三翼面布局的操纵稳定性

1、三翼面布局的操纵稳定性三翼面布局的操纵稳定性飞行力学综合作业（二）ii摘要：飞机的气动布局是指飞机的各翼面，如主翼、尾翼等，是如何放置的。目前常见的布局有常规布局、鸭式布局、飞翼布局、三翼面、连翼布局等等。飞机的稳定性、操纵性和机动性等与飞机的气动布局密切相关。本文以三翼面布局为基础，通过与常规布局和鸭式布局进行对比，对三翼面布局的飞机操纵性能进行了讨论。本文首先简要介绍了三翼面飞机，接着对三翼面布局的优缺点进行了讨论。然后，分析了三翼面飞机实现静稳定性的方法，即保证Cm0>0，Cm<0的措施。之后，文章从三翼面的配平阻力和配平升力两方面讨论了其配平损失，比较了常规布局、鸭翼布局和

2、三翼面的操纵效率、配平舵偏角和每g舵偏角。本文还讨论了放宽静稳定性的好处，阐述了三翼面布局在放宽静稳定性方面的优势。由于三翼面飞机一大特点是可以实现直接力控制，本文最后介绍了三翼面飞机的直接力控制技术。目录一、三翼面飞机的简介1二、三翼面布局的优势与缺点2三、三翼面飞机的静稳定性51、保证Cm0>0的措施52、保证Cm<0的措施6四、三翼面布局的配平损失81、配平阻力82、配平升力9五、三翼面布局的静操纵性101、操纵效率102、配平舵偏角103、每g舵偏角13六、放宽静稳定性14七、三翼面布局与直接力控制16八、结论17图目录图 1 苏-33图1图 2 平尾和鸭翼产生升力对比2图

3、 3 气动载荷分配比较图3图 4 方案一零迎角时各翼面的升力5图 5 方案二零迎角时各翼面升力6图 6 歼156图 7 不同气动布局的诱导阻力因子8图 8 三翼面布局的纵向平衡9图 9 常规布局配平舵偏角与配平升力系数关系11图 10 常规布局配平升力线11图 11 鸭翼布局配平舵偏角与配平升力系数关系12图 12 鸭翼布局升力线12图 13 三翼面和鸭式布局的配平14图 14 直接力控制垂直位移图16一、三翼面飞机的简介在常规布局的飞机主翼前机身两侧增加一对鸭翼的布局即为三翼面布局。三翼面布局形式最早出现在六十年代初，米高扬设计局由米格-21改型而得的E-6T3和E-8试验机。三翼面的采用使

4、得飞机机动性得到提高，而且宜于实现直接力控制达到对飞行轨迹的精确控制，同时使飞机在载荷分配上也更趋合理。目前，采用三翼面布局的战机不多，主要有俄罗斯的苏-33，苏34、苏37和苏-47，米格-1.44试验机，中国的歼-15等。图1展示的就是三翼面布局的苏-33。图 1 苏-33图二、三翼面布局的优势与缺点由于三翼面是鸭翼与常规布局的组合，所以，在讨论三翼面布局的优缺点时，我们先讨论鸭翼布局的优缺点。我们知道，为了使飞机满足静稳定性要求，必须有Cm0>0。但一般而言，飞机主翼具有正弯度，这使得主翼Cm0<0。因此，平尾应提供一个负升力，产生相应的抬头力矩，从而是整机的Cm0>0

5、。而对于鸭式布局，为产生相应的抬头力矩，鸭翼产生的是正升力。原理可见图2。图 2 平尾和鸭翼产生升力对比鸭翼不仅能弥补了常规布局导致的升力损失，近距鸭翼产生的脱体涡对机翼形成有利干扰，延缓了附面层的分离，增大了升力。对于相同重量的飞机，由于鸭式布局产生升力大，故产生相同的升力鸭式布局迎角较小，阻力较小，所以，鸭式布局具有较大的升阻比。由于鸭式布局的控制力矩方向是和升力的增加方向是相同的，故鸭式布局有很好的敏捷性。比如，鸭式布局在向上拉升时，鸭翼可产生正升力来抬高机头。而同样情况下，常规布局的平尾则是需要产生负升力。此外，大迎角飞行时，鸭翼的迎角一般大于机翼的迎角，鸭翼首先出现气流分离，导致飞机

