無人機飛行原理-第05章 固定翼無人機的穩(wěn)定性和操縱性

第5章固定翼無人機的穩(wěn)定性和操縱性15固定翼無人機的穩(wěn)定性和操縱性2穩(wěn)定性和操縱性是衡量無人機飛行品質和操縱品質的重要參數(shù)?！谭€(wěn)定性是無人機本身具有的一種特性，表示無人機在受到擾動之后是否具有回到原始狀態(tài)的能力。√操縱性是指固定翼無人機在駕駛員操縱升降舵、方向舵和副翼下改變其飛行狀態(tài)的特性。√無人機能否自動保持原來飛行狀態(tài)，是穩(wěn)定性的問題；如何改變無人機原有的平衡狀態(tài)，則是操縱性的問題。保持飛機飛行狀態(tài)屬于平衡問題。所以，研究無人機的平衡是分析無人機穩(wěn)定性和操縱性的基礎。5.1固定翼無人機的平衡3無人機重力作用點所在的位置，叫作重心位置（Center

ofGravity，CG）。無人機的運動、操縱與重心位置有密切的關系?！讨匦奈恢脩ㄇ昂?、左右和上下的位置。由于重心影響無人機的穩(wěn)定性，為了確保飛機安全飛行，重心必須在制造商規(guī)定的范圍內，即重心限制?！逃捎跓o人機左右對稱，重心位于對稱面上，而且重心上下位置對穩(wěn)定性的影響較小，因此通常所說的重心位置是指沿縱軸方向的前后位置，即重心前限和重心后限之間的范圍。一般，固定翼無人機的重心位置不超過35%MAC。5.1固定翼無人機的平衡平均空氣動力弦√重心位置可以借助于平均空氣動力弦（MeanAerodynamic

Chord，MAC）進行表示。平均空氣動力弦是飛機的縱向特征長度，是一個特別重要的幾何參數(shù)?！唐骄諝鈩恿ο揖褪且粋€假想的矩形機翼的翼弦，這個假想的矩形機翼的面積、空氣動力和俯仰力矩等特性都與原機翼相同。45.1固定翼無人機的平衡坐標軸√機體坐標系的原點O取在飛機重心，以穿過重心的平行于飛機機身軸線的坐標為X軸（縱軸），以指向機頭為正；穿過飛機重心垂直于飛機對稱面XOY指向機身右側的軸為Z軸（橫軸）；垂直于XOZ平面經(jīng)過原點指向上方的軸為Y軸（立軸）。55.1固定翼無人機的平衡6平衡是指作用于飛機的各力之和為零，各力重心所構成的各力矩之和也為零。飛機處于平衡狀態(tài)時，飛機速度的大小和方向都保持不變，不繞重心轉動?！虨檠芯繂栴}方便，一般相對于飛機的三個軸來研究飛機力矩的平衡：√（1）相對橫軸：俯仰平衡?！蹋?）相對立軸：方向平衡?！蹋?）相對縱軸：橫側平衡。所以，無人機的平衡問題歸結為俯仰平衡、方向平衡和橫側平衡3種。5.1固定翼無人機的平衡7第一個平衡：俯仰平衡√無人機的俯仰平衡是指作用于無人機的各俯仰力矩之和為零。固定翼無人機取得平衡后，不繞縱軸轉動，迎角為零或保持不變?！套饔糜诠潭ㄒ頍o人機的俯仰力矩很多，主要有機翼力矩、水平尾翼力矩及拉力（推力）力矩?！桃话闱闆r，機翼力矩是下俯力矩；水平尾翼產生負升力，故水平尾翼力矩是上仰力矩?！逃绊懜┭銎胶獾囊蛩兀杭訙p油門，收放襟翼、收放起落架和重心變化等。飛行中，影響飛機俯仰的因素是經(jīng)常存在的。5.1固定翼無人機的平衡8第二個平衡：方向平衡√飛機的方向平衡是作用于飛機的各偏轉力矩之和為零。飛機取得方向平衡后，不繞立軸轉動，側滑角為零或不變?！逃绊戯w機方向平衡的因素：飛機一邊機翼變形，左右兩翼阻力不等；螺旋槳轉速或槳距變化，進而螺旋槳滑流引起的垂直尾翼力矩隨之改變。