)動參數(shù)4.2 飛機(jī)穩(wěn)定性和操縱性的基本概念4.3 飛機(jī)的縱向穩(wěn)定性4.4 飛機(jī)的縱向操縱性4.5 飛機(jī)的橫側(cè)向靜穩(wěn)定性4.6 飛機(jī)的橫側(cè)向動穩(wěn)定性4.7 飛機(jī)的橫側(cè)向操縱性4.8 飛機(jī)主操縱面上的附設(shè)裝置4.1 飛機(jī)運(yùn)動參數(shù)地面坐標(biāo)系是固定在地球表面的一種坐標(biāo)系。姿態(tài)角俯仰角l機(jī)體坐標(biāo)系縱軸(OXt)與水平面之間的夾角。規(guī)定機(jī)頭上仰時(shí)為正。偏航角l機(jī)體坐標(biāo)系縱軸在水平面上的投影與地面坐標(biāo)系A(chǔ)xd軸之間的夾角。規(guī)定當(dāng)飛機(jī)向左偏航時(shí)為正。滾轉(zhuǎn)角l飛機(jī)

2、對稱面與包含Oxt軸的鉛垂面之間的夾角。規(guī)定當(dāng)飛機(jī)向右滾轉(zhuǎn)時(shí)為正?？账傧蛄肯鄬C(jī)體的方位速度軸系或風(fēng)軸系OVXVYVZVXV沿飛行速度方向，氣動阻力沿XV負(fù)向。YV在飛機(jī)對稱面內(nèi)且與飛行速度垂直。迎角和側(cè)滑角迎角l空速向量在飛機(jī)對稱面Oxtyt上的投影與機(jī)體坐標(biāo)系縱軸Oxt之間的夾角。規(guī)定投影線在Oxt軸下方時(shí)為正。側(cè)滑角l空速向量與飛機(jī)對稱面Oxtyt之間的夾角。規(guī)定空速向量偏向右側(cè)時(shí)為正（向右側(cè)滑為正）。4.2 飛機(jī)穩(wěn)定性和操縱性的基本概念飛機(jī)的穩(wěn)定性l處于平衡狀態(tài)的物體，受到外界擾動，偏離了平衡位置，當(dāng)擾動消失后，物體能否自動恢復(fù)到原始的平衡位置，取決于物體的平衡狀態(tài)是否具有穩(wěn)定性。飛機(jī)

3、的穩(wěn)定性靜穩(wěn)定性l研究外界擾動消失后，物體是否有回到原始平研究外界擾動消失后，物體是否有回到原始平衡位置的趨勢衡位置的趨勢，也就是擾動消失后，物體的瞬瞬間運(yùn)動。間運(yùn)動。動穩(wěn)定性l研究外界擾動消失后，物體回到原平衡位置的研究外界擾動消失后，物體回到原平衡位置的運(yùn)動過程運(yùn)動過程：擾動是收斂的，物體最終回到原始平衡位置，物體具有動穩(wěn)定性，否則就是動不穩(wěn)定的。平衡穩(wěn)定狀態(tài)飛機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性分類縱向穩(wěn)定性（和操縱性）l繞橫軸（OZt）轉(zhuǎn)動，也叫俯仰穩(wěn)定性。側(cè)向穩(wěn)定性（和操縱性）l繞縱軸（OXt）滾轉(zhuǎn)，也叫滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。方向穩(wěn)定性（和操縱性）l繞立軸（OYt）轉(zhuǎn)動，也叫航向穩(wěn)定性。4.3 飛機(jī)的縱向穩(wěn)定性

