空氣動(dòng)力學(xué)第三十五講課件

飛機(jī)的操縱性

介紹飛機(jī)的三種操縱性及其影響因素三種操縱性的介紹影響飛機(jī)操縱性的因素2/70§4—3飛機(jī)的操縱性

飛機(jī)的操縱性，就是飛機(jī)“聽(tīng)從”飛行員操縱桿、舵、油門(mén)、襟翼、減速板等而改變飛行狀態(tài)的特性。飛機(jī)的操縱性，一般僅指飛機(jī)在桿、舵的操縱下改變其飛行狀態(tài)的特性。第一、操縱桿、舵的力和行程，不太大也不太小、太大，操縱費(fèi)力，飛行員易疲勞；太小，不易準(zhǔn)確地感覺(jué)操縱量。第二、飛行員操縱桿、舵后，飛機(jī)反映快慢要適當(dāng)，即不可遲鈍，也不能過(guò)于靈敏。飛機(jī)的操縱是通過(guò)三個(gè)操縱面，即升降舵(或全動(dòng)平尾)方向舵(或全動(dòng)立尾)和副翼來(lái)進(jìn)行的，轉(zhuǎn)動(dòng)這三個(gè)操縱面，飛機(jī)就會(huì)繞其縱軸(ox)橫軸(oz)和立軸(oy)轉(zhuǎn)動(dòng)，而改變其飛行狀態(tài)。

升降舵(或平尾)是靠前推后拉駕駛桿來(lái)操縱的(圖3—4—33)。前推駕駛桿，升降舵向下偏轉(zhuǎn)(或平尾前緣向上偏轉(zhuǎn))，飛機(jī)便低頭；后拉駕駛桿，升降舵向上偏轉(zhuǎn)(或平尾前緣向下偏轉(zhuǎn))，飛機(jī)便抬頭。副翼是靠左右壓駕駛桿來(lái)操縱的(圖3—4—35)。左壓桿，左副翼向上偏轉(zhuǎn)，右副翼向下偏轉(zhuǎn)，飛機(jī)向左滾轉(zhuǎn)；右壓桿，右副翼向上偏轉(zhuǎn)，左副翼向下偏轉(zhuǎn)，飛機(jī)向右滾轉(zhuǎn)。左右壓桿和推拉桿的動(dòng)作是獨(dú)立而不互相干擾的。方向舵是靠腳左右蹬來(lái)操縱的(圖3—4—34)．左腳向前蹬左腳蹬，方向舵向左偏轉(zhuǎn)，飛機(jī)便向左方轉(zhuǎn)過(guò)去；右腳向前蹬右腳蹬，方向舵向右偏轉(zhuǎn)，飛機(jī)便右轉(zhuǎn)。從舵面的操縱可知，舵面的操縱，飛機(jī)飛行狀態(tài)的改變，同人體的自然動(dòng)作是一致的，否則就會(huì)造成操縱紊亂和錯(cuò)誤。三個(gè)舵面的操縱，在空氣動(dòng)力作用的原理方面，它們基本上是一樣的，都是改變舵面上的空氣動(dòng)力，產(chǎn)生附加力，對(duì)飛機(jī)重心形成操縱力矩，來(lái)達(dá)到改變飛機(jī)飛行狀態(tài)的目的，下面我們?nèi)詮娘w機(jī)的縱向、橫向和方向三方面來(lái)分別說(shuō)明操縱性的基本原理、影響因素，最后簡(jiǎn)單介紹隨空布局飛機(jī)的直接力操縱問(wèn)題。

(一)偏轉(zhuǎn)水平尾翼(或升降舵)后，飛機(jī)的迎角為什么會(huì)改變?

飛行員移動(dòng)駕駛桿偏轉(zhuǎn)水平尾翼(或升降舵)能夠改變飛機(jī)迎角，是由于飛機(jī)的俯仰操縱力矩和俯仰恢復(fù)力矩之間的相互矛盾，相互斗爭(zhēng)的結(jié)果。例如，飛機(jī)原來(lái)處于俯仰平衡狀態(tài)，俯仰力矩平衡，飛行員向后拉了一點(diǎn)桿，水平尾翼前緣即向下偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度(或升降舵向上偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度)。于是水平尾翼產(chǎn)生負(fù)的附加升力，并對(duì)飛機(jī)重心形成俯仰操縱力矩，迫使機(jī)頭上仰增大迎角(圖3—4—36)。由于迎角增大，引起飛機(jī)產(chǎn)生正的附加升力，此附加升力作用在飛機(jī)焦點(diǎn)上，對(duì)飛機(jī)重心形成俯仰恢復(fù)力矩，其方向同俯仰操縱力矩的方向相反，力圖恢復(fù)原來(lái)的迎角。隨著迎角逐漸增大，飛機(jī)的附加升力和它形成的俯仰恢復(fù)力矩也逐漸增大，及致迎角增大到一定程度，相互矛盾的俯仰恢復(fù)力矩與俯仰操縱力矩重新平衡時(shí)，飛機(jī)就停止俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)，保持以較大的迎角飛行。