6、低头，使鸭式飞机不易失速，有利于飞行安全。但是，鸭翼布局也有一些缺点：影响正面隐形性能，因为常规布局主翼可以把尾翼遮挡住；控制复杂，尤其是静不稳定的鸭式布局电传系统的控制律非常复杂；配平难度比较大。 有了对鸭翼优缺点的基本认识之后，再看三翼面。总的来说，三翼面具有以下优点：（1）同鸭翼一样，由于前翼的作用，三翼面减小了配平升力损失，增加了升阻比。同时，前翼的脱体涡的有利干扰作用使主翼升力加大。（2）三翼面布局可以减轻机翼上的载荷，使飞机载荷更为均衡合理。这是因为常规二翼面飞机平尾上的升力往往是负升力，而三翼面飞机前翼、水平尾翼均可产生正升力，使机翼载荷减少。这样机翼的尺寸、质量变小，尽管增加了

7、前翼以及操纵系统，如果在设计时将机翼合理设计，那么三翼面布局飞机的尺寸和质量较二翼面会减少，因此，可以减小结构质量。假如从飞机设计的开始就考虑三翼面布局，便可得到一架质量更小的飞机。如图3。图 3 气动载荷分配比较图（3）试飞表明，三翼面布局可大大改善飞机的起降性能。在起飞，三翼面布局可使飞机在不失去平衡时得到最大升力，其增升装置气动效率高，可以很容易在增升装置放下、收起时平衡其产生的附加力矩而不改变飞机状态。降落时，全动前翼即成为减速板，可缩短滑跑距离。因此，三翼面使飞机具有更大的起飞着陆安全性。（4）三翼面由于加装前翼，全机焦点前移，飞机放宽了静稳定性，提高了机动性能。采用多余度数字式电传

8、操纵系统能适应其变化，通过计算机对三个舵面及襟副翼的同向转动或差动协调控制，自动保证飞机的稳定性，既灵活机动又稳定。而二翼面的操纵往往相对滞后，反应迟钝。（5）三翼面布局可使飞机的可靠性安全性增加。在大迎角时总是先于主翼发生气流分离，避免了因为主翼失速导致的飞机失控与进入尾旋，因此三翼面布局有更强的抗失速、抗尾旋能力。当飞机遇到强扰动气流（如阵风，暴风雨等），特别是遇到风切变时，三个翼面均能产生滚转阻尼, 使气流扰动迅速衰减。在紊流大气中低空飞行时，前翼能有效防止纵向摆动与抖振。提高了飞机的稳定性，安全性和乘座舒适度。（6）三翼面布局飞机能更有效地实现直接力控制。增加一个前翼操纵自由度，它与机

9、翼的前、后缘襟翼及水平尾翼结合在一起可进行立轴和横轴方向的直接力控制，从而达到对飞行轨迹的精确控制。这就使战斗机的机动能力扩展到一个新的领域，无论在空空格斗或空地攻击中，都能创造出前所未有的机会，显著提高作战效能和生存力。（8）加了前翼之后，易于采用先进的控制技术。由于采用三翼面布局的飞机静不稳定性大大增加，需要采用电传操纵才能进行，由于其配平和控制升力方向与推力矢量方向一致，因此更容易与推力矢量相结合。 但三翼面也存在下述缺点：（1）由于增加了前翼，三翼面布局隐身性能较差。（2）控制复杂，配平难度大。（3）三翼面布局虽有旋涡有利干扰的优点，但当迎角增大到一定程度后, 旋涡会发生破裂，导致稳定

10、性和操纵性的突然变化以及气动力非线性的产生。三、三翼面飞机的静稳定性1、保证Cm0>0的措施由前面部分的讨论已知，一般而言，正弯度的机翼在迎角为零时提供了一个负的俯仰力矩。为保证Cm0>0，常规布局使平尾有一个负的安装角，平尾产生负升力，对重心取矩大于零，使整机的俯仰力矩大于零。常规布局的Cm0表达式为Cm0=Cm0wb+atVH0+it1-ataStS1-可见，it越大（这里把负安装角记为正，即it和一般的安装角符号相反），Cm0越大。鸭翼布局则使鸭翼有一个正的安装角，鸭翼提供正升力，产生抬头力矩，使整机Cm0>0。和常规布局相比较，鸭翼布局Cm0的表达式Cm0=acVc-

