飞机的平衡、稳定性与操纵性

1、飞行原理/cafuc,飞机的平衡、稳定性与操纵性,第四章,第四章 第 页,2,飞机飞行状态的变化，归根到底，都是力和力矩作用的结果。飞机的平衡、稳定性和操纵性是阐述飞机在力和力矩的作用下，飞机状态的保持和改变的基本原理,第四章 第 页,3,本章主要内容,4.1 飞机的平衡 4.2 飞机的稳定性 4.3 飞机的操纵性,飞行原理/cafuc,4.1 飞机的平衡,第四章 第 页,5,4.1.1 飞机的坐标轴和重心,机体轴,第四章 第 页,6,机体轴及对应转动,第四章 第 页,7,绕横轴（oz轴）的转动称为俯仰转动,注：角速度和力矩均按右手螺旋法则判定正负,第四章 第 页,8,绕立轴（oy轴）的转动称

2、为偏转,第四章 第 页,9,绕纵轴（ox轴）的转动称为滚转,第四章 第 页,10,重心（center of gravity,飞机各部件、燃料、乘员、货物等重力的合力，叫飞机的重力。飞机重力的着力点叫做飞机重心,第四章 第 页,11,重心cg,飞机在空中的运动，总可分解成飞机各部分随飞机重心一起的移动和飞机各部分绕重心的转动,重心（center of gravity,第四章 第 页,12,重心位置的表示,重心的前后位置常用重心在某一特定翼弦上的投影到该翼弦前端的距离，占该翼弦的百分数来表示,第四章 第 页,13,平均空气动力弦（mac,假想的矩形翼的面积、空气动力及俯仰特性与原机翼相同,第四章

3、第 页,14,几何中心,标准平均弦（smc,平均空气动力弦（mac,重心的前后位置常用重心在mac上的投影到该翼弦前端的距离，占该翼弦的百分数来表示,标准平均弦等于机翼面积与翼展的比值,第四章 第 页,15,飞机的平衡包括作用力平衡和力矩平衡两个方面。本节只分析各力矩的平衡,飞机的平衡,相对横轴(oz轴)俯仰平衡 相对横轴(oy轴)方向平衡 相对横轴(ox轴)横侧平衡,第四章 第 页,16,4.1.2 飞机的俯仰平衡 飞机的俯仰平衡是指作用于飞机的各俯仰力矩之和为零，迎角不变,第四章 第 页,17,俯仰力矩主要有,机翼产生的俯仰力矩 水平尾翼产生的俯仰力矩 拉力（或推力）产生的俯仰力矩,第四章

4、 第 页,18,机翼产生的俯仰力矩的大小最终只取决于飞机重心位置、迎角和飞机构型,一般情况下机翼产生下俯力矩。但当重心后移较多且迎角有很大时，则可能产生上仰力矩,机翼产生的俯仰力矩,第四章 第 页,19,平尾产生的俯仰力矩,在正常飞行中，水平尾翼产生负升力，故水平尾翼力矩是上仰力矩。当迎角很大时，也可能会产生下俯力矩,第四章 第 页,20,水平尾翼产生的俯仰力矩取决于机翼迎角、升降舵偏角和流向水平尾翼的气流速度,平尾产生的俯仰力矩,第四章 第 页,21,螺旋桨的拉力或发动机的推力，其作用线若不通过飞机重心，也会形成围绕重心的俯仰力矩,拉力产生的俯仰力矩,第四章 第 页,22,获得俯仰平衡的条件

5、,第四章 第 页,23,4.1.3 飞机的方向平衡 飞机的方向平衡是指作用于飞机的各偏转力矩之和为零，侧滑角不变或侧滑角为零,第四章 第 页,24,侧滑是指相对气流方向与飞机对称面不一致的飞行状态,第四章 第 页,25,偏转力矩主要有,两翼阻力对重心产生的偏转力矩 垂尾侧力对重心产生的偏转力矩 双发或多发飞机拉力产生的偏转力矩,第四章 第 页,26,获得方向平衡的条件,第四章 第 页,27,4.1.4 飞机的横侧平衡 飞机的横侧平衡是指作用于飞机的各滚转力矩之和为零，坡度不变,第四章 第 页,28,滚转力矩主要有,两翼升力对重心产生的滚转力矩 螺旋桨反作用力矩对重心产生的滚转力矩,第四章 第

