飞行力学课件：第7章 对称定直飞行时的纵向力矩、静稳定性与静操纵性

1、第七章 对称定直飞行时的飞行力学内容 引言7-1 纵向静稳定性概念 7-2 飞机各部件产生的纵向力矩 7-7 对称定直飞行时的驾驶杆力平衡曲线7-3 全机的纵向力矩和稳定性 7-4 各种因素对纵向力矩特性的影响 7-5 对称定直飞行时的操纵面平衡曲线 7-6 铰链力矩及松杆静稳定性 7-8 助力操纵系统简介第七章： 引言 定直飞行时全机纵向力矩及静稳定性的计算方法，分析影响纵向力矩及静稳定性的各种因素研究飞机的纵向平衡和静操纵性静操纵性，是指不考虑克服惯性和阻尼，飞机从一种定常直线飞行状态转入另一种飞行状态所需的最终操纵面偏角或驾驶杆力。引言小扰动方程飞机的动态飞行品质概念纵向静稳定性 在飞机

2、受到外界瞬时扰动作用后，不经驾驶员的干预，具有自动恢复到原来力矩平衡状态的趋势。在飞机受到外界瞬时扰动作用后，飞机存在力图扩大偏离平衡的趋势。7-1纵向静稳定性概念 纵向不静稳定性 中立静稳定性 在飞机受到外界瞬时扰动作用后，既无扩大、又无恢复原来力矩平衡状态的趋势假定飞机作定常直线飞行判断条件 7-1纵向静稳定性概念 用飞机对质心的俯仰力矩随迎角的变化特性来判断。静稳定静不稳定中立静稳定力矩的无因次系数表示但是在实际中，飞机在受到扰动后，不仅迎角变化，而且飞行速度也发生变化，此时，引入速度静稳定性（过载静稳定性的概念。假定舵偏角不变 ，其静稳定性分析与过载静稳定性相同。7-1纵向静稳定性概念

3、 在给定的M数下，导数定速静稳定性或过载静稳定性速度静稳定速度静不稳定速度中立静稳定7-1纵向静稳定性概念 显然偏导数及全导数是在操纵面偏角保持不变条件下确定的，称之为握杆稳定性；如是操纵面完全松浮的状态，与之对应的偏导数或全导数，称为松杆稳定性。M，定直飞行时影响纵向力矩的参数一 机翼的纵向力矩7-2飞机各部件产生的纵向力矩 压力中心处的气动力对质心的纵向力矩焦点处的气动力对质心的纵向力矩假定操纵面处于中立位置，M数及油门位置保持不变重心压力中心一般飞行状态下，迎角较小，且 7-2飞机各部件产生的纵向力矩 将力矩系数对 求导在亚音速时，常规布局飞机单独机翼一般在飞机质心的前面，有单独机翼是静

4、不稳定的将其无量化，7-2飞机各部件产生的纵向力矩 二机翼-机身组合体的纵向力矩机身的升力可表示为设机身压力中心离飞机的距离为 ，则机身升力对质心的力矩为机身力矩系数一般情况下，机身的影响一方面使零升力矩系数的绝对值增加，另一方面使机翼焦点向前移动，因此翼身组合体的静不稳定程度大于单独机翼机翼几何迎角则机身力矩系数为，7-2飞机各部件产生的纵向力矩 一般情况下， 故 ，而 将机翼和机身的力矩系数相加，就得到了翼身组合体的力矩系数，三、水平尾翼的纵向力矩平尾对飞机质心的纵向力矩作用在平尾上的升力，尾翼一般为对称翼型，且平尾速度阻滞系数在给定M数下，其与尾翼迎角及舵面偏角有关7-2飞机各部件产生的

5、纵向力矩 当舵面处于中立位置，即 ，且由于平尾偏角 和下洗角 的存在，平尾上的升力系数由于 是受到翼身组合体下洗气流的影响产生的，因此平尾的纵向力矩力矩系数为平尾静面矩系数7-2飞机各部件产生的纵向力矩 将翼身组合体的几何迎角代入上式中完整的平尾力矩系数平尾产生的零升力矩系数其对升力系数的偏导数为由于 ，故 ，即平尾起着增加静稳定性的作用7-2飞机各部件产生的纵向力矩 四、发动机的纵向力矩发动机纵向力矩发动机对纵向力矩的影响主要包括三方面，即发动机工作时推力的作用、螺旋桨或进气道的法向力作用以及螺旋桨滑流或喷气发动机尾喷流对飞机其他部件产生的气动力干扰作用。发动机的类型：活塞式、螺旋桨式、喷气