11、ic1-acaScS+Cm0wb（忽略主翼对鸭翼的上洗和鸭翼对主翼下洗影响）这里下标c为canard（前翼），ac表示前翼升力线斜率，Vc为前翼尾容量，Sc为前翼面积，而ic为前翼安装角。由表达式中可以看出-ic越大（即前翼正的安装角越大），Cm0越大。对于三翼面飞机，根据前面的分析，可以得到Cm0的表达式为Cm0=acVc-ic1-acaScS+Cm0wb+atVH0+it1-ataStS1-由表达式可知，为了保证Cm0>0，可以增大前翼的尾容量和安装角。当平尾安装角为负时，应使增大平尾尾容量；当安装角为正时，应减小平尾尾容量。对此，可以有两种方案保证Cm0>0：一、对于前翼较大

12、的三翼面，平尾和前翼均可提供正升力。这种布局由于前翼足够大，合理调整前翼、主翼和后翼的位置，能使前翼提供的抬头力矩与主翼和位移提供的低头力矩平衡，且能保证Cm0>0。如下图4：图 4 方案一零迎角时各翼面的升力二、有的三翼面前翼较小，前翼虽然可以提供正升力，但其主要作用是产生脱体涡，使得主翼升力增大。由于前翼面积较小，产生升力较小，其对重心的力矩不足以平衡主翼的零升力矩，平尾必须提供负升力。如图5。图 5 方案二零迎角时各翼面升力实际上，现在的三翼面飞机多采用的是方案二，比如歼15、苏33等。如下图6歼15，可以看出，其前翼相比主翼和后翼而言，是非常小的。图 6 歼152、保证Cm<

13、;0的措施要保证飞机的静稳定性，除了保证Cm0>0外，还需保证Cm<0。对于常规布局飞机，有Cm=CL(h-hn)这里hn=hnwb+VHata(1-)可见，对于常规布局，平尾使飞机的焦点相对翼身融合体后移，使得Cm<0，有利于提高飞机的静稳定性。鸭式布局和三翼面Cm的表达式与常规布局是相同的，但焦点的位置发生了变化。对于鸭式布局布局hn=-Vcaca+hnwb可见，鸭翼布局的飞机由于鸭翼的作用，焦点相对于翼身融合体来说是前移的，这将导致飞机的静稳定性大大减小。当hn过小，导致h-hn>0，Cm>0，飞机将变为静不稳定。因此，采用鸭式布局的飞机在获得高升力的同时还

14、伴随着高的俯仰力矩，导致飞机在大迎角条件容易出现的上仰发散趋势。所以，鸭式布局具有操纵困难的缺点。而对于三翼面，焦点位置为hn=-Vcaca+hnwb+VHata(1-)因此，相比鸭翼而言，三翼面的焦点靠后，静稳定性有了较大的改善。这样可以保证飞机重心有较大变化时，飞机仍然是静稳定的。四、三翼面布局的配平损失1、配平阻力1983年Butler以PM 经典多翼面诱导阻力公式为基础，对双翼面和三翼面布局的诱导阻力Di作了比较。他的计算模型类似于小展弦比，大后掠角的当代战斗机，并且考虑了从不稳定到稳定的相当大的静稳定裕度。计算了三种情况：气动效率因子e=1，CL=0.6的经典情况的经典情况；升力系数

15、CL=0.6的巡航情况；CL=1.0的机动飞行情况。在后两种情况下气动效率因子采用余弦公式近似。计算结果见下图7：图 7 不同气动布局的诱导阻力因子上图中，CWT表示三翼面布局，WT为常规布局，CW为鸭式布局。K3表示以三翼面布局为基准的比值。在e=1，CL=0.6时，WT的Di比CWT小1.5%2.4%。并且随着静稳定裕度变化很小，而CW的Di则在10%20%的静稳定裕度时比CWT要大14%20%。在CL=0.6的巡航情况时，CWT的Di比WT小8%10%，而比CW小15%23%。在CL=1.0时CW的Di则比WT小，而CWT的Di则比CW还要小。1984年Kendall证明了三翼面布局中，