4、飛機(jī)的縱向靜穩(wěn)定性飛機(jī)的縱向力矩l主要是機(jī)翼、水平尾翼的氣動升力和發(fā)動機(jī)的推力。水平尾翼的重要作用一（縱向配平）l保證飛機(jī)在不同速度下進(jìn)行定常直線飛行的縱向平衡。AmZSbCMz2)2/1 (全機(jī)焦點(diǎn)全機(jī)焦點(diǎn)：由于迎角的改變而引起的飛機(jī)飛機(jī)氣動升力增量的作用點(diǎn)。影響因素：機(jī)翼、機(jī)身和水平尾翼。在低速飛行時(shí)，全機(jī)焦點(diǎn)的位置保持不變。飛機(jī)縱向靜穩(wěn)定性的條件在小迎角下飛機(jī)縱向靜穩(wěn)定性只取決于全機(jī)焦點(diǎn)和重心之間的相對位置?？v向靜穩(wěn)定縱向靜不穩(wěn)定飛機(jī)縱向靜穩(wěn)定性的條件全機(jī)焦點(diǎn)位于重心之后：飛機(jī)是縱向靜穩(wěn)定的。全機(jī)焦點(diǎn)位于重心之前：飛機(jī)是縱向靜不穩(wěn)定的。全機(jī)焦點(diǎn)位于重心之上：飛機(jī)具有縱向中立靜穩(wěn)定性。飛機(jī)

5、縱向靜穩(wěn)定性的條件縱向靜穩(wěn)定余量：全機(jī)焦點(diǎn)和重心之間的距離KF=XF-XW。對于民用飛機(jī)KF=10%-15%。水平尾翼的重要作用二l為飛機(jī)提供必要的縱向靜穩(wěn)定性。l亞音速飛行時(shí)，機(jī)翼的焦點(diǎn)一般在飛機(jī)重心之前。影響飛機(jī)縱向靜穩(wěn)定性的因素握桿和松桿對飛機(jī)縱向靜穩(wěn)定性的影響l與握桿飛行相比，松桿飛行時(shí)，全機(jī)焦點(diǎn)的位置前移了，縱向靜穩(wěn)定性減少了。l減少升降舵的自由擺動，減少松桿和握桿飛行狀態(tài)下縱向靜穩(wěn)定性的差異。飛機(jī)實(shí)用重心和飛機(jī)焦點(diǎn)位置的變化l影響飛機(jī)實(shí)用重心位置的因素貨物的裝載情況、乘客的位置、燃油的數(shù)量及消耗、飛機(jī)的構(gòu)型。l影響飛機(jī)焦點(diǎn)位置的因素飛行Ma數(shù)、水平尾翼、飛機(jī)構(gòu)型、縱向操縱系統(tǒng)的安裝

6、間隙和彈性間隙。飛機(jī)的縱向動穩(wěn)定性影響因素l靜穩(wěn)定力矩、轉(zhuǎn)動慣量和俯仰阻尼力矩。俯仰阻尼力矩l主要由水平尾翼產(chǎn)生?？v向擾動運(yùn)動的模態(tài)及其特征短周期模態(tài)飛機(jī)的擾動運(yùn)動主要是飛機(jī)繞重心的擺動過程，表現(xiàn)為迎角和俯仰角速度迎角和俯仰角速度周期性迅速變化，而飛行速度則基本上保持不變。一般情況下，飛機(jī)的這種短期振蕩運(yùn)動在開始的頭幾秒內(nèi)就基本結(jié)束了。長周期運(yùn)動模態(tài)飛機(jī)的擾動運(yùn)動主要是飛機(jī)重心運(yùn)動的振蕩過程，表現(xiàn)為飛行速度和航跡傾斜角飛行速度和航跡傾斜角周期性的緩慢變化，飛機(jī)的迎角基本恢復(fù)到原來的迎角并保持不變。這一振蕩過程衰減很慢，形成長周期運(yùn)動模態(tài)?？v向擾動運(yùn)動的模態(tài)及其特征CCAR-25部規(guī)定：在主操縱

