3第三章 飞机的稳定性和操纵性.docx

第三章 飞机的稳定性和操纵性3.1 飞机的稳定性在飞行中，飞机会经常受到各种各样的扰动，如气流的波动、发动机工作不稳定、 飞行员偶然触动驾驶杆等这些扰动会使飞机偏离原来的平衡状态，而在偏离以后，飞 机能否自动恢复原状，这就是有关飞机的稳定或不稳定的问题飞机的稳定性是飞机本身的一种特性，与飞机的操纵性有密切的关系例如，飞行 员操纵杆、舵，需要用力的大小，飞机对杆、舵操纵的反应等，都与飞机的稳定性有关 因此，研究飞机的稳定性是研究飞机操纵性的基础所谓飞机的稳定性，就是在飞行中，当飞机受微小扰动而偏离原来的平衡状态，并 在扰动消失以后，不经驾驶员操纵，飞机能自动恢复原来平衡状态的特性3.1.1 纵向稳定性 飞机的纵向稳定性是指飞机绕横轴的稳定性 当飞机处于平衡飞行状态时，如果有一个小的外力干扰，使它的攻角变大或变小， 飞机抬头或低头，绕横轴上下摇摆（也称为俯仰运动）当外力消除后，驾驶员如果不操 纵飞机，而靠飞机本身产生一个力矩，使它恢复到原来的平衡飞行状态，我们就说这架 飞机是纵向稳定的如果飞机不能靠自身恢复到原来的状态，就称为纵向不稳定的如 果它既不恢复，也不远离，总是上下摇摆，就称为纵向中立稳定的。

飞机的纵向稳定性 也称为俯仰稳定性飞机的纵向稳定性由飞机重心在焦点之前来保证影响飞机纵向稳定性的主要因素 有飞机的水平尾翼和飞机的重心位置下面，我们首先来看一下水平尾翼是如何影响飞 机的纵向稳定性的当飞机以一定的攻角作稳定的飞行时，如果一阵风从下吹向机头，使飞机机翼的攻 角增大，飞机抬头阵风消失后，由于惯性的作用，飞机仍要沿原来的方向向前冲一段 路程这时由于水平尾翼的攻角也跟着增大，从而产生了一个低头力矩飞机在这个低 头力矩作用下，使机头下沉经过短时间的上下摇摆，飞机就可恢复到原来的飞行状态同样，如果阵风从上吹向机头，使机头下沉，飞机攻角减小，水平尾翼的攻角也跟 着减小这时水平尾翼上产生一个抬头力矩，使飞机抬头，经过短时间的上下摇摆，也 可使飞机恢复到原来的飞行状态除水平尾翼外，飞机的重心位置对纵向稳定性也有较大的影响重心靠后的飞机， 其纵向稳定性要比重心靠前的差其原因是：重心与焦点距离小攻角改变时产生的附加 力矩减小对于重心靠后的飞机，当飞机受扰动而增大攻角时，机翼产生的附加升力是 使机头上仰，攻角进一步增大，形成不稳定力矩这时主要靠水平尾翼的附加升力，使 机头下俯，攻角减小，保证飞机的纵向稳定性。

3.1.2 方向稳定性飞机的方向稳定性是指飞机绕立轴的稳定性飞机的方向稳定力矩是在侧滑中产生的所谓侧滑是指飞机的对称面与相对气流方 向不一致的飞行它是一种既向前、又向侧方的运动飞机带有侧滑时，空气则从飞机侧方吹来这时，相对气流方向与飞机对称面之间 的夹角称为“侧滑角”，也称“偏航角”对飞机方向稳定性影响最大的是垂直尾翼另外，飞机机身的侧面迎风面积也起相 当大的作用其它如机翼的后掠角、发动机短舱等也有一定的影响当飞机稳定飞行时，不存在偏航角，处于平衡状态如果有一阵风突然吹来，使机 头向右偏（此时，相对气流从左前方吹来，称为左侧滑 ），便有了偏航角阵风消除后， 由于惯性作用，飞机仍然保持原来的方向，向前冲一段路程这时相对风吹到偏斜的垂 直尾翼上，产生了一个向右的附加力这个力便绕飞机重心产生了一个向左的恢复力矩 使机头向左偏转经过一阵短时间的摇摆，消除掉偏航角，飞机恢复到原来的平衡飞行 状态同样，当飞机出现右侧滑时，就形成使飞机向右偏转的方向稳定力矩可见，只要 有侧滑，飞机就会产生方向稳定力矩而方向稳定力矩总是要使飞机消除偏航角3.1.3 侧向稳定性飞机的侧向稳定性是指飞机绕纵轴的稳定性图 3-1 机翼上反角对飞机侧向稳定性的影响V]—阵风速度；v2—侧滑速度；v3—由侧滑引起的相对风速;M一恢复力矩；O—飞机重心；一上反角处于稳定飞行状态下的飞机，如果有一个小的外力干扰，使机翼一边高一边低，飞 机绕纵轴发生倾侧。