6、页,29,获得横侧平衡的条件,第四章 第 页,30,4.1.5 影响飞机平衡的主要因素,加减油门 收放襟翼 收放起落架 重心变化,影响俯仰平衡的主要因素,第四章 第 页,31,加减油门,加减油门不仅直接影响拉力或推力力矩的大小，还会影响到机翼和尾翼力矩的大小,第四章 第 页,32,襟翼收放,放襟翼机翼升力增大，同时升力作用点（压力中心）后移，下俯力矩增加；另一方面，放襟翼使下洗增大，平尾负升力增大，抬头力矩变大,第四章 第 页,33,起落架收放,一方面导致飞机重心移动；另一方面，起落架附加阻力变化会引起俯仰力矩变化,第四章 第 页,34,重心位置变化,重心移动对机翼的俯仰力矩影响较大,第四章

7、第 页,35,保持俯仰平衡的主要方法,飞行员可利用偏转升降舵产生的俯仰操纵力矩来平衡俯仰力矩以保持俯仰平衡,第四章 第 页,36,一边机翼变形导致两侧阻力不同、两侧发动机工作状态不同以及螺旋桨副作用影响等,影响方向平衡的主要因素,飞行员可利用偏转方向舵产生的方向操纵力矩来平衡偏转力矩以保持方向平衡,第四章 第 页,37,一边机翼变形导致两侧升力不同、油门改变和重心移动等,影响飞机横侧平衡的因素,飞行员可利用偏转副翼产生的横侧操纵力矩来平衡滚转力矩以保持横侧平衡,第四章 第 页,38,本章主要内容,4.1 飞机的平衡 4.2 飞机的稳定性 4.3 飞机的操纵性,飞行原理/cafuc,4.2 飞机

8、的稳定性,第四章 第 页,40,飞机的稳定性是指，飞机受扰偏离原平衡状态，偏离后飞机能自动恢复到原平衡状态的能力,俯仰稳定性 方向稳定性 横侧稳定性,第四章 第 页,41,4.2.1 稳定性概念及条件,一旦摆锤偏离原平衡状态，重力分力形成的力矩力图使摆锤回到原平衡位置。此外，摆锤在摆动过程中还受到空气阻力形成的力矩作用,单摆的稳定性,下垂的单摆是稳定的，因为其受到稳定力矩和阻尼力矩的共同作用,单摆在这两个力矩的共同作用下，最终回到原平衡状态,第四章 第 页,42,物体受扰后的运动过程中，自动出现的、力图使物体最终回到原平衡状态的、方向始终与运动方向相反的力矩，称为阻尼力矩,物体受扰偏离原平衡状

9、态后，自动出现的、力图使物体回到原平衡状态的、方向始终指向原平衡位置的力矩，称为稳定力矩,单摆的稳定性分析,第四章 第 页,43,倒立单摆的稳定性,倒立的单摆不具备这两个力矩，因此是不稳定的,第四章 第 页,44,静稳定性与动稳定性,受扰后出现稳定力矩，具有回到原平衡状态的趋势，称为物体是静稳定的。静稳定性研究物体受扰后的最初响应问题,第四章 第 页,45,静稳定性与动稳定性,扰动运动过程中出现阻尼力矩，最终使物体回到原平衡状态，称物体是动稳定的。动稳定性研究物体受扰运动的时间响应历程问题,第四章 第 页,46,飞机稳定性的定义,飞机的稳定性是指：飞机受到小扰动（包括阵风扰动和操纵扰动）后，偏

10、离原平衡状态，并在扰动消失后，飞行员不给于任何操纵，飞机自动恢复原平衡状态（包括最初响应静稳定性问题，和最终响应动稳定性问题）的特性,俯仰稳定性 方向稳定性 横侧稳定性,第四章 第 页,47,飞机的稳定性,飞机具有稳定性,飞机不具有稳定性,飞机具有中立稳定性,第四章 第 页,48,飞机的俯仰稳定性，指的是飞行中，飞机受微小扰动以至俯仰平衡遭到破坏，在扰动消失后，飞机自动趋向恢复原平衡状态的特性,4.2.2 飞机的俯仰稳定性,什么是俯仰稳定性,第四章 第 页,49,水平尾翼,正常布局的飞机的平尾的安装角通常要比机翼的安装角更小,俯仰稳定力矩的产生,俯仰稳定力矩主要由平尾产生,第四章 第 页,50