7、處于松浮狀態(tài)或固定狀態(tài)時(shí)，在相應(yīng)于飛機(jī)形態(tài)的失速速度與最大允許速度之間產(chǎn)生的任何短周期振蕩，必須受到重阻尼。4.4 飛機(jī)的縱向操縱性飛機(jī)的縱向操縱是指飛機(jī)繞橫軸的俯仰操縱。它是通過向前或向后推拉駕駛桿，使升降舵向下或向上偏轉(zhuǎn)，來實(shí)現(xiàn)飛機(jī)縱向操縱的目的。飛機(jī)的縱向操縱前推桿舵面下偏（z0）附加升力向上低頭力矩（Mz0）。后拉桿舵面上偏（z0）?？v向操縱性和縱向穩(wěn)定性的關(guān)系縱向操縱性和縱向穩(wěn)定性的關(guān)系飛機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性是相互制約的：穩(wěn)定性太大，飛機(jī)保持原飛行姿態(tài)的能力太強(qiáng)，要改變它就很不容易，操縱起來就很費(fèi)勁，飛機(jī)的操縱性就很遲鈍。穩(wěn)定性太小，飛機(jī)的飛行姿態(tài)很容易改變，駕駛員很難精確的操縱飛機(jī)，

8、飛機(jī)的操縱性有過于靈敏。飛機(jī)重心范圍的確定飛機(jī)的重心前限l重心前移，飛機(jī)的縱向靜穩(wěn)定性提高，操縱性能變壞，縱向平衡變差。l從飛機(jī)縱向平衡和縱向操縱性能縱向平衡和縱向操縱性能的要求對飛機(jī)重心最靠前的位置進(jìn)行了限制。飛機(jī)重心后限l重心后移，飛機(jī)的縱向穩(wěn)定性減小，飛機(jī)對操縱的反應(yīng)變靈敏。l從飛機(jī)的縱向靜穩(wěn)定性和操縱靈敏度縱向靜穩(wěn)定性和操縱靈敏度的要求對飛機(jī)重心最靠后的位置進(jìn)行了限制。4.5 飛機(jī)的橫側(cè)向靜穩(wěn)定性飛機(jī)的側(cè)滑和側(cè)滑角飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)或偏航都會造成飛機(jī)側(cè)滑和側(cè)滑角，從而產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)力矩Mx和偏航力矩My，飛機(jī)相對縱軸OXt的側(cè)向靜穩(wěn)定性和相對立軸OYt的方向靜穩(wěn)定性就不是獨(dú)立的，而是相互影響。所以，

9、又把飛機(jī)的側(cè)向靜穩(wěn)定性和方向靜穩(wěn)定性統(tǒng)稱為橫側(cè)向橫側(cè)向靜穩(wěn)定性靜穩(wěn)定性。飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)力矩和偏航力矩作用在飛機(jī)上的氣動力對機(jī)體OXt軸產(chǎn)生的力矩叫滾轉(zhuǎn)力矩，用Mx表示。力矩矢量與Xt軸正方向一致時(shí)，滾轉(zhuǎn)力矩為正。作用在飛機(jī)上的氣動力對機(jī)體OYt軸產(chǎn)生的力矩叫偏航力矩，用My表示。力矩矢量與Yt軸正方向一致時(shí)，偏航力矩為正。相關(guān)因素：l側(cè)滑角靜穩(wěn)定力矩l滾轉(zhuǎn)和偏航運(yùn)動阻尼力矩l副翼偏轉(zhuǎn)角操縱力矩飛機(jī)側(cè)向靜穩(wěn)定性的條件飛機(jī)受到擾動，繞機(jī)體OX軸轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生了滾轉(zhuǎn)角，造成側(cè)滑時(shí)，如果由于側(cè)滑角引起的滾轉(zhuǎn)力矩與飛機(jī)滾轉(zhuǎn)的方向相反，飛機(jī)就具有側(cè)向靜穩(wěn)定性。飛機(jī)的側(cè)向靜穩(wěn)定性主要由機(jī)翼的上反角來提供。飛機(jī)的側(cè)向