同理，如果飛行員再拉一點(diǎn)桿，增大一點(diǎn)俯仰操縱力矩，使迎角加大一點(diǎn)，這時(shí)俯仰恢復(fù)力矩也相應(yīng)地增大一點(diǎn)，飛機(jī)就會(huì)平衡在更大的迎角飛行，若相應(yīng)地推一點(diǎn)桿，飛機(jī)就會(huì)平衡在較小的迎角飛行。由上述可見(jiàn)，飛行中，駕駛桿每移動(dòng)一個(gè)位置，都對(duì)應(yīng)著—個(gè)迎角。駕駛桿的位置越靠后，即水平尾翼前絳的下偏角越大(或升降舵的上偏角越大)，側(cè)對(duì)應(yīng)的迎角也越大。如果飛機(jī)的迎角穩(wěn)定性較強(qiáng)，則移動(dòng)駕駛桿操縱水平尾翼(或升降舵)偏轉(zhuǎn)時(shí)，飛機(jī)迎角改變甚少，俯仰恢復(fù)力矩就能與俯仰操縱力矩相平衡，也就是說(shuō)，水平尾翼(或升降舵)偏轉(zhuǎn)相同角度的條件下，飛機(jī)迎角變化較少，即飛機(jī)的縱向操縱性較差。由此可知，飛機(jī)的縱向穩(wěn)定性和縱向操縱性是互相矛盾的，飛機(jī)的縱向穩(wěn)定性增強(qiáng)，其縱向操縱性變差。飛機(jī)從亞音速飛行向超音速飛行過(guò)渡時(shí)，由于飛機(jī)焦點(diǎn)位置顯著后移，縱向穩(wěn)定性大大增加，縱向操縱性要變差。

高速飛行時(shí)，飛機(jī)俯仰穩(wěn)定性較強(qiáng)，操縱飛機(jī)俯仰需要有較大的操縱力矩。如果把舵面效能降低，飛機(jī)的俯仰操縱性勢(shì)必嚴(yán)重惡化，出現(xiàn)舵面偏移甚多，飛機(jī)迎角改變不大的嚴(yán)重局面。為了解決高速飛行時(shí)飛機(jī)俯仰操縱性較差的矛盾，高速飛機(jī)采用全動(dòng)水平尾翼來(lái)代替升降舵。全動(dòng)水平尾翼偏轉(zhuǎn)后，可以改變整個(gè)水平尾翼的壓力分布，因而其舵面效能要比升降舵面高得多。然而，使用全動(dòng)水平尾翼又會(huì)出現(xiàn)新的矛盾，這就是飛行員操縱水平尾翼需要克服很大的空氣動(dòng)力。致使飛行員直接操縱水平尾翼偏轉(zhuǎn)十分困難，為此，在水平尾翼操縱系統(tǒng)中安裝了助力操縱裝置，讓飛行員利用液壓和電動(dòng)機(jī)構(gòu)間接操縱水平尾翼偏轉(zhuǎn)。必須指出，即使采用全動(dòng)水平尾翼，在超音速飛行時(shí)，舵面效能也會(huì)有所降低，這是因?yàn)?，超音速飛行時(shí)，隨著飛行M數(shù)增大，升力系數(shù)要減小，因此，在其它條件不變的情況下，水平尾翼能夠產(chǎn)生的升力要相應(yīng)減小，即舵面效能要降低。1、駕駛桿力飛行員操縱飛機(jī)，要對(duì)駕駛桿施加力量，這個(gè)力稱(chēng)為駕駛桿力，簡(jiǎn)稱(chēng)桿力，為什么操縱駕駛桿要施加一定的力量?