第三個平衡：橫側平衡√飛機的橫側平衡是作用于飛機的各滾轉力矩之和為零。飛機取得橫側平衡后，不繞縱軸滾轉，坡度為零或不變。5.2固定翼無人機的穩(wěn)定性9√如果無人機受到擾動（如突風）之后，在不進行任何操縱的情況下能夠回到初始狀態(tài)，則稱無人機是穩(wěn)定的，反之則稱無人機是不穩(wěn)定的。□飛機的穩(wěn)定與否對飛行安全尤為重要，如果飛機是穩(wěn)定的，當遇到突風等擾動時，駕駛員可以不用干預飛機，飛機會自動回到平衡狀態(tài)；如果飛機是不穩(wěn)定的，在遇到擾動時，哪怕是一丁點擾動，駕駛員都必須對飛機進行操縱以保持平衡狀態(tài)，否則飛機就會離初始狀態(tài)越來越遠。不穩(wěn)定的飛機不僅極大地加重了操縱負擔，而且駕駛員對飛機的操縱與飛機自身運動的相互干擾還容易誘發(fā)飛機的振蕩，造成飛行事故?！谭€(wěn)定性又稱安定性，是物體受擾動后回復到原來狀態(tài)的趨勢。穩(wěn)定性分為靜穩(wěn)定性和動穩(wěn)定性兩種。5.2固定翼無人機的穩(wěn)定性靜穩(wěn)定性和動穩(wěn)定性√靜穩(wěn)定性研究物體受擾后的最初響應問題。受擾后出現(xiàn)穩(wěn)定力矩，具有回到原平衡狀態(tài)的趨勢，稱物體是靜穩(wěn)定的?！虅臃€(wěn)定性研究物體受擾運動的時間響應歷程問題。擾動運動過程中出現(xiàn)阻尼力矩，最終使物體回到原平衡狀態(tài)，稱物體是動穩(wěn)定的。105.2固定翼無人機的穩(wěn)定性焦點和中性點√焦點就是氣動力中心（AerodynamicCenter，簡稱AC），當飛機的迎角發(fā)生變化時，飛機的氣動力對該點的力矩始終不變，也可以理解為飛機氣動力增量的作用點。115.2固定翼無人機的穩(wěn)定性12焦點的位置是決定飛機穩(wěn)定性的重要參數(shù)?！碳热唤裹c力矩不隨迎角改變而改變，所以迎角不同時，要計算升力增量的大小即可，而且這升力增量可以認為正好作用在焦點上?！虒τ趯ΨQ翼型，壓力中心CP與焦點AC重合；非對稱翼型，兩者位置不同，隨著迎角增加，壓力中心CP前移，逐漸接近焦點AC?！桃硇汀C翼焦點與全機焦點也是有差異，全機的焦點位置因為受到尾翼的影響，與機翼的焦點位置是不相同的。當飛機的迎角發(fā)生變化時，在機翼和尾翼上都會產生一定的附加升力，這個附加升力的合力作用點就是飛機的焦點。5.2固定翼無人機的穩(wěn)定性中性點（Neutral

Point，NP）√中性點位于縱軸上，飛機對于中性點是中立穩(wěn)定。中性點就是焦點AC，此時對中性點的dCm/dα＝0俯仰力矩曲線斜率為負，且絕對值越大，穩(wěn)定性越強。135.2固定翼無人機的穩(wěn)定性14無人機的靜穩(wěn)定性是指平衡狀態(tài)被破壞瞬間的無人機運動趨勢，包括3種形式：□靜穩(wěn)定的□靜不穩(wěn)定的□中性穩(wěn)定的√如果無人機受到外界瞬態(tài)擾動作用后，不經(jīng)人為干預，具有自動恢復到原來平衡狀態(tài)的趨勢，則稱為無人機是靜穩(wěn)定的；反之，在外界瞬態(tài)擾動后，直升機有擴大偏離平衡狀態(tài)的趨勢，稱為無人機是靜不穩(wěn)定的。