10、靜穩(wěn)定性機(jī)翼上反角提供飛機(jī)的側(cè)向靜穩(wěn)定性。機(jī)翼后掠角對飛機(jī)側(cè)向靜穩(wěn)定的影響影響飛機(jī)側(cè)向靜穩(wěn)定性的其他因素垂尾l機(jī)體縱軸上方的垂尾增加側(cè)向靜穩(wěn)定性，下方的垂尾減少側(cè)向靜穩(wěn)定性。機(jī)翼和機(jī)身的相對位置l上單翼起側(cè)向靜穩(wěn)定作用，下單翼起側(cè)向靜不穩(wěn)定作用。飛機(jī)方向靜穩(wěn)定性的條件飛機(jī)具有方向靜穩(wěn)定性的條件，飛機(jī)受到擾動繞OY軸偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生側(cè)滑角時(shí)，如果由于側(cè)滑角引起的偏航力矩力圖使飛機(jī)對準(zhǔn)來流，消除側(cè)滑角，飛機(jī)就具有方向靜穩(wěn)定性。飛機(jī)的方向靜穩(wěn)定性垂尾對飛機(jī)方向靜穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)影響飛機(jī)方向靜穩(wěn)定性的其他因素后掠角對飛機(jī)的方向穩(wěn)定性也有一定的作用。機(jī)體的側(cè)向迎風(fēng)面積也對飛機(jī)的方向靜穩(wěn)定性有一定的影響。4.6 飛

11、機(jī)的橫側(cè)向動穩(wěn)定性靜穩(wěn)定力矩l由于側(cè)滑角而產(chǎn)生的恢復(fù)力矩。慣性力矩氣動阻尼力矩l是指由于在擾動運(yùn)動過程運(yùn)動過程中中出現(xiàn)滾轉(zhuǎn)運(yùn)動和偏航運(yùn)動時(shí)，作用在飛機(jī)上的氣動力產(chǎn)生的力阻尼力矩。l由滾轉(zhuǎn)運(yùn)動引起的氣動阻尼力矩中，機(jī)翼起主要作用；由偏航運(yùn)動引起的氣動阻尼力矩中，垂直尾翼起主要作用。交叉力矩交叉力矩是指由滾轉(zhuǎn)運(yùn)動滾轉(zhuǎn)運(yùn)動引起的偏航力矩和由偏航運(yùn)動偏航運(yùn)動引起的滾轉(zhuǎn)力矩。右滾右機(jī)翼迎角增大，阻力增大向右偏轉(zhuǎn)的偏航力矩。右滾垂尾產(chǎn)生向左側(cè)的氣動力向右偏轉(zhuǎn)的偏航力矩。左偏航垂尾產(chǎn)生向左的氣動力向左橫滾的滾轉(zhuǎn)力矩。左偏航左機(jī)翼升力減小，右機(jī)翼升力增大向左的橫滾滾轉(zhuǎn)力矩。橫側(cè)向擾動運(yùn)動的三種模態(tài)及特性滾轉(zhuǎn)收

12、斂模態(tài)l一種非周期性的、衰減很快的運(yùn)動模態(tài)。l滾轉(zhuǎn)角和滾轉(zhuǎn)速度迅速變化，側(cè)滑角和偏航角的變化很小。螺旋模態(tài)一種非周期性的，運(yùn)動參數(shù)變化比較緩慢的模態(tài)。側(cè)滑角近似為零，偏航角大于滾轉(zhuǎn)角，所以螺旋模態(tài)運(yùn)動主要是略帶滾轉(zhuǎn)、側(cè)滑角近似為零的偏航運(yùn)動偏航運(yùn)動。方向靜穩(wěn)定性側(cè)向靜穩(wěn)定性。荷蘭滾荷蘭滾是頻率較快（周期為幾秒）的中等阻尼的橫向航向組合振蕩模態(tài)。在荷蘭滾中，飛機(jī)的側(cè)滑角、滾轉(zhuǎn)角和偏航角的量級相同，而滾轉(zhuǎn)、偏航運(yùn)動的速度較小。各運(yùn)動參數(shù)都隨時(shí)間按振蕩方式周期變化周期變化，形成飛機(jī)一面來回滾轉(zhuǎn)，一面左右偏航，同時(shí)帶有側(cè)滑的振蕩運(yùn)動。側(cè)向靜穩(wěn)定性與方向靜穩(wěn)定性相比較大時(shí)，側(cè)向靜穩(wěn)定性與方向靜穩(wěn)定性相比

