第四章飞机的平衡稳定性操纵性

,飞机的静稳定性与操纵性飞机的动稳定性,第四章,第四章第页,2,飞机飞行状态的变化，归根到底，都是力和力矩作用的结果。飞机的平衡、稳定性和操纵性是阐述飞机在力和力矩的作用下，飞机状态的保持和改变的基本原理。,第四章第页,3,本章主要内容,1、飞机的平衡2、飞机的稳定性3、飞机的操纵性,飞机的平衡,第四章第页,5,飞机的重量与重心,飞机各部件、燃料、乘员、货物等重力的合力，叫飞机的重力。飞机重力的着力点叫做飞机重心。,第四章第页,6,重心CG,飞机在空中的运动，总可分解成飞机各部分随飞机重心一起的移动和飞机各部分绕重心的转动。,飞机的重量与重心,第四章第页,7,重心位置的表示,飞机重心所在的位置(左右对称、前后位置)，常用重心在飞机某一特定翼弦（平均空气动力弦或标准平均弦）上的投影到该翼弦前端的距离，占该翼弦长度的百分数来表示。,第四章第页,8,几何中心,标准平均弦（SMC）,平均空气动力弦（MAC）,重心的前后位置常用重心在MAC上的投影到该翼弦前端的距离，占该翼弦的百分数来表示。,标准平均弦等于机翼面积与翼展的比值。,第四章第页,9,常用的坐标系,机体坐标系气流坐标系,第四章第页,10,飞机的平衡：所有作用在飞机上的力之和等于零，各力绕重心构成的诸力矩之和也等于零的飞行状态。飞机的平衡包括作用力平衡和力矩平衡两个方面。本节只分析各力矩的平衡。,飞机的平衡,相对横轴(OZ轴)俯仰平衡相对横轴(OY轴)方向平衡相对横轴(OX轴)横侧平衡,第四章第页,11,飞机的平衡可以从两个方面进行分别研究,飞机的纵向平衡（或俯仰平衡）飞机的侧向平衡,第四章第页,12,4.1.2飞机的俯仰平衡飞机的俯仰平衡是指作用于飞机的各俯仰力矩之和为零，迎角不变。,第四章第页,13,俯仰力矩主要有:,机翼产生的俯仰力矩水平尾翼产生的俯仰力矩拉力（或推力）产生的俯仰力矩,第四章第页,14,获得俯仰平衡的条件：,第四章第页,15,4.1.3飞机的方向平衡飞机的方向平衡是指作用于飞机的各偏转力矩之和为零，侧滑角不变或侧滑角为零。,第四章第页,16,侧滑是指相对气流方向与飞机对称面不一致的飞行状态。,第四章第页,17,偏转力矩主要有:,两翼阻力对重心产生的偏转力矩垂尾侧力对重心产生的偏转力矩双发或多发飞机拉力产生的偏转力矩,第四章第页,18,获得方向平衡的条件：,第四章第页,19,4.1.4飞机的横侧平衡飞机的横侧平衡是指作用于飞机的各滚转力矩之和为零，坡度不变。,第四章第页,20,滚转力矩主要有:,两翼升力对重心产生的滚转力矩螺旋桨反作用力矩对重心产生的滚转力矩,第四章第页,21,获得横侧平衡的条件：,第四章第页,22,本章主要内容,1、飞机的平衡2、飞机的稳定性3、飞机的操纵性,第四章第页,23,思考：什么是稳定性？,稳定性概念及条件,第四章第页,25,4.2.1稳定性概念及条件,一旦摆锤偏离原平衡状态，重力分力形成的力矩力图使摆锤回到原平衡位置。此外，摆锤在摆动过程中还受到空气阻力形成的力矩作用。,单摆的稳定性,下垂的单摆是稳定的，因为其受到稳定力矩和阻尼力矩的共同作用。,单摆在这两个力矩的共同作用下，最终回到原平衡状态。,第四章第页,26,物体受扰后的运动过程中，自动出现的、力图使物体最终回到原平衡状态的、方向始终与运动方向相反的力矩，称为阻尼力矩。,物体受扰偏离原平衡状态后，自动出现的、力图使物体回到原平衡状态的、方向始终指向原平衡位置的力矩，称为稳定力矩。,单摆的稳定性分析,第四章第页,27,倒立单摆的稳定性,倒立的单摆不具备这两个力矩，因此是不稳定的。,第四章第页,28,静稳定性与动稳定性,受扰后出现稳定力矩，具有回到原平衡状态的趋势，称为物体是静稳定的。