5.2固定翼無人機的穩(wěn)定性15√動穩(wěn)定性是飛行品質的主要內容。研究無人機的動穩(wěn)定性，不僅要判斷受擾運動是否穩(wěn)定，還要了解受擾運動的特征，如振動的周期、收斂（或發(fā)散）的快慢等?！虅臃€(wěn)定以靜穩(wěn)定為前提，所以靜不穩(wěn)定的無人機不可能是動穩(wěn)定的。動不穩(wěn)定的無人機，當發(fā)散程度不是很劇烈時，仍可以飛行，但需要飛行員頻繁地操縱修正無人機來抵制擾動的影響，從而增加飛行員的操縱負荷。而動穩(wěn)定的無人機不需要如此。5.2固定翼無人機的穩(wěn)定性√按照所研究的運動參數(shù)，將無人機穩(wěn)定性分縱向、橫向和航向穩(wěn)定性。其中，飛機的縱向穩(wěn)定性，又稱俯仰穩(wěn)定性?！淘谡ｏw行過程中，當飛機處于平衡狀態(tài)時，作用于飛機的俯仰力矩主要是機翼力矩和水平尾翼力矩，水平尾翼產生的附加升力可以產生俯仰穩(wěn)定力矩。165.2固定翼無人機的穩(wěn)定性√引入飛機焦點后，飛機的俯仰穩(wěn)定性問題，實際上就變?yōu)檠芯拷裹c與飛機重心的位置問題。√飛機的縱向穩(wěn)定性大小主要取決于飛機重心與焦點之間的距離，即俯仰靜穩(wěn)定度。穩(wěn)定度是非常重要的設計參數(shù)。175.2固定翼無人機的穩(wěn)定性18俯仰穩(wěn)定性√當飛機的重心位于焦點前面時，穩(wěn)定度為負值，則飛機才是縱向靜穩(wěn)定的。重心前移可以增加飛機的縱向靜穩(wěn)定性，重心與焦點的距離越大，穩(wěn)定性也好；反之，穩(wěn)定性越差?！虒τ诟邫C翼的無人機以大迎角飛行時，俯仰穩(wěn)定性增強；翼型彎度越大，機翼的零升迎角負值越大，俯仰穩(wěn)定性越差?！绦⌒凸潭ㄒ頍o人機的俯仰穩(wěn)定度大約是-0.4，臨界值在-0.15左右，如果穩(wěn)定度絕對值變小，無人機由可能出現(xiàn)嚴重起伏飛行，甚至完全失去俯仰穩(wěn)定性。5.2固定翼無人機的穩(wěn)定性19側向穩(wěn)定性√固定翼無人機側向穩(wěn)定性包括方向穩(wěn)定性和橫側穩(wěn)定性，兩者是密切聯(lián)系，相互耦合而不能分割。其中，在偏航方向上的穩(wěn)定性為方向穩(wěn)定性?！虩o人機的方向穩(wěn)定性，是指飛行中受到擾動其方向平衡狀態(tài)遭到破壞，在擾動消失后，能自動恢復到原平衡狀態(tài)的特性。由于方向平衡性判斷對象是側滑角，所以方向穩(wěn)定性分析中要分析擾動對側滑角的影響?！鮽然且环N飛行速度與固定翼無人機對稱面不一致的飛行狀態(tài)。側滑可以理解為飛行速度（或相對氣流）方向與飛機縱軸之間的夾角。5.2固定翼無人機的穩(wěn)定性□方向穩(wěn)定力矩主要是在飛機出現(xiàn)側滑時由垂尾產生的。□如果固定翼無人機飛行中受到擾動發(fā)生側滑，無人機會產生繞縱軸滾轉運動。205.2固定翼無人機的穩(wěn)定性□如果固定翼無人機構型設計有上反角或后掠角，也能使機翼產生方向穩(wěn)定力矩?！跎戏唇莾梢淼淖枇Σ顚χ匦男纬煞较蚍€(wěn)定力矩。由于后掠角的存在，使側滑前翼的相對氣流有效分速大，因而阻力更大，也可以產生方向穩(wěn)定力矩。215.2固定翼無人機的穩(wěn)定性□機翼上下位置和垂尾也對橫側穩(wěn)定力矩的產生有影響。225.2固定翼無人機的穩(wěn)定性√荷蘭滾和螺旋不穩(wěn)定現(xiàn)象□飄擺不穩(wěn)定現(xiàn)象是由于飛機的橫側穩(wěn)定性過強而方向穩(wěn)定性過弱，也稱為荷蘭滾（Dutch