如圖3—4—38所示，當(dāng)水平尾翼前緣向下偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度時(shí)，水平尾冀上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的附加升力。它對(duì)水平尾翼的轉(zhuǎn)軸構(gòu)成一個(gè)力矩——樞軸力矩。迫使水平尾翼返回原來(lái)位置，如果操縱系統(tǒng)中沒(méi)有裝設(shè)助力操縱裝置。這個(gè)力矩的作用就要傳到駕駛桿上來(lái)，使駕駛桿返回松桿位置，因此，飛行員要保持水平尾翼轉(zhuǎn)角不變，就必須用一定的力量P拉住駕駛桿以平衡樞軸力矩的作用，保持駕駛桿的位置不動(dòng)，反之，如果要保持水平尾翼處在前緣上偏的位置，飛行員就必須用一定的力量推住駕駛桿。水平尾翼離轉(zhuǎn)角越大，飛行速度越大，都會(huì)使作用在水平尾翼上的空氣動(dòng)力增大，為了保持水平尾翼偏轉(zhuǎn)不變，駕駛桿力也必然增大。(三)平飛速度改變后，駕駛桿力為什么會(huì)改變?裝有助力裝置的操縱系統(tǒng)中，作用在水平尾翼上的空氣動(dòng)力只傳給助力器，不能傳到駕駛桿上來(lái)，為了使飛行員能感受到一定的桿力，憑著力的感覺(jué)來(lái)準(zhǔn)確地掌握操縱分量。在操縱系統(tǒng)中裝設(shè)了載荷感覺(jué)器。如圖3—4—39所示，飛行員移動(dòng)駕駛桿使水平尾翼偏轉(zhuǎn)時(shí)，要壓縮載荷感覺(jué)器內(nèi)的彈簧，彈簧張力傳到駕駛桿上來(lái)，因此，飛行員必須用一定力量拉住或推駕駛桿，才能使它保持一定位置，水平尾翼偏轉(zhuǎn)角越大，彈簧被壓縮的越厲害，桿力越大。如果從平衡速度開(kāi)始，減小一點(diǎn)速度平飛，就要相應(yīng)地增大一點(diǎn)迎角，才能使升力與重力相等。繼續(xù)保持平飛。為了要增大迎角,并使飛機(jī)能在較大迎角下重新平衡，就需要飛行員從松桿位置向后拉點(diǎn)桿，使水平尾翼前緣向下偏轉(zhuǎn)一點(diǎn)角度，這時(shí)，載荷感覺(jué)器內(nèi)的彈簧就要受到壓縮，飛行員需要用點(diǎn)力拉桿，平飛速度越小，需要的迎角越大，水平尾翼前緣的下偏量也應(yīng)當(dāng)越大，所以，拉桿量越大，拉桿力也隨之增大。同理，如果從平衡速度開(kāi)始增大速度平飛，就需要飛行員從松桿位置推點(diǎn)桿，使水平尾翼前緣向上偏，以減小迎角，載荷感覺(jué)器內(nèi)的彈簧從反向受到壓縮，飛行員需要用力推桿．平飛速度越大，需要的迎角越小，水平尾翼前緣的上偏量也應(yīng)越大，所以，推桿量越大，推桿力也隨之增大?？偟目磥?lái)，曲線由下向上表明：隨著平飛速度由小增大，先是拉桿力逐漸減小，到達(dá)平衡速度時(shí)，駕駛桿力等于零，飛行速度再增大，駕駛桿就變?yōu)橥茥U力，以后，隨著飛行速度繼續(xù)增大，推桿力也不斷增大。殲—6飛機(jī)的平衡速度為表速750±50公里/小時(shí)，在正常情況下，殲—6飛機(jī)平飛時(shí)，拉桿力大約為15公斤左右，推桿力也為15公斤左右。桿力在這一范圍內(nèi)變化，可以保證飛行員操縱飛機(jī)時(shí)既有適當(dāng)?shù)牧Φ母杏X(jué)，又不會(huì)過(guò)于費(fèi)力。如果飛機(jī)的平衡速度不合規(guī)定，飛行中桿力就會(huì)不正常，飛行員會(huì)反映“頭重”或“頭輕”。平衡速度過(guò)大時(shí)，如果飛行員要以某一小速度平飛，就需要使迎危增大得多一些，因此，就要從松桿位置向后多拉點(diǎn)桿，拉桿力比正常時(shí)大，如果飛行員要以某—較大速度平飛，迎角可以減小得少些，飛行員可以從松桿位置向前少推點(diǎn)桿，推桿力較小，這種拉桿力過(guò)大，推桿力過(guò)小的現(xiàn)象，按飛行習(xí)慣說(shuō)法，叫做“頭重”。