16、如果前后平衡面相对于机翼的垂直间隔为零，翼展相等翼面上作用有大小相等方向相反的平衡载荷时，全机的平衡阻力为零。当平衡载荷大小相同方向相反时，Lc+Lt=0。此时得到“理想”的诱导阻力。如果Lc+Lt为一较小的正值(载荷向上)，则可得到“最小”的诱导阻力。另外，三翼面布局飞机能在一定的重心移动范围内，以很小的配平阻力作稳定飞行，而正常式布局飞机仅在一个重心位置作稳定飞行时才有最小的诱导阻力。对于鸭式布局，当鸭翼作为平衡翼面且全机重心位置使诱导阻力最小时，飞机是不稳定的。三翼面布局飞机在最小诱导阻力时，要求鸭翼及尾翼上的平衡载荷大小相等方向相反，理论上这个要求可以在任何一个重心位置上满足（见图8）

17、。如果重心前移，则鸭翼上的升力和尾翼上的负升力均可增加以平衡飞机的纵向力矩。图 8 三翼面布局的纵向平衡总之，三翼面布局在所有重心位置时都具有稳定性及最小诱导阻力；在巡航及大升力系数时的机动情况下，诱导阻力的减小较明显；双翼面布局不可能在所有重心位置时都获得最小诱导阻力；纯鸭式布局具有较大的诱导阻力，它也不能在稳定条件下获得最小诱导阻力。2、配平升力相比常规布局，由于前翼可以提供正升力，因此，三翼面布局的配平升力损失减小。另外，三翼面布局可以很好的压榨出襟翼的增升效果。因为襟翼在增升的同时往往会产生低头力矩，如果用平尾配平就需要平尾产生负升力，这样就会影响整机升力。但与平尾相比，鸭翼的配平能力

18、偏低，尤其是在放襟翼的情况下，无法提供足够的抬头力矩去平衡襟翼放下后所产生的低头力矩。如果不放宽静安定度，采用近距藕合鸭式布局的飞机（如瑞典Saab. 37 战斗机），其后缘升降襟翼在起飞和降落状态时，不但不能放下用于增升，反而需要向上偏转七八度（当平尾用），以帮助前翼配平飞机。而三翼面布局配平襟翼的低头力矩则可以同时依靠前翼和平尾，既通过前翼提供了向上的升力，有通过平尾弥补了前翼配平能力的不足。通过三个翼面的相配合，可以得到最大的升力。五、三翼面布局的静操纵性1、操纵效率三翼面布局提高了飞机的操纵效率，包括各类气动舵面如副翼、前后缘襟翼、平尾、方向舵等。由于在机翼前面布置有前翼，因此三翼面继

19、承了鸭翼的优点，通过鸭翼的有利旋涡干扰，显著改善机翼的升力特性，还可以推迟机翼分离，从而提高了各气动操纵面的效率。2、配平舵偏角对于常规布局，由方程CLtrim+CLe平尾etrim平尾=CLtrimCmtrim+Cme平尾etrim平尾=-Cm0得trim=Cm0CLe平尾+Cme平尾CLtrim平尾detetrim=-Cm0CL+CmCLtrim平尾det这里det=CLCme平尾-CLe平尾Cm<0因此，de平尾dCLtrim=-Cmdet=-CLdet(h-hn)(dCLd)trim=CL-CLe平尾CmeCm图 9 常规布局配平舵偏角与配平升力系数关系从图9中看出，随着配平升力

20、系数的增加，配平舵偏角减小。图 10 常规布局配平升力线从图10中看出，对于常规布局飞机，配平升力线斜率减小。而对于鸭翼，配平方程是类似的，有CLtrim+CLe鸭翼etrim鸭翼=CLtrimCmtrim+Cme鸭翼etrim鸭翼=-Cm0可以得到trim=Cm0CLe鸭翼+Cme鸭翼CLtrim鸭翼detetrim=-Cm0CL+CmCLtrim鸭翼det由于Cme鸭翼>0，CL>0，CLe鸭翼>0，Cm<0（对于静稳定飞机），所以det=CLCme鸭翼-CLe鸭翼Cm>0因此，鸭翼和常规布局的det符号相反。de鸭翼dCLtrim=-Cmdet=-CLdet