11、,俯仰稳定力矩主要由平尾产生,平尾可以产生俯仰稳定力矩，趋于保持飞机的俯仰平衡,第四章 第 页,51,瞬间受扰机头上抬,俯仰稳定力矩,平尾产生俯仰稳定力矩,第四章 第 页,52,焦点与俯仰稳定力矩,飞机迎角改变时附加升力的着力点称为焦点,第四章 第 页,53,焦点位置的确定,第四章 第 页,54,焦点位置的确定,第四章 第 页,55,焦点位置的确定,在a、b两点之间，存在一个点，当压力中心移动时，机翼升力对此点的力矩大小不变。这个点就是焦点。通常焦点距翼弦前缘点的距离是整个翼弦长度的25,第四章 第 页,56,焦点与俯仰稳定力矩,只有焦点的位置在飞机的重心之后飞机才具有俯仰稳定性，焦点距离重心

12、越远，俯仰稳定性越强,稳定,不稳定,第四章 第 页,57,俯仰阻尼力矩的产生,俯仰阻尼力矩主要由平尾产生,第四章 第 页,58,俯仰稳定性的判别,俯仰力矩系数曲线,俯仰力矩系数,第四章 第 页,59,俯仰力矩系数曲线,俯仰力矩系数曲线的斜率也称为迎角稳定度或纵向静稳定度，它表示迎角每变化1度时俯仰力矩系数的变化量，它的表达式为,第四章 第 页,60,当焦点在重心之后，飞机具有俯仰稳定性，这也意味着俯仰力矩系数曲线斜率为负,俯仰力矩系数曲线,第四章 第 页,61,俯仰动稳定性,俯仰动稳定性分为长周期运动和短周期两种,第四章 第 页,62,飞机的方向稳定性，指的是飞行中，飞机受微小扰动以至方向平衡

13、遭到破坏，在扰动消失后，飞机自动趋向恢复原平衡状态的特性,4.2.3 飞机的方向稳定性,什么是方向稳定性,第四章 第 页,63,方向稳定力矩主要是在飞机出现侧滑时由垂尾产生的,主要方向稳定力矩的产生,第四章 第 页,64,由垂尾产生的方向稳定力矩,第四章 第 页,65,垂尾面积的影响,垂尾面积越大，方向稳定力矩越大,第四章 第 页,66,机身,四分之一翼弦连线,上反角和后掠角的设计等也能够使机翼产生方向稳定力矩,其他方向稳定力矩的产生,上反角,第四章 第 页,67,上反角在侧滑中的作用,上反角的存在，使侧滑前翼的迎角更大，因此阻力也更大,第四章 第 页,68,上反角使侧滑前翼迎角大，阻力大，从

14、而产生方向稳定力矩,上反角在侧滑中所产生的方向稳定力矩,第四章 第 页,69,后掠角的存在，使侧滑前翼的相对气流有效分速大，因而阻力更大，从而产生方向稳定力矩,后掠角在侧滑中所产生方向稳定力矩,第四章 第 页,70,机身、背鳍和腹鳍的方向稳定力矩的产生,机身，以及背鳍和腹鳍也可以产生方向稳定力矩,第四章 第 页,71,方向阻尼力矩的产生,方向阻尼力矩主要由垂尾产生,飞机转动的过程中，垂尾处出现附加的侧向气流速度分量，导致垂尾出现侧力，侧力形成的力矩起到阻碍转动的作用，称方向阻尼力矩,阻尼力矩,第四章 第 页,72,方向稳定性与侧滑角,飞机的方向稳定性只能保持侧滑角，而不能保持飞机的航向不变，因

15、此也称风标稳定性,丁字风向标,第四章 第 页,73,飞机的横侧稳定性，指的是飞行中，飞机受微小扰动以至横侧平衡遭到破坏，在扰动消失后，飞机自动趋向恢复原平衡状态的特性,4.2.4 飞机的横侧稳定性,什么是横侧稳定性,第四章 第 页,74,主要横侧稳定力矩的产生,侧力,横侧稳定力矩主要由侧滑中机翼的上反角和后掠角产生,第四章 第 页,75,上反角情况下，侧滑前翼的迎角更大，升力大于侧滑后翼的升力，从而产生绕纵轴的横侧稳定力矩,上反角产生的横侧稳定力矩,第四章 第 页,76,侧滑前翼的升力大于侧滑后翼的升力，是机翼能够具有横侧稳定性必要条件,后掠角产生的横侧稳定力矩,后掠角情况下，侧滑前翼的有效分

