第5章-飞机的平衡、稳定和操纵-飞行器原理教学课件

第5章飞机的平衡、稳定和操纵

5.1飞机的平衡5.1.1机体坐标系研究飞机飞行性能时，是将飞机作为质点看待。研究飞机的平衡、操稳特性时，必须将飞机视为有尺寸的刚体或弹性体。为了研究飞机的平衡和操稳特性，需要采用适当的坐标系，我们采用机体坐标系。图

机体坐标系的原点O取在飞机的重心；图x轴在飞机的对称面内且与机身轴线〔或翼弦〕平行，称为飞机的纵轴，以指向机头为正；y轴在飞机对称面内，垂直于x轴，称为立轴/竖轴，以指向座舱盖方向为正；z轴和Oxy平面垂直，以指向右翼为正，称为飞机的横轴。x、y、z构成右手坐标系。飞机绕机体坐标系横轴Oz的转动〔俯仰运动〕以及沿纵轴Ox和竖轴Oy的移动，是发生在飞机对称面内的运动，称为纵向运动。飞机绕机体坐标系纵轴Ox的转动〔滚转运动〕和沿横轴Oz的移动，是发生在飞机横截面内的运动，称为横向运动。飞机绕机体坐标系竖轴Oy的转动〔偏航运动〕称为航向/方向运动。5.1.2平衡的概念飞机在飞行时，所有作用于飞机的外力与外力矩之和都等于零的状态，称为飞机的平衡状态。飞机的平衡问题，可归结为纵向平衡、横向平衡和航向/方向平衡的问题。飞机在飞行中，其平衡状态不是一成不变的，经常会因为各种因素〔如燃油消耗、收放起落架、收放襟翼、发动机推力改变或有效载荷的投放等〕的影响而遭到破坏，从而使飞机的平衡状态发生变化。驾驶员可以通过偏转相应的操纵面〔升降舵/全动平尾、方向舵、副翼〕来保持飞机的平衡，称为配平。5.1.3飞机的平衡及保持平衡〔配平〕的方法(1)飞机的纵向平衡及其保持方法飞机在纵向平面内作等速直线飞行(作用在飞机上的各力保持平衡)并且不绕横轴转动(飞机的上仰力矩等于下俯力矩)的运动状态，称为纵向平衡。图当飞机的纵向平衡状态遭到破坏而出现附加的不平衡俯仰力矩时，可以借助于升降舵的偏转来产生俯仰操纵力矩，以保持飞机原有的纵向平衡状态。

(2)飞机的横向平衡及其保持方法飞机作等速直线飞行(作用在飞机上的各力保持平衡)并且不绕纵轴滚转(飞机右倾的力矩等于飞机左倾的力矩)的飞行状态，称为横向平衡。图当飞机的横向平衡状态遭到破坏后，驾驶员可以操纵副翼，使飞机产生横向操纵力矩，来克服不平衡的滚转力矩，保持飞机的横向平衡状态。图

(3)飞机的航向/方向平衡及其保持方法飞机作等速直线飞行(作用在飞机上的各力保持平衡)并且不绕竖轴转动(飞机左转的力矩等于飞机右转的力矩)的飞行状态，称为航向/方向平衡。图当飞机的航向/方向平衡状态遭到破坏后，驾驶员应当用脚蹬，使方向舵偏转，飞机产生航向/方向操纵力矩，来克服不平衡的航向/方向力矩。图