21、(h-hn)(dCLd)trim=CL-CLe鸭翼CmeCm做出配平舵偏角随配平升力系数变化图线和升力线如下，图 11 鸭翼布局配平舵偏角与配平升力系数关系从图11中看出，随着配平升力系数的增加，配平舵偏角增大。图 12 鸭翼布局升力线从图12中看出，对于鸭翼布局飞机，配平升力线斜率增大。对于三翼面布局，配平方程为CLtrim+CLe鸭翼etrim鸭翼+CLe平尾etrim平尾=CLtrimCmtrim+Cme鸭翼etrim鸭翼+Cme平尾etrim平尾=-Cm0这里有两个方程，三个未知数，可见三翼面布局的配平方程理论上有无数组解。这意味着可以对于同样的飞机，以一定的速度在一定的高度下飞行时，

22、可以有不同的姿态，即trim，trim鸭翼，etrim平尾可以有不同组合。因此，我们可以根据实际情况选择不同的组合。如，巡航状态下，选择一定的trim，trim鸭翼，etrim平尾，使配平阻力达到最小。3、每g舵偏角对于常规布局飞机，en-1=-CwCLdet(h-hn)en-1<0时为正操纵，en-1>0时为反操纵，对于静稳定飞机，都为正操纵。对于，鸭翼布局同样有en-1=-CwCLdet(h-hn)可见，鸭翼布局静稳定飞机时为反操纵，静不稳定飞机为反操纵。这也许是大多数鸭翼布局为静不稳定的原因之一。另外，静稳定的鸭翼布局飞机，可以通过对操纵机构进行稍微的变化，使其变为正操纵。而

23、对于三翼面，由于有两个操纵舵面，附加舵偏角方程的解也有无数了，因此三翼面飞机的拉升运动可以采用不同的舵偏角组合，使其操纵效率达到最高，配平损失减到最小。六、放宽静稳定性在亚音速飞行状态，静稳定的飞机的翼身组合体的升力中心在重心稍后的某个距离，这时翼身组合体的升力所产生的负俯仰力矩（机头向下的力矩），由平尾的下偏，以产生向下的升力来平衡，尾翼的升力从翼身组合体升力中减去，因而使总的升力减少。而且由于飞机的静稳定特性，飞机有保持原有飞行状态的趋势，使飞机的操纵也不灵活。而放宽静稳定度的飞机，气动中心可以很靠近重心也可以重合，甚至在重心的前面，飞机的稳定度变得很小甚至不稳定，飞行中主要靠主动控制系统

24、（即自动增稳系统）主动控制相应舵面，保证飞机的稳定性。这时为保持平衡只需要较小的甚至向上的平尾升力去平衡翼身组合体的正俯仰力矩（机头向上的力矩）。在超音速状态，无论普通构形的飞机还是放宽静稳定性的飞机，都具有作用在重心之后的翼身组合体升力矢量。因为放宽静稳定度的飞机的重心比普通飞机的重心更靠后，向下的俯仰力矩减小，这样为配平由于翼身组合体升力升起的负俯仰力矩所需要的尾翼向下载荷比普通飞机要小，因而就可以大大减少尾翼足寸和重量，使其在超音速状态也具有较高的升力。由此我们可以看出，采用放宽静稳定性的手段，可以大幅提高飞机的性能。首先，使飞机的平尾用于平衡所需的面积可以大大减小，因此平尾的重量可以减轻，阻力可以减小，另外对于静不稳定的飞机，尾翼的升力和翼身组合体升力方向一致，这样飞机的总升力也得到了提高。三翼面相对于常规布局而言，焦点前移，当重心位置相同时，三翼面布局静稳定裕度减小，起到了放宽静稳定性的作用。而相比鸭翼，由于鸭翼配平能力先天不足，三翼面布局增加的平尾极大的弥补其缺陷，因此大大减少了飞机放宽静稳定性方面的限制。详见下图13：图 13 三翼面和鸭式布局的配平从图中可以看出，鸭翼由于配平能力有限，（h-hn）不能过大，增加平尾后，配平能力增强，静不稳定裕度可以增加。七、三翼面布局与直接力控制直接力控制是指在不改变