16、速大，因而升力大于侧滑后翼的升力，从而产生横侧稳定力矩,第四章 第 页,77,其他横侧稳定力矩的产生,机翼上下位置和垂尾也能够使机翼产生横侧稳定力矩,第四章 第 页,78,机翼上下位置的影响,第四章 第 页,79,垂尾产生的横侧稳定力矩,侧滑中，垂尾产生的侧力对重心形成的滚转力矩也是横侧稳定力矩,第四章 第 页,80,在飞机的设计中，为取得合适的横侧稳定性，往往采用这几种机翼构型的组合。下图为上单下反后掠布局,上单下反后掠布局,第四章 第 页,81,横侧阻尼力矩的产生,飞机的横侧阻尼力矩主要由机翼产生,飞机在受扰后的转动过程中，由于机翼存在附加上、下气流分量，使两翼迎角不等，从而导致两翼升力不

17、等，这一阻尼力矩对飞机转动起阻碍作用,第四章 第 页,82,滚转对两翼迎角的影响,第四章 第 页,83,飞机的横侧稳定性过强而方向稳定性过弱，易产生明显的飘摆现象，称为荷兰滚,飞机的横侧稳定性过弱而方向稳定性过强，在受扰产 生倾斜和侧滑后，易产生缓慢的螺旋下降,4.2.5 飞机方向稳定性和横侧稳定性的关系,飞机的方向稳定性与横侧稳定性是相互耦合的,第四章 第 页,84,飘摆,飞机受扰左倾斜左侧滑，若横侧稳定性强飞机迅速改平坡度；方向稳定性弱飞机左偏的速度慢，未等左侧滑消除，飞机又带右坡度右侧滑,飞机的横侧稳定性过强而方向稳定性过弱，易产生飘摆,第四章 第 页,85,飘摆,飘摆的危害性在于：飘摆

18、震荡周期只有几秒，修正飘摆超出了人的反应能力，修正过程中极易造成推波助澜，加大飘摆。 正常情况下，飘摆半衰期很短，但当方向稳定性和横侧稳定性不协调时，易使飘摆半衰期延长甚至不稳定，严重危及安全。 大型运输机在高空和低速飞行时由于稳定性发生变化易发生飘摆。因此广泛使用飘摆阻尼器,第四章 第 页,86,螺旋不稳定,飞机受扰左倾斜左侧滑，若横侧稳定性弱飞机改平坡度慢；方向稳定性强飞机左偏的速度快 快速左偏导致右翼升力大 飞机飞机难于改平左坡度。最终导致飞机进入缓慢的盘旋下降过程，称螺旋不稳定。 螺旋不稳定的周期较大，对飞行安全不构成威胁，飞机设计中允许出现轻度的螺旋不稳定,飞机的横侧稳定性过弱而方向

19、稳定性过强，易产生螺旋不稳定,第四章 第 页,87,横侧动稳定性,飞机横侧扰动运动的时间响应历程分析,第四章 第 页,88,无论是飞机偏转力矩随侧滑角变化的曲线，还是飞机滚转力矩随侧滑角变化的曲线，当曲线斜率为负时，才能具有稳定性,4.2.6 力矩系数曲线,第四章 第 页,89,重心的位置,速度 速度增大，稳定性越强（阻尼力矩增大,大迎角飞行,4.2.7 影响飞机稳定性的因素,高度变化,第四章 第 页,90,重心位置靠前，飞机的俯仰稳定性越强。 重心位置靠前，飞机的方向稳定性有所增加，但不明显。 重心位置前后移动，对横侧稳定性无影响,重心的位置,第四章 第 页,91,飞行高度,在高空，相同当量