当外力取消后，飞机靠本身产生一个恢复力矩，自动恢复到原来飞 行状态，而不靠驾驶员的帮助，这架飞机就是侧向稳定的，否则就是侧向不稳定保证飞机侧向稳定性的因素主要有机翼的上反角和后掠角 我们先来看上反角的侧向稳定作用当飞机稳定飞行时，如果有一阵风吹到飞机左 翼上，使左翼抬起，右翼下沉，飞机绕纵轴发生倾侧这时飞机的升力 Y 也随着倾侧 而升力原来是同飞机重力G同处于一根直线上而且彼此相等的Y倾侧后与重力G构成 一个合力R,使飞机沿着合力的方向向右下方滑过去，这种飞行动作就是“侧滑”（如图 3-1 所示）飞机侧滑后，相对气流从与侧滑相反的方向吹来吹到机翼上以后，由于机翼上反 角的作用，相对风速与下沉的那只机翼（这里是右翼）之间所形成的攻角Q],要大于上扬 的那只机翼的攻角a 2因此，前者上产生的升力Y1也大于后者的升力Y2这两个升力 之差，对飞机重心产生了一个恢复力矩M,经过短瞬时间的左右倾侧摇摆，就会使飞机 恢复到原来的飞行状态上反角越大，飞机的侧向稳定性就越好相反，下反角则起侧 向不稳定的作用现代飞机机翼的上反角大约在正 7度到负10度之间负上反角就是下反角 现在再来看机翼的后掠角是怎样起侧向稳定作用的。

如图3-2（a）所示，一架后掠角机翼（无上反角）的飞机原来处于稳定飞行状态当阵风 从下向上吹到左机翼上的时候，破坏了稳定飞行，飞机左机翼上扬，右机翼下沉，机翼 侧倾，升力Y也随着侧倾而与飞机重力G构成合力R飞机便沿着R所指的方向发生侧 滑阵风消除后，飞机沿侧滑方向飞行（如图3-2（b））这时沿侧滑方向吹来的相对气流， 吹到两边机翼上由于后掠角而产生不同的效果作用到两边机翼上的相对风速 v 虽然 相同，但由于后掠角的存在，作用到前面的机翼（这里是右翼）的垂直分速V],大于作用 到落后的那只机翼上的垂直分速v3而这两个分速是产生升力的有效速度另外两个平 行于机翼前缘的分速v2和v4对于产生升力不起什么作用，可不加考虑既然V]大于v3,所以下沉的那只机翼上的升力Y]要大于上扬的机翼上的升力Y2 二者之差构成恢复力矩M它正好使机翼向原来的位置转过去这样经过短瞬时间的摇 摆，飞机最后便恢复到原来的稳定飞行状态机翼的后掠角越大，恢复力矩也越大，侧向稳定的作用也就越强如果后掠角太大， 就可能导致侧向过分稳定因而采用下反角就成为必要的了保证飞机的侧向稳定作用，除了机翼上反角和后掠角两项重要因素外，还有机翼和 机身的相对位置。

上单翼起侧向稳定作用，而下单翼则起侧向不稳定的作用此外，飞机的展弦比和垂直尾翼对侧向稳定性也有一定的影响 飞机的侧向稳定性和方向稳定性，是紧密联系并互为影响的二者合起来称为飞机 的“横侧稳定”二者必须适当地配合，过分稳定和过分不稳定都对飞行不利同时二者 配合得不好，如果方向稳定性远远地超过侧向稳定性，或者相反，都会使得横侧稳定性 不好，甚至使飞机陷入不利的飞行状态图3-2 机翼后掠角对飞机侧向稳定性的影响va—阵风；vb—侧滑速度；vc—相对风速；M—恢复力矩3.2 飞机的操纵性飞机的操纵性是指飞机在飞行员操纵的情况下，改变其飞行姿态的特性 飞机在空中的操纵是通过三个操纵面——升降舵、方向舵和副翼来进行的转动这 三个操纵面，在气流的作用下，就会对飞机产生操纵力矩，使其绕横轴、立轴和纵轴转 动，从而改变飞机的飞行姿态3.2.1 飞机的纵向操纵 飞机的纵向操纵是指控制飞机绕横轴的俯仰运动它是通过向前或向后推拉驾驶杆， 使升降舵向下或向上偏转，来实现飞机纵向操纵的目的现代飞机升降舵的偏转角度大约在正 15度到负30度之间（升降舵向下偏转时的角度 规定为正值）大型运输机的偏转角要小些一般在正 15度到负 20度之间。