圖3—4—41表示，平衡速度正常和平衡速度過(guò)大兩種情況下的桿力曲線．平衡速度過(guò)大時(shí)，升力曲線要向下移動(dòng)一段距離，在小速度平飛時(shí)，拉桿力都偏大。在大速度平飛時(shí)，推桿力都縮?。鶕?jù)以上道理，也可分析得知，平衡速度過(guò)小，則會(huì)出現(xiàn)推桿力過(guò)大，拉桿力過(guò)小的現(xiàn)象。這就是所謂“頭輕”。二、橫向操縱性飛機(jī)的橫向操縱性，就是在飛行員操縱副翼以后，飛機(jī)繞縱軸滾轉(zhuǎn)，改變滾轉(zhuǎn)角速度和坡度等飛行狀態(tài)的特性。在某一飛行速度下，飛行員向左壓桿偏轉(zhuǎn)副翼(圖3—4—42)，飛機(jī)因左右兩翼升力之差形成橫向操縱力矩而向左滾轉(zhuǎn)，在滾轉(zhuǎn)中，只要沒(méi)有側(cè)滑，就不會(huì)有恢復(fù)力矩產(chǎn)生，只有橫向阻轉(zhuǎn)力矩。滾轉(zhuǎn)越快，阻力矩越大。當(dāng)橫向操縱力矩與橫向阻轉(zhuǎn)力矩相等時(shí)，飛機(jī)就作等速滾轉(zhuǎn)，壓桿行程越大(即偏轉(zhuǎn)副翼越多)，等速滾轉(zhuǎn)的角速度也越大。偏轉(zhuǎn)副翼后，作用在副翼上的空氣動(dòng)力也會(huì)傳到駕駛桿上，所以飛行員必須用一定力量壓住桿，才能保持副翼偏轉(zhuǎn)在一定的角度上，副翼偏轉(zhuǎn)角越大，飛行速度越大．為了使飛行員操縱省力，在副翼前緣裝有內(nèi)封補(bǔ)償裝置，它由補(bǔ)償面和密封隔布組成，把副翼之間的空隙隔成上下兩室(圖3—4—43)，副翼向下偏轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)翼下表面流速減慢，壓力增大；上表面流速加快，壓力減小．因而在補(bǔ)償面上下將產(chǎn)生壓力差，這個(gè)壓力差產(chǎn)生的向上的力量，可以幫助飛行員操縱副翼向下偏轉(zhuǎn)，同樣道理，副翼向上偏轉(zhuǎn)時(shí)，補(bǔ)償面上的壓力差也可以幫助飛行員操縱副翼向上偏轉(zhuǎn)。所以，副翼內(nèi)封補(bǔ)償裝置可以減輕飛行員壓桿操縱副翼的力。三、方向操縱性飛機(jī)的方向操縱性，就是在飛行員操縱方向舵以后，機(jī)頭繞立軸偏轉(zhuǎn)改變側(cè)滑角等飛行狀態(tài)的特性。為什么偏轉(zhuǎn)方向能改變側(cè)滑角?這同偏轉(zhuǎn)升降舵為什么能改變迎角的道理基本上是一樣的。飛行中，飛行員蹬右腳蹬使方向舵能向右偏轉(zhuǎn)一定角度。垂直尾翼上產(chǎn)生側(cè)力Z舵，對(duì)飛機(jī)重心形成一個(gè)使機(jī)頭向右偏轉(zhuǎn)的方向操縱力矩。在偏轉(zhuǎn)過(guò)程中，飛機(jī)形成側(cè)滑，垂直尾翼和機(jī)身都產(chǎn)生側(cè)力，它們的合力Z飛機(jī)對(duì)飛機(jī)重心形成方向恢復(fù)力矩，此力矩隨著側(cè)滑角的增大而逐漸增大，乃至上述兩力矩互相平衡時(shí)，飛機(jī)即保持側(cè)滑角不變，如圖3—4—46所示。方向舵偏轉(zhuǎn)，作用在方向舵上的空氣動(dòng)力會(huì)傳到蹬上，故飛行員需要用力蹬腳蹬，才能保持方向舵偏轉(zhuǎn)角不變。飛機(jī)的方向操縱性和橫向操縱性是互相聯(lián)系著和互相影響著的．上節(jié)講過(guò)，飛行員操縱方向舵可以使機(jī)頭繞立軸偏轉(zhuǎn)，操縱副翼可使飛機(jī)繞縱軸滾轉(zhuǎn)。但是，飛行員蹬舵也會(huì)同時(shí)引起滾轉(zhuǎn)，壓桿也會(huì)同時(shí)引起偏轉(zhuǎn)。例如，飛行中，飛行員只壓桿，不蹬舵，則飛機(jī)向壓桿的方向傾斜后，也會(huì)出現(xiàn)側(cè)滑,在側(cè)滑中，垂直尾翼產(chǎn)生側(cè)力，形成力圖消除側(cè)滑的力矩。于是，機(jī)頭向壓桿的方向偏轉(zhuǎn)。再如，飛行員只蹬舵不壓桿，在飛機(jī)產(chǎn)生側(cè)滑后，由于機(jī)翼后掠角的作用，會(huì)使兩翼的升力不等，構(gòu)成滾轉(zhuǎn)力矩，迫使飛機(jī)向側(cè)滑的相反方向(也就是蹬舵的方向)滾轉(zhuǎn)。可見(jiàn)，方向操縱性和橫向操縱性是互相聯(lián)系，互相影響的。這與前面所講的方向安定力矩和橫向安定力矩的互相聯(lián)系，互相影響，道理是一樣的，這一點(diǎn)對(duì)我們以后分析和研究飛機(jī)的坡度故障和側(cè)滑故障是很重要的。四、影響操縱性的因素