20、空速下，同样扰动气流速度，飞机受影响更小。 但在高空由于阻尼力矩小，飞机摆动的衰减时间长,第四章 第 页,92,飞机受扰左倾，左翼下沉，迎角增大，右翼上扬，迎角减小。若受扰前在临界迎角附近，就可能导致迎角大，升力反而小，从而导致横侧阻尼力矩方向改变，飞机进一步左倾，出现机翼自转现象,大迎角飞行,第四章 第 页,93,飞机的稳定性分析,飞机的稳定性是飞机本身应具有的一种特性。 飞机的的稳定性是相对的、有条件的,第四章 第 页,94,本章主要内容,4.1 飞机的平衡 4.2 飞机的稳定性 4.3 飞机的操纵性,飞行原理/cafuc,4.3 飞机的操纵性,第四章 第 页,96,操纵性的定义： 飞机的

21、操纵性是指飞机在飞行员操纵升降舵、方向舵和副翼下改变其飞行状态的特性,俯仰操纵性 方向操纵性 横侧操纵性,第四章 第 页,97,操纵性的主要研究内容： 飞行状态的改变与杆舵行程和杆舵力大小之间的基本关系，飞机反应快慢，以及影响因素等,第四章 第 页,98,4.3.1 飞机的俯仰操纵性,飞机的俯仰操纵性是指飞行员操纵驾驶盘偏转升降舵后，飞机绕横轴转动而改变其迎角等飞行状态的特性,第四章 第 页,99,4.3.1 飞机的俯仰操纵性,飞机的俯仰操纵性是指飞行员操纵驾驶盘偏转升降舵后，飞机绕横轴转动而改变其迎角等飞行状态的特性,第四章 第 页,100,升降舵上偏,附加向下升力,直线飞行中改变迎角的基本

22、原理,第四章 第 页,101,平尾上的向下附加升力会打破原有俯仰平衡，使飞机抬头,直线飞行中改变迎角的基本原理,第四章 第 页,102,俯仰操纵力矩=俯仰稳定力矩,直线飞行中改变迎角的基本原理,第四章 第 页,103,直线飞行中，驾驶盘前后的每一个位置（或升降舵偏角）对应着一个迎角。一个迎角对应一个速度。 驾驶盘位置越靠后，升降舵上偏角越大，对应的迎角也越大。反之，驾驶盘位置越靠前，升降舵下偏角越大，对应的迎角也越小,结论,第四章 第 页,104,迎角与速度关系,直线飞行中，一个迎角对应一个速度，大速度对应小迎角，小速度对应大迎角,第四章 第 页,105,平飞中，升降舵偏角（即杆的前后位置）与

23、速度的关系是: 小速度时，升降舵上偏；随着速度增加，升降舵减小上偏角，大速度时，升降舵下偏,升降舵偏角与速度的关系,第四章 第 页,106,俯仰操纵力矩 =俯仰稳定力矩+俯仰阻尼力矩,曲线飞行中改变迎角的基本原理,第四章 第 页,107,飞行员操纵驾驶盘，要施加一定的力，这个力简称为杆力,驾驶杆力,第四章 第 页,108,杆力的产生和影响因素,舵面上铰链力矩的产生,飞行员推杆后，升降舵下偏，升降舵上产生向上的空气动力，对铰链形成的力矩,第四章 第 页,109,杆力的产生,铰链力矩迫使升降舵和杆回到中立位，为保持舵偏角和杆位置不变，飞行员必须用一定力推杆才能平衡铰链力矩,杆力的产生和影响因素,第

24、四章 第 页,110,杆力的影响因素,升降舵偏角越大,杆力越大； 速度增大升降舵逐渐升降舵逐渐由上偏转为下偏,杆力由拉杆力逐渐转为推杆力,速度越大,推杆力越大,第四章 第 页,111,某一速度下平飞时，杆力为零；大速度下变化单位速度， 杆力变化量大；小速度下变化单位速度， 杆力变化量小,平飞杆力曲线,平飞中，升降舵偏角（即杆的前后位置）与速度有一定关系，而升降舵偏角与杆力也有一定关系，所以速度和杆力之间存在一定的对应关系。杆力与速度之间的关系曲线称杆力曲线,第四章 第 页,112,调整片的作用,飞行中调整片可以减小和消除杆力,第四章 第 页,113,飞行中调整片可以减小和消除杆力,调整片在保持