3.2.2 飞机的方向操纵 飞机的方向操纵是指飞机绕立轴的偏航运动驾驶员通过操纵脚蹬来进行飞机的方 向操纵驾驶员踩左脚蹬，方向舵向左偏转，飞机便向左方转过去；驾驶员踩右脚蹬， 方向舵向右偏转，飞机便右转要使飞机向左转，他只须踩动左脚蹬就行了飞机方向 舵一般可以向左或向右偏转 30 度3.2.3飞机的侧向操纵 飞机的侧向操纵是指飞机绕纵轴的滚转运动驾驶员通过向左或向右操纵驾驶杆 （盘）来进行飞机的侧向操纵飞机的侧向操纵与纵向或方向操纵有一点不同，即副翼有两片，并且转动方向是相 反的一片副翼向上偏转；另一片副翼则向下偏转由此产生的附加力，对飞机重心 O 产生一个滚转力矩M,便可使飞机绕纵轴倾侧当飞机处于平衡飞行状态时，作用在飞机上的外力和外力矩都是互相平衡的如果 驾驶员要使飞机向左倾侧，他可把驾驶杆向左摆动（如图3-3（a）所示），这时右边的副翼向 下偏转（如图3-3（b）所示），左边的副翼向上偏转（如图3-3（c）所示）向下偏的右副翼与相 对气流之间的夹角（攻角）Q]增大，所以右机翼上的升力Y1也增大；而向上偏转的左副翼 与相对气流之间的夹角（攻角）a 2减小，所以左机翼上的升力Y2也减小。

于是，升力Y] 和y2之差，对飞机重心构成了一个滚转力矩，使飞机向左倾侧如果驾驶员向左摆动驾驶杆，就会产生相反的结果，使飞机向右倾侧现代飞机的副翼向上偏转约为 20度到25度（规定为负值） ，向下偏转约为 10度到15 度（规定为正值）图 3-3 飞机的侧向操纵1—驾驶杆；2—右副翼；3—左副翼；M—滚转力矩；O—飞机重心；v—相对风速；S—副翼偏转角综上所述，在空气动力作用的原理方面，飞机各个方向的操纵基本是相同的，都是 改变舵面上的空气动力，产生附加力矩，从而达到改变飞机飞行状态的目的飞机的侧向操纵和方向操纵，是有密切联系的要使飞机转弯，不但要操纵方向舵 改变飞机的方向；还要操纵副翼使飞机向转弯的一侧倾斜，二者密切配合，才能把转弯 的动作做好3.3 副翼差动3.3.1 副翼反效“副翼反效”又称为“副翼反逆”、“副翼反操纵”飞机高速飞行时由于气动载荷而 引起的机翼扭转弹性变形，使得偏转副翼时所引起的总滚转力矩与预期方向相反的现象在正常情况下，当驾驶员向右压驾驶杆时，左副翼向下偏转而使左机翼升力增加， 右副翼向上偏转而使右机翼升力降低，从而对飞机重心产生一个向右的滚转力矩，飞机 向右倾侧，这是和驾驶员的自然动作相一致的。

由于副翼一般装在机翼的外侧后缘，机 翼的这部分结构比较薄弱，刚度较小当副翼向下偏转时，机翼后缘升力增大，将使机 翼产生前缘向下的扭转，从而使这部分机翼的有效攻角减小，这会使升力减小，因而抵 消了副翼下偏的部分效果随着飞机飞行速度的增大，因结构刚度不变，这种扭转将随 着增加，上述抵消现象就日趋严重当达到某个速度（称为“副翼反操纵临界速度”）时， 副翼偏转所引起的升力增量和机翼扭转所减小的升力负增量相抵消，因此偏转副翼并不 能产生滚转力矩超过此速度时，副翼偏转将产生反效果，这种现象就称为“副翼反效飞机设计时必须保证机翼有足够的抗扭刚度，使得在全部飞行速度范围内不致发生 副翼反效高速飞机为了防止出现这种现象，有时采用内侧副翼、全动式翼尖副翼或扰 流片等3.3.2 副翼差动通过前面的介绍可以知道，在飞机转弯飞行时，需要同时操纵副翼和方向舵如果 一侧副翼相下偏转的角度与另一侧向上偏转的角度相等，则副翼向下偏转一侧的阻力比 另一侧的大，这个阻力偏差量试图把机头拉向机翼抬高的一侧，使飞机转向相反的方向 为了防止这种相反作用的产生，副翼经常被设计成具有不同行程的差动副翼，也就是两 侧副翼存在差动行程当驾驶杆被操纵了一个给定的行程时，副翼向上偏转的偏转角度 要比向下偏转的偏转角度大。

这种现象称为“副翼差动”副翼差动是通过差动摇臂（一种双摇臂）来实现的这种摇臂之所以能起差动作用。