roll）。而飛機的橫側穩(wěn)定性過弱而方向穩(wěn)定性過強，在受擾產生傾斜和側滑后，易產生緩慢的螺旋不穩(wěn)定現(xiàn)象（Spiral）。235.2固定翼無人機的穩(wěn)定性√動不穩(wěn)定波狀飛行□波狀飛行就是固定翼無人機在飛行時，軌跡呈波浪形，一會兒抬頭上升，一會兒又低頭下滑，如此反復進行，飛行高度迅速降低，最后觸地為止。這是沒調整好的無人飛機常見的一種動穩(wěn)定性不良現(xiàn)象?！醭Ｒ姷牟铒w行有兩種：一種是尖頂波狀飛行，另一種是圓頂波狀飛行。245.3固定翼無人機的操縱性√固定翼無人機的操縱性是指無人機在有關舵面（升降舵、方向舵、副翼等活動面）偏轉時，改變自己飛行姿態(tài)的性能。固定翼無人機不僅應有自動保持其原有平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性，還要求具有良好的操縱性?！虩o人機操縱性包括：俯仰操縱性、方向操縱性和橫側操縱性?！坦潭ㄒ頍o人機在空中的操縱是通過三個操縱面：升降舵、方向舵和副翼來進行的。255.3固定翼無人機的操縱性俯仰操縱性√固定翼無人機的縱向操縱性是當無人機按照操縱指令偏轉升降舵后，無人機繞橫軸轉動而改變其迎角、速度等飛行狀態(tài)的特性。√固定翼無人機主要依靠升降舵進行俯仰操縱。當操縱升降舵產生上仰操縱力矩，打破原來的俯仰平衡，使飛機抬頭，迎角增大。同理，操縱升降舵下偏，產生低頭操縱力矩，導致迎角減小。265.3固定翼無人機的操縱性27俯仰操縱性√在直線飛行中，升降舵偏轉角的每一個位置對應著一個迎角。在直線飛行中，固定翼無人機的升降舵前后的每一個位置，都對應著一個迎角或飛行速度。俯仰力矩的平衡關系為：俯仰操縱力矩＝俯仰穩(wěn)定力矩√固定翼無人機做曲線飛行，操縱力矩不僅要克服由于迎角增大而產生的穩(wěn)定力矩，而且還要克服由于飛機繞橫軸轉動所產生的阻尼力矩。俯仰力矩的平衡關系為：俯仰操縱力矩＝俯仰穩(wěn)定力矩＋俯仰阻尼力矩√所以，改變同樣多的迎角，需要的升降舵偏角更大些。5.3固定翼無人機的操縱性28側向操縱性√方向操縱力矩的平衡關系為：方向操縱力矩＝方向穩(wěn)定力矩□與俯仰操縱相似，對方向操縱而言，在直線飛行中，每一個方向舵位置，對應著一個側滑角，方向舵左偏，固定翼無人機產生左側滑；方向舵右偏，無人機產生右側滑?！虣M側操縱力矩平衡關系式為：橫側操縱力矩＝橫側阻尼力矩□在橫側操縱中，副翼偏轉的每個位置，都對應著一個穩(wěn)定的滾轉角速度，副翼偏轉的角度越大，滾轉的角速度就越大。5.3固定翼無人機的操縱性29影響無人機操縱性的因素√1.重心位置對操縱性的影響√2.飛行速度的影響√3.飛行高度的影響√4.大迎角的影響5.3固定翼無人機的操縱性30無人機的機動性√無人機的運動參數(shù)隨時間而變化的非定常運動，稱為無人機的機動飛行。在短時間內盡快改變運動狀態(tài)所實施的飛行動作稱為無人機的機動動作?！虩o人機的機動動作包括盤旋、滾轉、俯沖、筋斗