静稳定性研究物体受扰后的最初响应问题。,第四章第页,29,静稳定性与动稳定性,扰动运动过程中出现阻尼力矩，最终使物体回到原平衡状态，称物体是动稳定的。动稳定性研究物体受扰运动的时间响应历程问题。,第四章第页,30,飞机稳定性的定义,飞机的稳定性是指：飞机受到小扰动（包括阵风扰动和操纵扰动）后，偏离原平衡状态，并在扰动消失后，飞行员不给于任何操纵，飞机自动恢复原平衡状态（包括最初响应静稳定性问题，和最终响应动稳定性问题）的特性。,俯仰稳定性方向稳定性横侧稳定性,第四章第页,31,飞机的稳定性,飞机具有稳定性,飞机不具有稳定性,飞机具有中立稳定性,第四章第页,32,飞机在平衡状态受到小扰动后的几种基本运动形式,飞机的稳定性,第四章第页,33,静稳定性与动稳定性,第四章第页,34,2、飞机的稳定性飞机的俯仰稳定性飞机的方向稳定性飞机的横侧稳定性飞机的侧向稳定性,第四章第页,35,飞机的俯仰稳定性，指的是飞行中，飞机受微小扰动以至俯仰平衡遭到破坏，在扰动消失后，飞机自动趋向恢复原平衡状态的特性。飞机的俯仰稳定性是由俯仰稳定力矩和俯仰阻尼力矩共同作用的结果。,4.2.2飞机的俯仰稳定性,什么是俯仰稳定性,第四章第页,36,水平尾翼,正常布局的飞机的平尾的安装角通常要比机翼的安装角更小。,俯仰稳定力矩的产生,俯仰稳定力矩主要由平尾产生,第四章第页,37,俯仰稳定力矩主要由平尾产生,平尾可以产生俯仰稳定力矩，趋于保持飞机的俯仰平衡。,第四章第页,38,瞬间受扰机头上抬,俯仰稳定力矩,平尾产生俯仰稳定力矩,第四章第页,39,翼型上，以1/4弦长处为距心，得到翼型的升力L和使翼型俯仰转动的力矩MF（使抬头为正）MF（或mF）不随攻角改变，故把1/4弦长处称为焦点焦点是附加升力的作用点，又称为气动中心,焦点定义,第四章第页,40,焦点位置的确定,理论分析，在低速、亚音速时，翼型焦点在1/4弦长处实验结果表明，焦点坐标在23%-27%范围内,第四章第页,41,焦点与俯仰稳定力矩,迎角发生变化时，机身、机翼等各部件都会产生附加升力飞机迎角改变时附加升力合力的作力点称为焦点。,第四章第页,42,焦点与俯仰稳定力矩,只有焦点的位置在飞机的重心之后飞机才具有俯仰稳定性，焦点距离重心越远，俯仰稳定性越强。,稳定,不稳定,第四章第页,43,俯仰静稳定性的判别,俯仰力矩系数曲线：,俯仰力矩系数：,第四章第页,44,俯仰力矩系数曲线,俯仰力矩系数曲线的斜率也称为迎角稳定度或纵向静稳定度，它表示迎角每变化1度时俯仰力矩系数的变化量，它的表达式为：,第四章第页,45,当焦点在重心之后，飞机具有俯仰稳定性，这也意味着俯仰力矩系数曲线斜率为负。,俯仰力矩系数曲线,第四章第页,46,俯仰阻尼力矩的产生,俯仰阻尼力矩主要由平尾产生,第四章第页,47,第四章第页,48,俯仰动稳定性,两种典型振动模态：短周期模态：周期短、衰减速度快长周期模态：周期长、衰减慢,第四章第页,49,俯仰动稳定性,飞机的纵向扰动大致可分为两个阶段：在扰动运动的最初阶段，表现为迎角和角速度有较快变化的短周期运动，飞行速度基本保持不变。在扰动的后一阶段，其主要特征表现为飞行速度和轨迹升降角不断缓慢变化的长周期运动，飞机的攻角基本不变。,第四章第页,50,思考题1：,已知某飞机的俯仰力矩系数与迎角的关系如下图所示，该飞机的正的动稳定性。请问该飞机是否具有俯仰静稳定性？是否具有俯仰稳定性？该飞机如果受到瞬间抬头的干扰能否最后回到平衡状态？如果可以，该平衡状态是否是原来的平衡状态，如果不可以，飞机该怎样运动？