6、式发动机发动机的工作状态：最大状态、加力状态、额定状态、巡航状态慢车状态7-2飞机各部件产生的纵向力矩 1、推力的作用a、螺旋桨发动机：对于给定的H、n下b、喷气发动机7-2飞机各部件产生的纵向力矩 2、法向力的作用a、螺旋桨发动机：对于给定b、喷气发动机：7-2飞机各部件产生的纵向力矩 3、螺旋桨滑流和喷气发动机喷流的相对距离螺旋桨飞机：由于螺旋桨的桨盘对气流的加速作用，使经过桨盘的气流改变了机翼、机身、平尾的局部速压，使其原有气动力特性发生变化，一般通过风洞试验确定。喷气发动机：其尾喷流式一股高温高速燃气，由于引射作用，引起流经尾翼的气流速度和方向的变化，导致附加的下洗气流，也通过试验来确

7、定7-2飞机各部件产生的纵向力矩 7-3全机的纵向力矩和静稳定性全机的纵向力矩 假定螺旋桨飞机喷气式飞机全机的纵向静稳定性表达式，全机焦点 位置螺旋桨飞机的全机焦点位置喷气式飞机的全机焦点位置可以看出， 取决于 以及机身、平尾和发动机引起的焦点变化，并且机身和发动机法向力钧使焦点前移，起不稳定作用，而平尾则使焦点后移，起静稳定作用常规布局的飞机，无平尾时，静不稳定有平尾时，静稳定的7-3全机的纵向力矩和静稳定性保证飞机具有一定静稳定性7-3全机的纵向力矩和静稳定性上面的式子可以看出，飞机的是否具有稳定性取决于 和 的相对位置静稳定静不稳定中立静稳定中立点静稳定裕度，迎角与焦点位置的关系,当 ,

8、飞机低头，使飞机具有恢复到原来迎角的趋势,当 ,飞机抬头，使飞机具有远离原来迎角的趋势引入全机焦点后，在给定的M数及油门位置情况下，全机纵向力矩系数随升力系数线性变化，而其斜率便确定了静稳定性的大小。7-3全机的纵向力矩和静稳定性7-4各种因素对纵向力矩特性的影响一、飞机质心位置的影响当 ，二、飞行M数的影响当，飞机的静稳定性取决于亚音速，变化不大跨音速，迅速增大超音速，变化不大，但由于下洗气流的影响迅速增大，使 急剧下降以及 随M数增大而增大，使 显著增加，飞行M数对全机焦点的影响7-4各种因素对纵向力矩特性的影响全机 取决于，而 又取决于亚音速，跨音速，超音速，飞行M数对 的影响弯度不大，

9、对称翼型变化不大由于记忆形状和飞机布局的不同， 随M数的变化规律亦不同，尤其在跨音速范围内，有些飞机可能变化相当剧烈。7-4各种因素对纵向力矩特性的影响三、襟翼偏转的影响襟翼的偏转改变了记忆的有效弯度，进而改变了 和 同时也改变了机翼展向载荷分布，进而影响平尾处的平均下洗角及速度阻滞系数 ，影响飞机的纵向力矩特性和静稳定性。四、静气动弹性变形的影响静气动弹性变形，弹性力和气动力随时处于平衡状态，而不考虑惯性和阻尼的作用。由于飞机各个部件的弹性变形，使其外形和相对位置发生变化，影响飞机的纵向力矩和静稳定性。7-4各种因素对纵向力矩特性的影响7-5对称定直飞行时的操作面平衡曲线如何确定保持力矩平衡

10、所需的操作面偏角和驾驶杆位于平衡迎角或速度之间的关系？飞机的纵向操纵面包括升降舵和全动平尾。低速飞机高速飞机一、升降舵与全动平尾产生的纵向力矩当舵面后缘下偏当舵面后缘上偏规定平尾上产生的升力及力矩升降舵效率缝隙修正系数：M1.4 显然，超音速时的升降舵效率小于亚音速下时。为了提高超音速的 ，一般采用全动平尾，其表达式力矩系数操纵导数（升降舵操纵效能）有 ，有 ，亚音速超音速升降舵面积平尾面积升降舵转轴的后掠角全动平尾的偏角通常用 表示，当后缘下偏， ；当后缘上偏，全动平尾的操纵导数，升降舵和全动平尾的操纵力矩与迎角无关，因此操纵舵面的偏转不影响飞机的稳定性，只改变零升力矩系数的大小。飞机安装水