(一)飛機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)操縱性的影響

(二)飛機(jī)重心位置移動(dòng)對(duì)操縱性的影響

(三)飛行高度變化對(duì)操縱性的影響

(四)飛行速度對(duì)飛機(jī)反應(yīng)快慢的影響

(五)迎角對(duì)橫向操縱性的影響

(二)飛機(jī)重心位置移動(dòng)對(duì)操縱性的影響重心位置前后移動(dòng)，使平飛中升降舵偏轉(zhuǎn)角和桿力發(fā)生變化。如重心位置前移，縱向穩(wěn)定性增強(qiáng)，改變迎角需要升降舵的偏轉(zhuǎn)角增大。但升降舵的上下活動(dòng)范圍都有一定限度.重心的前后移動(dòng)要受到限制。重心位置左右移動(dòng)對(duì)橫向操縱性有影響．比如重心位置左移，這相當(dāng)于飛機(jī)增加了一個(gè)向左滾轉(zhuǎn)的力矩。為了保持兩翼水平，飛行員應(yīng)當(dāng)經(jīng)常向右壓桿。這不但消耗了飛行員的體力，分散執(zhí)行任務(wù)的注意力，并且使得駕駛桿向右可以活動(dòng)的行程減小，限制了向右滾轉(zhuǎn)的能力。(三)飛行高度變化對(duì)操縱性的影響在不同高度上平飛，只要保持同一表速不變(即動(dòng)壓不變)，則飛行員應(yīng)施加于桿上的力與低空相同，因?yàn)榇藭r(shí)和各平飛表速相對(duì)應(yīng)的迎角并未改變，故在此表速下的駕駛桿位置(升降舵偏轉(zhuǎn)角)與桿力也不致改變。如果飛行員保持同一真速不變，則由于動(dòng)壓隨高度的增加而減小，和各個(gè)平飛速度(真速)相對(duì)應(yīng)的迎角普遍增大。所以，為了在高空保持平飛，駕駛桿的位置要比在低空時(shí)靠后一些?；蛘哒f(shuō)，同每一平飛速度相對(duì)應(yīng)的升降舵上偏角度在高空普遍增大了。所以，高空飛行有桿、舵變輕的說(shuō)法。飛行高度升高，對(duì)飛機(jī)在桿、舵操縱下的反應(yīng)快慢，也有影響。比如，飛機(jī)保持同一真速在不同的高度飛行，高度升高，空氣密度降低，如果在高空和低空一樣，將桿前后移動(dòng)(或蹬舵)同樣行程，則在高空，操縱力矩減小，角加速度也隨之減小。因此，達(dá)到其對(duì)應(yīng)的平衡迎角或側(cè)滑角的所需時(shí)間為之增長(zhǎng)。同理，高度升高，到達(dá)同樣的坡度的時(shí)間延長(zhǎng)。總之，飛機(jī)對(duì)桿、舵操縱的反應(yīng)，在高空遲緩，而在低空迅速一些。(五)迎角對(duì)橫向操縱性的影響飛機(jī)滾轉(zhuǎn)時(shí)，不僅因滾轉(zhuǎn)而產(chǎn)生側(cè)滑，力圖減小其滾轉(zhuǎn)角速度，還因左右副翼阻力不等進(jìn)一步加強(qiáng)這種側(cè)滑，促使橫向操縱性變差．這種現(xiàn)象在大迎角下更為嚴(yán)重，甚至在某些飛機(jī)上出現(xiàn)橫向反操縱現(xiàn)象，亦即飛機(jī)向壓桿的反方向滾轉(zhuǎn)。為了改善橫向操縱性，特別是要消除大迎角下的橫向反操縱現(xiàn)象，通常使用差角副翼，阻力副翼或開(kāi)縫副翼。其主要作用都在于增加上偏副翼的阻力或減小下偏副翼的阻力，從而消除或減弱向滾轉(zhuǎn)方向的