13、較大時(shí)，飛機(jī)易產(chǎn)生荷蘭滾不穩(wěn)定。飛機(jī)易產(chǎn)生荷蘭滾不穩(wěn)定。荷蘭滾飛機(jī)的橫側(cè)向擾動運(yùn)動及影響穩(wěn)定性的因素飛機(jī)的側(cè)向靜穩(wěn)定性和方向靜穩(wěn)定性大小比例搭配，對飛機(jī)橫側(cè)向動穩(wěn)定性有著重要的影響。影響因素l側(cè)向靜穩(wěn)定性機(jī)翼上反角和后掠角。l方向靜穩(wěn)定性垂尾面積及到飛機(jī)重心的力臂。偏航阻尼器用在大型高速運(yùn)輸機(jī)上，防止荷蘭滾4.7 飛機(jī)的橫側(cè)向操縱性飛機(jī)的側(cè)向操縱性副翼偏轉(zhuǎn)對飛機(jī)進(jìn)行側(cè)向操縱飛機(jī)的側(cè)向操縱是指飛機(jī)繞縱軸的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動。駕駛員通過向左或向右操縱駕駛桿來進(jìn)行飛機(jī)的側(cè)向操縱。飛機(jī)的側(cè)向操縱與縱向或方向操縱有一點(diǎn)不同，即副翼有兩片，并且轉(zhuǎn)動方向是相反的。一片副翼向上偏轉(zhuǎn)；另一片副翼則向下偏轉(zhuǎn)。由此產(chǎn)生的附加

14、力，對飛機(jī)重心O產(chǎn)生一個(gè)滾轉(zhuǎn)力矩M，便可使飛機(jī)繞縱軸傾側(cè)。規(guī)定右側(cè)副翼向下偏，左側(cè)副翼向上偏時(shí)（左滾）x為正，與Mx符號相反。副翼偏轉(zhuǎn)對飛機(jī)進(jìn)行側(cè)向操縱前視圖偏轉(zhuǎn)副翼引起的有害偏航為什么？左壓桿機(jī)翼左右阻力不平衡右偏航左側(cè)滑右滾轉(zhuǎn)靜穩(wěn)定力矩。怎么辦？l差動副翼上偏角大于下偏角l弗萊茲副翼上下偏角相等副翼操縱的失效和反逆“副翼反效”又稱為“副翼反逆”、“副翼反操縱”。飛機(jī)高速飛行時(shí)由于氣動載荷而引起的機(jī)翼扭轉(zhuǎn)彈性變形，使得偏轉(zhuǎn)副翼時(shí)所引起的總滾轉(zhuǎn)力矩與預(yù)期方向相反的現(xiàn)象。副翼操縱的失效和反逆是怎樣產(chǎn)生副翼操縱的失效和反逆是怎樣產(chǎn)生操縱力矩M1=反力矩M2，再操縱副翼就不會產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)力矩，這種現(xiàn)象叫

15、副翼失效副翼失效。這個(gè)飛行速度叫副翼副翼反逆臨界速度反逆臨界速度。M1側(cè)側(cè)向靜穩(wěn)定性產(chǎn)生的滾向靜穩(wěn)定性產(chǎn)生的滾轉(zhuǎn)力矩轉(zhuǎn)力矩，就會出現(xiàn)蹬右舵飛機(jī)向左傾斜，蹬左舵飛機(jī)又向右傾斜的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫做蹬舵反傾斜現(xiàn)象。4.8 飛機(jī)主操縱面上的附設(shè)裝置主操縱面l升降舵俯仰操縱l副翼滾轉(zhuǎn)操縱l方向舵偏航操縱附設(shè)裝置l重量平衡l氣動補(bǔ)償l氣動平衡重量平衡的目的和方法在飛機(jī)操縱面的轉(zhuǎn)軸前面安裝配重，可以把操縱面的重心移到轉(zhuǎn)軸之前或與轉(zhuǎn)軸軸線重合，從而可以防止飛機(jī)尾翼發(fā)生顫振，保證飛行的安全。顫振重量平衡的方法集中式配重l把配重集中于一處，用托架支托到操縱面之前。這樣可以有效地使舵面的重心前移，但是它突出于氣流之