11、平尾翼的作用：a、保证飞机的纵向静稳定性b、通过舵面的偏转产生操纵力矩，改变飞机的俯仰姿态，保证飞机具有必要的纵向操纵性。二、操纵面偏角平衡曲线，升降舵偏角与飞机升力系数之间的关系在配平升力系数假定油门位置的变化对力矩曲线没有影响配平升力系数和升降舵偏角的关系：上偏下偏舵面的偏转，只是影响力矩曲线向上或向下平移1、升降舵平衡曲线 利用升降舵的偏转，飞机可以在运行的任何飞行状态下，保持纵向力矩平衡。并且一个舵面偏角对应一个配平迎角或配平升力系数假定飞机作定直飞行，且不计油门位置变化及空气压缩性的影响，则处于平衡状态的飞机，全机零升力系数升降舵操纵导数配平升力系数平衡曲线斜率平衡状态下，升降舵的偏

12、转与驾驶杆位置的关系：拉杆，升降舵上偏或（V ）静稳定飞机静不稳定飞机或（V ）推杆，升降舵下偏正常操纵推杆，升降舵下偏拉杆，升降舵上偏反操纵从安全的角度不允许 在驾驶员改变平衡迎角的开始阶段，无论静稳定还是静不稳定的飞机，增加迎角都应向后拉干，以产生抬头力矩。而最终平衡状态时的驾驶杆位置的方向是否与初始操纵方向相同，与飞机时静稳定还是静不稳定有关飞机的飞行速度与舵偏角的关系：对于静稳定的飞机，当速度小于配平速度时，为了保持力矩平衡，升降舵上偏，且偏角大小随速度增加而减小；当速度大于配平速度时，为了保持力矩平衡，升降舵下偏，且偏角大小随速度增加而增加；2、全动平尾平衡曲线不能忽略舵面偏转所引起

13、的附加升力对全机升力的影响，假定不计油门位置及空气压缩性影响，三、“自动俯冲”现象“自动俯冲”是飞机在跨音速区飞行中飞行时，由于外界扰动时飞行速度增加，此时的平衡舵偏角还未改变，而使飞机产生低头的现象。它主要是由于空气的压缩性对焦点位置和力矩系数的影响，使飞机失去了数度静稳定性，其对飞行安全和飞机的操纵不利。措施：采用大后掠和小展弦比的机翼合理的布置尾翼与机翼的相对位置。7-6铰链力矩及松杆静稳定性一、铰链力矩铰链力矩 ，作用在舵面上的气动力对舵面转轴的力矩铰链力矩系数平尾处速度阻滞系数升降舵面积升降舵平均几何弦长当 和 不大时，一般情况下，铰链力矩导数 完整的铰链力矩表达式显然，飞行速度越大

14、，升降舵尺寸越大，则铰链力矩越大。驾驶杆力与铰链力矩成正比，使重型飞机或高速飞机的驾驶杆力达到很大的数值，操作比较困难，为了减小铰链力矩，大多采用气动补偿。气动补偿是通过作用于补偿面积上的气动力来减小铰链力矩，常用的补偿方式包括移轴补偿和内补偿以及调整片。三、松杆静稳定性进行松杆定常直线飞行的飞机，其必须满足力矩平衡外，还必须通过调整片使铰链力矩为零，即：假定在松杆情况下，飞机受到外界的瞬时扰动，当尾翼迎角增量 与漂浮角 大小相等时，舵面铰链力矩重新为零，全机的松杆静稳定性为全机的松杆焦点位置为松杆稳定性小于握杆稳定性7-7对称定常直线飞行时的驾驶杆力平衡曲线在定常直线飞行中保持力矩平衡所需的驾驶杆力与飞行速度之间的关系曲线，成为驾驶杆力平衡曲线。虚功原理升降舵传动比不考虑油门位置的变化和空气压缩性的影响驾驶杆力的表达式定常直线飞行时驾驶杆力的计算公式：将上式改写成速度关系，杆力梯度，7-8助力操纵系统简介 为了改善飞机的操纵性，特别是改善机动飞行