固定翼无人机技术-飞机的平衡

飞机的平衡

飞机的平衡11.1

飞机的坐标系与重心飞机的坐标系飞机的重心飞机的坐标系

飞机在空中飞行时，作为刚体（忽略飞行中飞机的变形）绕质心运动还有俯仰、滚转和偏航（方向）三个自由度（如图）。可以用机体轴系表示。机体轴系原点O在飞机的质心上，纵轴Oxb指向前方，竖轴Oyb在飞机对称面内指向机体上方，横轴Ozb垂直于飞机对称面指向右方。飞机的重心

飞机重心的位置怎样表示呢?重心的前后位置常用重心到某一特定翼弦的前端的距离占该翼弦的百分之几来表示，这一特定翼弦就是平均空气动力弦或者标准平均弦。这是由于高速飞机绝大多数采用了非矩形机翼。飞机的重心

知道平均空气动力弦或标准平均弦（SMC）的位置和长度就可定出飞机重心的位置。重心的位置可用重心到平均空气动力弦前端的距离X重占平均空气动力弦的百分之几来表示，即例如，某飞机的平均空气动力弦长为3.412m，若重心到该翼弦前端的距离是0.614，则11.2

飞机的纵向平衡飞机的纵向平衡与纵向力矩影响纵向平衡的主要因素飞机的纵向平衡与纵向力矩

所谓纵向平衡，就是指飞机纵向的力和力矩平衡。由图可见，此时GsinGcos

GγLGsinγGcosγG

My..w、My.b、My.ht分别为机翼、机身和平尾的力矩，即飞机的纵向力矩主要由机翼、机身（发动机短舱）和平尾产生。矩形机翼力矩和焦点

如图所示，矩形机翼升力对重心的力矩可表示为（按压力中心计算）

My..w＝L·d

式中L为机翼升力，d为机翼压力中心到飞机中心之间距离。用上式算出机翼的力矩不方便，因为迎角变化时，升力的大小及作用点均要改变，因此不易找到My.w与迎角的一一对应关系。矩形机翼力矩和焦点

引入焦点概念后，迎角改变引起的俯仰力矩增量将完全由升力增量决定。由图

式中ΔL为迎角改变而引起的升力增量，xF.w为机翼焦点到机翼前缘的距离。xG为飞机重心到机翼前缘的距离。任意平面形状的力矩和平均空气动力弦

对于非矩形机翼的力矩计算，需采用平均空气动力弦bA。采用bA就可以应用矩形机翼的结果来表达任意平面形状机翼的力矩。此时，只要把重心与机翼焦点位置分别投影到平均空气动力弦上即可。这样，机翼的力矩可表达为

其中，，，分别代表机翼焦点及重心在平均空气弦上的相对位置。水平尾翼的力矩

平尾对飞机力矩的贡献亦可分为两个部分：（1）对零升力矩的贡献（my0ht）（2）对飞机焦点位置的影响（）上述两式中：Kq为速度阻尼系数。由于粘性影响，通过机翼后气流要损失一部分动能，Kq代表对平尾处速度的修正量，即：或。为平尾的静矩系数，为平尾的升力系数斜率，φ为平尾的安装角。水平尾翼的力矩一般飞行情况下，水平尾翼产生负升力，故水平尾翼力矩是上仰力矩。机翼迎角很大时，也可能会形成下俯力矩。

由上式可见，平尾的纵向力矩系数也与CL成线性关系，如图所示。全机的纵向力矩整架飞机的纵向力矩，应为无尾飞机的力矩和平尾力矩之和。全机零升力矩系数与CL无关，全机焦点相对位置是由与共同决定。对于正常式飞机，由于平尾存在，使飞机的焦点后移。全机的纵向力矩1）全机纵向力矩由两部分组成，一是与升力无关的零升力矩（my0），一是随升力增大而增大的升力力矩[－]。2）全机的纵向力矩系数仍将与CL（或α）成线性关系（见图11-8，图中Ma=0.7，xG=38%bA）。影响纵向平衡的主要因素01重心变化02收放襟翼03收放起落架04加减油门加减油门不仅直接改变了推力大小，从而使作用在飞机上的俯仰力矩发生变化，影响飞机的俯仰平衡;还会改变飞行速度，使作用在机翼和尾翼上的空气动力发生变化，从而改变机翼和尾翼上的俯仰力矩，影响飞机的俯仰平衡。飞机重心如果前移，翼身组合体的上仰力矩将减小，因此原来处于俯仰平衡的飞机将下俯;重心后移时，情况则相反，由于上仰力矩增加，飞机将上仰。收放襟翼会引起飞机机翼上的升力及升力作用点发生变化，从而影响到机翼的俯仰力矩。当襟翼放下时，机翼升力增大，同时由于襟翼部分上下压力差增加较多，升力作用点后移。收放起落架一方面会导致飞机重心前后移动引起俯仰力矩变化;另一方面，起落架放下时增加了附加阻力，对飞机重心产生下俯力矩，从而引起俯仰力矩的变化。11.3

飞机的方向平衡

飞机的方向平衡前面已经指出，方向平衡是指绕Z轴的方向偏转力矩（称偏航力矩）的平衡，即∑MZ＝0。此时，飞机保持无侧滑的等速直线飞行。如果∑Mz≠0，即存在不平衡的偏航力矩时，飞机会产生侧滑。由图可见，飞行员不操纵时，不平衡的偏航力矩主要由左右机翼及左右发动机推力不对称形成的。如果垂直尾翼因某种原因发生不对称，也要形成较大的偏航力矩。11.4

飞机的横向平衡与滚转力矩

飞机的横向平衡与滚转力矩所谓横向平衡是指绕X轴的横向滚转力矩的平衡，即∑Mx＝0。此时，飞机保持没有滚转或者倾斜（飞行员称为坡度）的等速直线飞行。

由图可见，飞机的滚转力矩主要由升力产生，因此横向平衡可以表达为