飛機的平衡、穩(wěn)定和操縱-飛機的穩(wěn)定

第四章第頁1

飛機的方向穩(wěn)定性，指的是飛行中，飛機受微小擾動以至方向平衡遭到破壞，在擾動消失后，飛機自動趨向恢復(fù)原平衡狀態(tài)的特性。4.2.3飛機的方向穩(wěn)定性什么是方向穩(wěn)定性第四章第頁2方向穩(wěn)定力矩主要是在飛機出現(xiàn)側(cè)滑時由垂尾產(chǎn)生的。主要方向穩(wěn)定力矩的產(chǎn)生第四章第頁3由垂尾產(chǎn)生的方向穩(wěn)定力矩第四章第頁4垂尾面積的影響

垂尾面積越大，方向穩(wěn)定力矩越大。相對氣流相對氣流擾動擾動穩(wěn)定力矩穩(wěn)定力矩較小側(cè)力（面積?。┹^大側(cè)力（面積大）第四章第頁5機身四分之一翼弦連線橫軸后掠角

上反角和后掠角的設(shè)計等也能夠使機翼產(chǎn)生方向穩(wěn)定力矩。其他方向穩(wěn)定力矩的產(chǎn)生上反角第四章第頁6上反角在側(cè)滑中的作用

上反角的存在，使側(cè)滑前翼的迎角更大，因此阻力也更大。第四章第頁7

上反角使側(cè)滑前翼迎角大，阻力大，從而產(chǎn)生方向穩(wěn)定力矩。上反角在側(cè)滑中所產(chǎn)生的方向穩(wěn)定力矩第四章第頁8

后掠角的存在，使側(cè)滑前翼的相對氣流有效分速大，因而阻力更大，從而產(chǎn)生方向穩(wěn)定力矩。后掠角在側(cè)滑中所產(chǎn)生方向穩(wěn)定力矩第四章第頁9機身、背鰭和腹鰭的方向穩(wěn)定力矩的產(chǎn)生

機身，以及背鰭和腹鰭也可以產(chǎn)生方向穩(wěn)定力矩。第四章第頁10方向阻尼力矩的產(chǎn)生方向阻尼力矩主要由垂尾產(chǎn)生。

飛機轉(zhuǎn)動的過程中，垂尾處出現(xiàn)附加的側(cè)向氣流速度分量，導(dǎo)致垂尾出現(xiàn)側(cè)力，側(cè)力形成的力矩起到阻礙轉(zhuǎn)動的作用，稱方向阻尼力矩。垂尾側(cè)力轉(zhuǎn)動方向阻尼力矩第四章第頁11方向穩(wěn)定性與側(cè)滑角

飛機的方向穩(wěn)定性只能保持側(cè)滑角，而不能保持飛機的航向不變，因此也稱風(fēng)標穩(wěn)定性。丁字風(fēng)向標謝謝第四章第頁13

飛機的俯仰穩(wěn)定性，指的是飛行中，飛機受微小擾動以至俯仰平衡遭到破壞，在擾動消失后，飛機自動趨向恢復(fù)原平衡狀態(tài)的特性。4.2.2飛機的俯仰穩(wěn)定性什么是俯仰穩(wěn)定性第四章第頁14水平尾翼

正常布局的飛機的平尾的安裝角通常要比機翼的安裝角更小。俯仰穩(wěn)定力矩的產(chǎn)生俯仰穩(wěn)定力矩主要由平尾產(chǎn)生第四章第頁15俯仰穩(wěn)定力矩主要由平尾產(chǎn)生

平尾可以產(chǎn)生俯仰穩(wěn)定力矩，趨于保持飛機的俯仰平衡。俯仰轉(zhuǎn)動機翼迎角平尾升力零升迎角較小正迎角較大正迎角負升力零升力正升力第四章第頁16瞬間受擾機頭上抬擾動運動消失迎角恢復(fù)原值平尾附加升力俯仰穩(wěn)定力矩平尾產(chǎn)生俯仰穩(wěn)定力矩第四章第頁17焦點與俯仰穩(wěn)定力矩飛機迎角改變時附加升力的著力點稱為焦點。重心焦點第四章第頁18焦點位置的確定迎角增加，壓力中心向前移動機翼升力對A點的上仰力矩增加第四章第頁19焦點位置的確定迎角增加，壓力中心向前移動機翼升力對B點的下俯力矩增加第四章第頁20焦點位置的確定

在A、B兩點之間，存在一個點，當(dāng)壓力中心移動時，機翼升力對此點的力矩大小不變。這個點就是焦點。通常焦點距翼弦前緣點的距離是整個翼弦長度的25%。迎角增加，壓力中心向前移動機翼升力對焦點的下俯力矩恒定焦點第四章第頁21焦點與俯仰穩(wěn)定力矩