25、平尾升力不变的前提下，通过偏转配平调整片使舵面铰链力矩为零,第四章 第 页,114,调整片可以改变不同速度下的杆力大小,大速度下，推杆力会有显著增大；反之以小速度飞行时，拉杆力会增大。调整片下偏转会使各个速度下的杆力增加额外的推杆力，即会使拉杆力的大小减小,第四章 第 页,115,4.3.2 飞机的方向操纵性（无滚转,飞机的方向操纵性是指飞行员操纵方向舵以后，飞机绕立轴偏转而改变其侧滑角等飞行状态的特性,第四章 第 页,116,垂直尾翼上的向右附加气动力会打破原有方向平衡，使飞机机头左偏,飞行中改变侧滑角的基本原理,第四章 第 页,117,方向操纵力矩=方向稳定力矩,飞行中改变侧滑角的基本原理

26、,第四章 第 页,118,不带滚转的直线飞行中，每一个脚蹬位置对应着一个侧滑角。蹬右舵，飞机产生左侧滑。蹬左舵，飞机产生右侧滑。 方向舵偏转后产生方向铰链力矩，飞行员需用力等舵才能保持方向舵偏转角不变。方向舵偏转角越大，气流动压越大，蹬舵力越大,结论,第四章 第 页,119,4.3.3 飞机的横侧操纵性（无侧滑,飞机的横侧操纵性是指飞行员操纵副翼以后，飞机绕纵轴转动而改变其滚转角速度、坡度等飞行状态的特性,第四章 第 页,120,两个副翼上的不同升力差会打破原有横侧平衡，使飞机开始滚转,飞行中不带侧滑的横侧操纵基本原理,第四章 第 页,121,飞行中不带侧滑的横侧操纵基本原理,横侧操纵力矩=横

27、侧阻尼力矩,第四章 第 页,122,不带侧滑的横侧操纵中，驾驶盘左右转动的每个位置都对应着一个稳定的滚转角速度。 压左盘，飞机作滚转，压右盘，飞机右滚转。驾驶盘左右转动的角度越大，滚转的角速度就越大,结论,第四章 第 页,123,横侧操纵性的特点,飞行中进行转弯或盘旋的操纵时,必须在接近预定坡度时降盘回到中立位置,消除横侧操纵力矩,飞机在横侧阻尼力矩作用的阻止下,使滚转角速度逐渐消失,第四章 第 页,124,4.3.4 方向操纵性和横侧操纵性的关系,第四章 第 页,125,蹬左舵，机头左偏，导致右侧滑，侧滑前翼升力大于侧滑后翼升力（即横侧稳定力矩），飞机左滚。 压左盘，飞机左滚，导致左侧滑，垂

28、尾附加侧力使机头左偏（即方向稳定力矩）。 结论： 在操纵效果上，存在盘舵互换（但效率不高,4.3.4 方向操纵性和横侧操纵性的关系,第四章 第 页,126,杆舵的效用可以互换。方向操纵性和横侧操纵性合起来称为飞机的侧向操纵性,侧向操纵性,第四章 第 页,127,4.3.5 影响飞机操纵性的因素,飞机重心位置前后移动对操纵性的影响和重心的前后极限位置,飞行速度对飞机操纵性的影响,飞行高度对操纵性的影响,迎角对横侧操纵性的影响横侧反操纵的现象,第四章 第 页,128,飞机重心位置前后移动对操纵性的影响和重心的前后极限位置,重心前移，重心到焦点的距离增加，俯仰稳定力矩增大,第四章 第 页,129,重

29、心前移，导致飞机杆位移和杆力增大，俯仰操纵性变差，俯仰稳定性增强；重心后移，导致杆位移小，杆力变轻，操纵性变好，俯仰稳定性变差,飞机重心位置前后移动对操纵性的影响和重心的前后极限位置,第四章 第 页,130,重心位置对平飞升降舵偏角和杆力的影响,第四章 第 页,131,重心前后极限位置,着陆时靠近地面且速度小，则升降舵偏角最大，拉杆力大,第四章 第 页,132,重心前限： 1）着陆时，飞机拉成接地迎角，升降舵偏角不超过最大偏角的90%。 2）前三点飞机，起飞时升降舵偏角应保证在规定的速度时能抬起前轮。 3）着陆进场时，杆力不超过规定,重心前后极限位置,第四章 第 页,133,重心后限：飞机焦点之前一定安全裕量,飞机重心位置后移,飞机俯仰稳