飞机的横向平衡和航向/方向平衡之间是互相联系、互相依赖、互相制约着的。当航向/方向平衡破坏时，那么横向平衡也不能保持；反过来，假设横向平衡遭到破坏，那么航向/方向平衡也要被破坏。由于航向/方向平衡和横向平衡之间关系如此密切，通常把二者合在一起，称为飞机的横航向/侧向平衡。显然，为了保持飞机的横航向/侧向平衡，经常需要同时操纵副翼和方向舵。对于飞机的配平而言，不平衡的力矩是由一些长久作用的因素造成的，因而驾驶员适当的偏舵就可以克服。除此之外，飞机在飞行过程中，还常常会碰到一些偶然的、瞬时作用的因素，例如突风的扰动或偶而触动一下驾驶杆或脚蹬等，也会使飞机的平衡状态遭到破坏。并且在这种情况下，飞机运动参数的变化比较剧烈，驾驶员很难加以控制，这便是飞机的稳定性问题。5.2飞机的稳定性5.2.1稳定性概念所谓稳定性，指处于平衡状态的物体在偶然受外力干扰〔小扰动〕后，不需要人为的干预，靠自身特性恢复原来平衡状态的能力。圆球的平衡、稳定问题：平衡→瞬时小扰动→偏离平衡状态→能否自动回到原平衡状态？图圆球稳定的3种情况：稳定，不稳定，中立稳定欲使处于平衡状态的物体具有稳定性，其必要条件是物体在受到扰动后能够产生稳定力矩，使物体具有自动恢复到原来平衡状态的趋势；其次是在恢复过程中同时产生阻尼力矩，保证物体最终恢复到原来平衡状态。对飞机来说，其稳定与否，和圆球的情况在实质上是类似的。为了保证飞行平安和便于操纵，飞机应当具有良好的稳定性。通常将稳定性分成静稳定性和动稳定性。一般来说，只有恰当地选择静稳定性的大小，才能保证获得良好的动稳定特性。飞机的静稳定性也可分为纵向静稳定性、横向静稳定性和航向/方向静稳定性。5.2.2飞机的纵向静稳定性飞行中，当飞机受到微小扰动而偏离其纵向平衡状态时，在扰动去除瞬间，飞机不经驾驶员操纵就具有自动地恢复到原来平衡状态的趋势，那么称飞机具有纵向静稳定性。飞机重心和飞机焦点〔飞机各个部件升力增量的合力的作用点〕之间的相互位置，决定了飞机是否具有纵向静稳定性。图假设飞机重心位于其焦点之前，那么飞机是静稳定的。反之，假设飞机重心位于其焦点之后，那么飞机是静不稳定的。图水平尾翼的重要作用之一在于保证飞机具有纵向静稳定性。低速飞行时，飞机焦点位置根本是不变的，高速飞行时，焦点位置会后移；而飞机的重心位置却因燃料的消耗、装载的改变以及投弹等而发生移动。为了保证良好的纵向静稳定性，就必须对飞机重心的变化范围做严格的限制。关于飞机型式和鸭式布局。图图图正常式布局鸭式布局三翼面布局无尾式布局鸭式加前掠翼气动布局变后掠翼后掠翼飞翼式布局后掠翼加V型尾翼布局鸭式布局前掠翼布局(Ju-287)正常式布局、发动机翼吊正常式布局、发动机尾吊焦点的位置取决于机翼形状、机身长度，特别是机翼和尾翼的位置与尺寸。在进行常规飞机设计时，必须合理地安排飞机重心的位置，并恰当地选择水平尾翼的位置和面积等参数〔合理布置焦点的位置〕，以确保飞机的纵向静稳定性。现代飞机采用主动控制技术〔ACT〕，允许飞机纵向静不稳定，即允许飞机重心位于焦点之后，这种技术称为放宽纵向静稳定度。对于纵向静不稳定的飞机，随着迎角的增加，自动器使升降舵/全动平尾上偏，产生低头力矩，使飞机保持纵向稳定。放宽静稳定度技术可以减轻飞机的重量、提高飞机性能。5.2.3飞机的航向/方向静稳定性在飞行中，飞机受微小扰动而使航向/方向平衡状态遭到破坏时。在扰动消失瞬间，假设飞机能不经驾驶员操纵就有自动地恢复到原来航向/方向平衡状态的趋势，那么称飞机具有航向/方向静稳定性。航向/方向平衡状态遭到破坏后飞时机产生侧滑现象。飞行速度与飞机参考面之间的夹角称为侧滑角，用β表示。当飞行速度沿横轴的分量为正时侧滑角为正〔右侧滑的侧滑角为正〕。图飞机的航向静稳定性主要由垂直尾翼来保证。图5.2.4飞机的横向静稳定性在飞行中，飞机受微小扰动而使横向平衡状态遭到破坏时，在扰动消失瞬间，飞机假设不经驾驶员操纵就具有自动地恢复到原来横向平衡状态的趋势，那么称飞机具有横向静稳定性；反之，就没有横向静稳定性。横向平衡状态遭到破坏后，飞机同样会产生侧滑现象。图保证飞机横向静稳定性的主要因素是机翼的上反角、后掠角和垂直尾翼。图