只有焦點的位置在飛機的重心之后飛機才具有俯仰穩(wěn)定性，焦點距離重心越遠，俯仰穩(wěn)定性越強。穩(wěn)定不穩(wěn)定第四章第頁22俯仰阻尼力矩的產(chǎn)生俯仰阻尼力矩主要由平尾產(chǎn)生轉(zhuǎn)動方向相對氣流平尾附加升力俯仰阻尼力矩飛機轉(zhuǎn)動方向第四章第頁23俯仰穩(wěn)定性的判別俯仰力矩系數(shù)曲線：俯仰力矩系數(shù)：第四章第頁24俯仰力矩系數(shù)曲線

俯仰力矩系數(shù)曲線的斜率也稱為迎角穩(wěn)定度或縱向靜穩(wěn)定度，它表示迎角每變化1度時俯仰力矩系數(shù)的變化量，它的表達式為：αmz抬頭低頭

α

mz第四章第頁25αmz抬頭低頭

α

mz

當(dāng)焦點在重心之后，飛機具有俯仰穩(wěn)定性，這也意味著俯仰力矩系數(shù)曲線斜率為負。俯仰力矩系數(shù)曲線重心焦點第四章第頁26短周期運動長周期運動位移量俯仰動穩(wěn)定性俯仰動穩(wěn)定性分為長周期運動和短周期兩種。謝謝第四章第頁28

飛機的橫側(cè)穩(wěn)定性，指的是飛行中，飛機受微小擾動以至橫側(cè)平衡遭到破壞，在擾動消失后，飛機自動趨向恢復(fù)原平衡狀態(tài)的特性。4.2.4飛機的橫側(cè)穩(wěn)定性什么是橫側(cè)穩(wěn)定性第四章第頁29主要橫側(cè)穩(wěn)定力矩的產(chǎn)生側(cè)力橫側(cè)穩(wěn)定力矩主要由側(cè)滑中機翼的上反角和后掠角產(chǎn)生。第四章第頁30

上反角情況下，側(cè)滑前翼的迎角更大，升力大于側(cè)滑后翼的升力，從而產(chǎn)生繞縱軸的橫側(cè)穩(wěn)定力矩。上反角產(chǎn)生的橫側(cè)穩(wěn)定力矩第四章第頁31

側(cè)滑前翼的升力大于側(cè)滑后翼的升力，是機翼能夠具有橫側(cè)穩(wěn)定性必要條件。后掠角產(chǎn)生的橫側(cè)穩(wěn)定力矩

后掠角情況下，側(cè)滑前翼的有效分速大，因而升力大于側(cè)滑后翼的升力，從而產(chǎn)生橫側(cè)穩(wěn)定力矩。第四章第頁32其他橫側(cè)穩(wěn)定力矩的產(chǎn)生

機翼上下位置和垂尾也能夠使機翼產(chǎn)生橫側(cè)穩(wěn)定力矩。第四章第頁33上單翼飛機橫側(cè)穩(wěn)定性強下單翼飛機橫側(cè)穩(wěn)定性弱機翼上下位置的影響第四章第頁34垂尾產(chǎn)生的橫側(cè)穩(wěn)定力矩

側(cè)滑中，垂尾產(chǎn)生的側(cè)力對重心形成的滾轉(zhuǎn)力矩也是橫側(cè)穩(wěn)定力矩。垂尾側(cè)力側(cè)滑方向側(cè)力力臂第四章第頁35

在飛機的設(shè)計中，為取得合適的橫側(cè)穩(wěn)定性，往往采用這幾種機翼構(gòu)型的組合。下圖為上單下反后掠布局。上單下反后掠布局第四章第頁36橫側(cè)阻尼力矩的產(chǎn)生飛機的橫側(cè)阻尼力矩主要由機翼產(chǎn)生。

飛機在受擾后的轉(zhuǎn)動過程中，由于機翼存在附加上、下氣流分量，使兩翼迎角不等，從而導(dǎo)致兩翼升力不等，這一阻尼力矩對飛機轉(zhuǎn)動起阻礙作用。滾轉(zhuǎn)方向阻尼力矩方向第四章第頁37滾轉(zhuǎn)附加氣流速度滾轉(zhuǎn)附加氣流速度上揚機翼迎角減小下沉機翼迎角增大滾轉(zhuǎn)對兩翼迎角的影響第四章第頁38