16、中，會增大阻力。分散式配重l把配重分散開，置于操縱面(例如副翼)本身的前部。這種型式的配重藏于翼剖面內(nèi)，不會增加阻力。氣動補(bǔ)償?shù)哪康暮头椒ㄣq鏈力矩和操縱力矩l所謂鉸鏈力矩就是操縱面上的空氣動力與它到操縱面轉(zhuǎn)軸垂直距離(力臂)的乘積。(Mj=Fd) l所謂操縱力矩就是加到轉(zhuǎn)軸搖臂上的力與它到轉(zhuǎn)軸距離的乘積。(Mc=Ph) 氣動補(bǔ)償?shù)哪康暮头椒ㄒ苟婷嫫D(zhuǎn)必須滿足：氣動補(bǔ)償?shù)哪康臍鈩友a(bǔ)償?shù)哪康木褪且獪p少鉸鏈力矩，減輕駕駛員操縱飛機(jī)的勞動強(qiáng)度。hdFPdFhPMjMc軸式補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟磔S式補(bǔ)償是構(gòu)造簡單和常用的一種氣動補(bǔ)償方法。在這種補(bǔ)償中，將操縱面的轉(zhuǎn)軸從操縱面前緣向后移到某一位置。當(dāng)操縱面繞轉(zhuǎn)軸

17、偏轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)軸前后兩部分同時(shí)產(chǎn)生空氣動力，形成繞轉(zhuǎn)軸方向相反的兩個(gè)力矩相反的兩個(gè)力矩，使舵面的鉸鏈力矩減小，起到氣動補(bǔ)償?shù)淖饔?。其缺點(diǎn)是與前面固定翼面之間形成間隙。角式補(bǔ)償（原理與軸式同）構(gòu)造簡單，但操縱面偏轉(zhuǎn)時(shí)，角部分突出在翼外形之外，將產(chǎn)生渦流，增加阻力，而且還會引起操縱面振動。方向舵角式補(bǔ)償 升降舵角式補(bǔ)償 內(nèi)封補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟韮?nèi)封補(bǔ)償一般用在副翼上。它的補(bǔ)償面位于機(jī)翼后緣的空腔內(nèi)，這一空腔由氣密膠布隔成上下兩部分，互不通氣。當(dāng)副翼向下偏轉(zhuǎn)時(shí)，下部壓強(qiáng)大，上部壓強(qiáng)小，在空腔下部的壓強(qiáng)比上部大，因而形成了上下壓強(qiáng)差。這一壓強(qiáng)差作用在補(bǔ)償面上，對副翼轉(zhuǎn)軸的力矩與副翼上氣動力對轉(zhuǎn)軸的力矩相反，幫助

18、駕駛員克服鉸鏈力矩。 內(nèi)封補(bǔ)償面不會形成間隙，降低舵面的操縱效率；在補(bǔ)償面上安裝配重，力臂長，重量平衡的作用比較大；而且由于它不突出在翼面之外，增加的阻力也不大；不易過早地產(chǎn)生激波。 但是，由于這種補(bǔ)償裝置使得舵面的偏轉(zhuǎn)角度不能太大，因而用途受到限制一般只能用于副翼；這種補(bǔ)償?shù)臍饷苣z布易于磨損，必須經(jīng)常注意維修。內(nèi)封補(bǔ)償1副翼；2機(jī)翼；3翼梁； 4氣密膠布；5補(bǔ)償面；6轉(zhuǎn)軸；7配重 隨動補(bǔ)償片的工作原理“隨動補(bǔ)償片”又稱為“隨動調(diào)整片”或“補(bǔ)償調(diào)整片”。它是補(bǔ)償裝置的一種，裝在操縱舵面(例如升降舵)后緣的一塊可偏轉(zhuǎn)小翼面(有自己的轉(zhuǎn)軸)。當(dāng)駕駛員用力P向前拉操縱桿時(shí)，由于剛性連桿的長度固定不變，隨動補(bǔ)償片便被它拉著向與