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图飞机的横向静稳定性与航向/方向静稳定性都是在飞机有了侧滑这个条件后，通过垂直尾翼、机翼上反角、机翼后掠角等产生恢复力矩，因此，两者之间紧密联系并互相影响，一般统称为横航向/侧向静稳定性，它们必须搭配适当，才能使飞机有良好的横向和方向动稳定性，否那么飞时机出现螺旋或荷兰滚等不稳定状态。5.3飞机的操纵性飞机不仅应有自动保持其原有平衡状态的稳定性，而且，还要求具有良好的操纵性。所谓飞机的操纵性，是指飞机对驾驶员〔或自动驾驶仪等控制设备〕的操纵做出反响、改变其飞行状态的特性，也就是飞机按照驾驶员的意图做各种动作的能力。操纵性的好坏与飞机稳定性的大小有密切关系，必须正确处理好稳定性与操纵性之间的关系。飞机在飞行时的操纵，是通过三个主舵面〔操纵面〕——升降舵/全动平尾、方向舵和副翼来实现的。图各个操纵面控制飞机的原理都是一样的，即通过操纵面的偏转改变升力面上的空气动力，增加或减少的空气动力相对于飞机重心产生一个使飞机按需要改变飞行姿态的附加力矩。同稳定性一样，飞机的操纵性同样可分为纵向操纵性、航向/方向操纵性和横向操纵性。5.3.1飞机的纵向操纵性当驾驶员操纵驾驶杆或通过自动驾驶仪等偏转升降舵〔或全动平尾〕之后，飞机绕横轴转动而改变其迎角、速度等飞行状态的特性，称为飞机的纵向操纵性。飞机的纵向操纵，依靠位于机身尾部的装在水平安定面后缘的升降舵或全动平尾来进行。图驾驶员后拉杆或自动驾驶仪等控制设备产生相应的指令，使升降舵向上偏转，于是在升降舵〔或全动平尾〕上产生向下的附加升力，该力对飞机重心形成使飞机抬头的操纵力矩，使飞机抬头。图反之，驾驶员前推杆或自动驾驶仪等控制设备产生相应的指令，升降舵向下偏转，于是在升降舵〔或全动平尾〕上产生向上的附加升力，该力对飞机重心形成使飞机低头的操纵力矩，使飞机低头。当舵面向上偏转时，舵面上产生的附加升力，对升降舵的转轴亦形成力矩，通常称为铰链力矩，亦称枢轴力矩。图为了保持舵面的偏角不变，驾驶员必须对驾驶杆作用一定的力，通常称为驾驶杆力，简称为杆力。杆力的大小及其随速度的变化规律是衡量和评定操纵性好坏的一个最重要指标。杆力是否适当，是驾驶员借以感觉来掌握操纵份量的重要依据。杆力不能太小，也不能太大。在飞行中，升降舵有时总要有一定的偏角〔其他舵面也一样，有时可能会有很大的偏角〕，因而飞行员对驾驶杆始终要保持一定的杆力，这在长途飞行中，不仅分散精力，而且容易使驾驶员疲劳。为了改变这种情况，通常在升降舵后缘装一个小舵，称为调整片。调整片的偏转方向与升降舵相反，其产生的空气动力对升降舵转轴形成的铰链力矩与升降舵上的气动力的铰链力矩方向相反。二者大小相等时，总的铰链力矩等于零，杆力亦等于零。这样驾驶员便可以松开驾驶杆进行飞行。图

图5.3.2飞机的航向/方向操纵性当驾驶员用脚蹬〔或自动驾驶仪等控制设备〕操纵方向舵之后，飞机绕竖轴转动而改变其侧滑角等飞行状态的特性，称为航向/方向操纵性。航向/方向操纵主要通过位于机身尾部的装在垂直安定面后缘的方向舵实现。驾驶员用右脚蹬舵，方向舵向右偏转，在垂直尾翼上产生向左的侧向力，该力对飞机重心形成使机头向右偏转的航向操纵力矩，使飞机右偏而产生左侧滑。反之亦然。图

图同样，方向舵上一般也要安装调整片。5.3.3飞机的横向操纵性当驾驶员操纵驾驶杆〔或自动驾驶仪等控制设备〕偏转副翼之后，飞机绕纵轴滚转或改变其滚转角速度和倾斜角等飞行状态的特性，称为飞机的横向操纵性。横向操纵主要通过副翼来实现。驾驶员右压杆，右副翼上偏使右翼升力减小，左副翼下偏使左翼升力增加。左、右机翼升力之差对飞机纵轴形成滚转力矩，使飞机右滚转。图图同理，驾驶员左压杆，那么左副翼上偏，右副翼下偏，飞机便向左滚转。驾驶员压杆行程愈大，副翼偏角亦愈大，飞机的滚转角速度