飛機的橫側(cè)穩(wěn)定性過強而方向穩(wěn)定性過弱，易產(chǎn)生明顯的飄擺現(xiàn)象，稱為荷蘭滾。

飛機的橫側(cè)穩(wěn)定性過弱而方向穩(wěn)定性過強，在受擾產(chǎn)生傾斜和側(cè)滑后，易產(chǎn)生緩慢的螺旋下降。4.2.5飛機方向穩(wěn)定性和橫側(cè)穩(wěn)定性的關(guān)系飛機的方向穩(wěn)定性與橫側(cè)穩(wěn)定性是相互耦合的。第四章第頁39飄擺

飛機受擾左傾斜→左側(cè)滑，若橫側(cè)穩(wěn)定性強→飛機迅速改平坡度；方向穩(wěn)定性弱→飛機左偏的速度慢，未等左側(cè)滑消除，飛機又帶右坡度→右側(cè)滑。飛機的橫側(cè)穩(wěn)定性過強而方向穩(wěn)定性過弱，易產(chǎn)生飄擺。第四章第頁40飄擺

飄擺的危害性在于：飄擺震蕩周期只有幾秒，修正飄擺超出了人的反應(yīng)能力，修正過程中極易造成推波助瀾，加大飄擺。正常情況下，飄擺半衰期很短，但當(dāng)方向穩(wěn)定性和橫側(cè)穩(wěn)定性不協(xié)調(diào)時，易使飄擺半衰期延長甚至不穩(wěn)定，嚴重危及安全。大型運輸機在高空和低速飛行時由于穩(wěn)定性發(fā)生變化易發(fā)生飄擺。因此廣泛使用飄擺阻尼器。第四章第頁41螺旋不穩(wěn)定

飛機受擾左傾斜→左側(cè)滑，若橫側(cè)穩(wěn)定性弱→飛機改平坡度慢；方向穩(wěn)定性強→飛機左偏的速度快→快速左偏導(dǎo)致右翼升力大→飛機飛機難于改平左坡度。最終導(dǎo)致飛機進入緩慢的盤旋下降過程，稱螺旋不穩(wěn)定。螺旋不穩(wěn)定的周期較大，對飛行安全不構(gòu)成威脅，飛機設(shè)計中允許出現(xiàn)輕度的螺旋不穩(wěn)定。

飛機的橫側(cè)穩(wěn)定性過弱而方向穩(wěn)定性過強，易產(chǎn)生螺旋不穩(wěn)定。謝謝飛行原理/CAFUC4.2

飛機的穩(wěn)定性第四章第頁44

飛機的穩(wěn)定性是指，飛機受擾偏離原平衡狀態(tài)，偏離后飛機能自動恢復(fù)到原平衡狀態(tài)的能力。俯仰穩(wěn)定性方向穩(wěn)定性橫側(cè)穩(wěn)定性第四章第頁454.2.1穩(wěn)定性概念及條件

一旦擺錘偏離原平衡狀態(tài)，重力分力形成的力矩力圖使擺錘回到原平衡位置。此外，擺錘在擺動過程中還受到空氣阻力形成的力矩作用。

單擺的穩(wěn)定性

下垂的單擺是穩(wěn)定的，因為其受到穩(wěn)定力矩和阻尼力矩的共同作用。阻尼力矩原平衡狀態(tài)穩(wěn)定力矩阻尼力矩原平衡狀態(tài)穩(wěn)定力矩

單擺在這兩個力矩的共同作用下，最終回到原平衡狀態(tài)。第四章第頁46

物體受擾后的運動過程中，自動出現(xiàn)的、力圖使物體最終回到原平衡狀態(tài)的、方向始終與運動方向相反的力矩，稱為阻尼力矩。

物體受擾偏離原平衡狀態(tài)后，自動出現(xiàn)的、力圖使物體回到原平衡狀態(tài)的、方向始終指向原平衡位置的力矩，稱為穩(wěn)定力矩。阻尼力矩原平衡狀態(tài)穩(wěn)定力矩阻尼力矩原平衡狀態(tài)穩(wěn)定力矩

單擺的穩(wěn)定性分析第四章第頁47

倒立單擺的穩(wěn)定性倒立的單擺不具備這兩個力矩，因此是不穩(wěn)定的。原平衡狀態(tài)不穩(wěn)定力矩第四章第頁48靜穩(wěn)定性與動穩(wěn)定性

受擾后出現(xiàn)穩(wěn)定力矩，具有回到原平衡狀態(tài)的趨勢，稱為物體是靜穩(wěn)定的。靜穩(wěn)定性研究物體受擾后的最初響應(yīng)問題。正的靜穩(wěn)定性中立靜穩(wěn)定性負的靜穩(wěn)定性外力外力外力第四章第頁49靜穩(wěn)定性與動穩(wěn)定性

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。動穩(wěn)定性研究物體受擾運動的時間響應(yīng)歷程問題。振幅正的動穩(wěn)定性（穩(wěn)定）中立動穩(wěn)定性