飞机的横侧向动稳定性课件

飞机的横侧向动稳定性2静稳定力矩、惯性力矩和气动阻尼力矩01横侧向扰动运动的三种模态及特性02主要内容飞机的横侧向扰动运动及影响动稳定性的因素03思考：方向静稳定性和侧向静稳定需要匹配吗？静稳定力矩、惯性力矩和气动阻尼力矩横侧向静稳定力矩：由侧滑角而产生的恢复力矩。惯性力矩：当飞机绕立轴、纵轴加速转动时，由于飞机的转动惯量而产生的使飞机维持继续转动的力矩，其大小与飞机结构尺寸、质量大小及分布等因素有关。气动阻尼力矩：是指在扰动运动过程中出现滚转运动和偏航运动时，作用在飞机上的气动力产生的阻尼力矩。气动阻尼力矩飞机的侧向阻尼力矩主要由机翼产生。

飞机在受扰后的运动过程中，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等，这一阻尼力矩对飞机转动起阻碍作用。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。交叉力矩：由滚转运动引起的偏航力矩和由偏航运动引起的滚转力矩。滚转引起的交叉偏航力矩偏航引起的交叉滚转力矩滚转引起的交叉偏航力矩当飞机绕纵轴转动向右横滚时左右机翼迎角变化垂直尾翼产生气动力产生使机头向右偏转的偏航力矩。偏航引起的交叉滚转力矩当飞机绕立轴向左偏航时，垂尾产生指向左侧的气动力左右机翼气流相对速度不同产生使飞机绕纵轴向左横滚的滚转力矩扰动消失后，飞机在恢复原飞行姿态而产生的扰动运动中受到静稳定力矩、惯性力矩、气动阻尼力矩和交叉力矩的共同作用，扰动运动的情况就和影响这些力矩的各种因素有关。注意：交叉力矩总是与飞机回复原飞行姿态的静稳定力矩方向相反，起到减小静稳定力矩的作用，对飞机运动的稳定性不利横侧向扰动运动的三种模态及特性1滚转收敛模态2螺旋模态3荷兰滚模态1滚转收敛模态滚转收敛模态是一种非周期性的、衰减很快的运动模态。这是一种近似单纯的绕飞机纵轴的滚转运动。因为飞机滚转惯性较小，而滚转阻尼力矩较大，所以这种滚转运动衰减很快，可以看成是一种衰减很快的滚转运动。一般飞机都能满足此模态的稳定性要求。在滚转模态运动中，飞机的滚转角和滚转速度迅速变化，而侧滑角和偏航角的变化很小，可以忽略不计。2螺旋模态螺旋模态是一种非周期性的、运动参数变化比较缓慢的运动模态。在螺旋模态运动中，侧滑角近似为零，偏航角大于滚转角，所以螺旋模态运动主要是略带滚转、侧滑角近似为零的偏航运动飞机的方向静稳定性远大于侧向静稳定性时，会出现这种不稳定模态。当方向静稳定性过大时，一旦飞机受到扰动发生滚和侧滑，过大的方向静稳定性会使侧滑角很快得到修正，机头很快对准气流，并且在对准气流的偏航运动中产生较大的交叉滚转力矩，这一力矩和侧滑角引起的侧向静稳定力矩方向相反。当交叉滚转力矩大于侧向稳定力矩时，滚转不但得不到纠正，还会继续加大。滚转得不到纠正会使飞机机头继续对准来流，向倾斜的一侧偏转。结果，便产生了机身向一侧倾斜,机头下沉并不断对准来流的沿螺旋线航迹盘旋下降的螺旋发散运动。

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稳定性过强，易产生螺旋不稳定。3荷兰滚模态荷兰滚是频率较快（周期为几秒）的中等阻尼的横向一航向组合振荡模态。在荷兰滚模态运动中，飞机的侧滑角、滚转角和偏航角的量级相同，而滚转、偏航运动的速度较小。各运动参数都随时间按振荡方式周期变化，形成飞机一面来回滚转，一面左右偏航，同时带有侧滑的振荡运动，即荷兰滚运动

飞机受扰左倾斜→左侧滑，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。飞机的侧向稳定性过强而方向稳定性过弱，易产生荷兰滚。当发生荷兰滚不稳定时，由于振荡频率较高、周期较短，飞机会以逐渐增大的振幅迅速左右摇晃。驾驶员对这种高频率振荡很难加以控制，所以荷兰滚模态不稳定会影响飞行安全和飞行任务的完成，在三种模态中最受重视。CCAR-25部规定：任何横向一航向组合振荡

（荷兰滚），在操纵松浮情况下，都必须受到正阻尼。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。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。飞机的横侧向扰动运动及影响动稳定性的因素

飞机受到外界扰动，产生的横侧向扰动运动是以上三种典型模态的简单叠加而成。在扰动运动初期，以滚转运动模态为主扰动运动后期，以螺旋运动模态为主而介于前后两阶段之间的振荡模态是荷兰滚运动飞机的侧向静稳定性和方向静稳定性大小比例搭配，对飞机横侧向动稳定性有着重要的影响。为了保证飞机同时具有螺旋和荷兰滚模态的稳定性，必须使飞机的侧向静稳定性和方向静稳定性保持适当的比例。影响飞机侧向静稳定性的主要构造参数是机翼的上反角和后掠角，而后掠角是保证飞机能达到最大飞行速度所确定的，所以可通过改变机翼上反角来调整飞机的侧向静稳定性。影响方向静稳定性的主要结构参数是垂尾的面积及到飞机重心力臂的长度。当力臂确定后，可以通过改变垂尾的面积来调节飞机的方向静稳定性。大型高速运输机，因为机身较长，绕立轴转动的惯性增加，增大了飞机的方向静不稳定性。飞行速度提高，又使垂尾对方向静稳定性的贡献明显减少，从而使飞机的方向静稳定性减小。相比之下，飞机侧向静稳定性显得过大，这对荷兰滚模态的稳定性是不利的，使大型高速飞机易出现不稳定的荷兰滚运动。为了防止这一现象发生，除了在飞机构造上采取一些措施外，还可采用偏航阻尼器等装置。偏航阻尼器安装在方向舵操纵系统中，它感受飞机绕立轴转