,第四章第页,51,2、飞机的稳定性飞机的俯仰稳定性飞机的方向稳定性飞机的横侧稳定性飞机的侧向稳定性飞机稳定性的影响因素,第四章第页,52,飞机的方向稳定性，指的是飞行中，飞机受微小扰动以至方向平衡遭到破坏，在扰动消失后，飞机自动趋向恢复原平衡状态的特性。,飞机的方向稳定性,什么是方向稳定性,第四章第页,53,侧滑是指相对气流方向与飞机对称面不一致的飞行状态。,主要方向稳定力矩的产生,第四章第页,54,方向稳定力矩主要是在飞机出现侧滑时由垂尾产生的。,主要方向稳定力矩的产生,第四章第页,55,由垂尾产生的方向稳定力矩,第四章第页,56,垂尾面积的影响,垂尾面积越大，方向稳定力矩越大。,第四章第页,57,机身,四分之一翼弦连线,后掠角的设计等也能够使机翼产生方向稳定力矩。,其他方向稳定力矩的产生,上反角,第四章第页,58,后掠角的存在，使侧滑前翼的相对气流有效分速大，因而阻力更大，从而产生方向稳定力矩。,后掠角在侧滑中所产生方向稳定力矩,第四章第页,59,机身、背鳍和腹鳍的方向稳定力矩的产生,机身，以及背鳍和腹鳍也可以产生方向稳定力矩。,第四章第页,60,方向阻尼力矩的产生,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。,第四章第页,61,第四章第页,62,2、飞机的稳定性飞机的俯仰稳定性飞机的方向稳定性飞机的横侧稳定性飞机的侧向稳定性飞机稳定性的影响因素,第四章第页,63,飞机的横侧稳定性，指的是飞行中，飞机受微小扰动以至横侧平衡遭到破坏，在扰动消失后，飞机自动趋向恢复原平衡状态的特性。,4.2.4飞机的横侧稳定性,什么是横侧稳定性,第四章第页,64,主要横侧稳定力矩的产生,侧力,横侧稳定力矩主要由侧滑中机翼的上反角和后掠角产生。,第四章第页,65,上反角情况下，侧滑前翼的迎角更大，升力大于侧滑后翼的升力，从而产生绕纵轴的横侧稳定力矩。,上反角产生的横侧稳定力矩,第四章第页,66,侧滑前翼的升力大于侧滑后翼的升力，是机翼能够具有横侧稳定性必要条件。,后掠角产生的横侧稳定力矩,后掠角情况下，侧滑前翼的有效分速大，因而升力大于侧滑后翼的升力，从而产生横侧稳定力矩。,第四章第页,67,其他横侧稳定力矩的产生,机翼上下位置和垂尾也能够使机翼产生横侧稳定力矩。,第四章第页,68,机翼上下位置的影响,第四章第页,69,垂尾产生的横侧稳定力矩,侧滑中，垂尾产生的侧力对重心形成的滚转力矩也是横侧稳定力矩。,第四章第页,70,横侧阻尼力矩的产生,飞机的横侧阻尼力矩主要由机翼产生。,飞机在受扰后的转动过程中，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。,第四章第页,71,滚转对两翼迎角的影响,第四章第页,72,2、飞机的稳定性飞机的俯仰稳定性飞机的方向稳定性飞机的横侧稳定性飞机的侧向稳定性飞机稳定性的影响因素,第四章第页,73,飞机的侧向稳定性,飞机的方向稳定性与横侧稳定性是相互耦合的，飞机的方向稳定性和横侧稳定性的总和，叫侧向稳定性,侧向扰动运动由两种非周期模态（滚转模态和盘旋下降模态）和一个振荡模态（飘摆模态）组成。,第四章第页,74,滚转模态,飞机在受侧向扰动初期，主要表现出飞机的滚转角速度和机翼坡度的迅速变化，这种迅速衰减的滚转阻尼运动，就是滚转模态,第四章第页,75,飘摆模态,飞机受扰左倾斜左侧滑，若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。,飞机的横侧稳定性过强而方向稳定性过弱，易产生飘摆。,滚转阻尼运动基本结束之后,第四章第页,76,飘摆,飘摆的危害性在于：飘摆震荡周期只有几秒，修正飘摆超出了人的反应能力，修正过程中极易造成推波助澜，加大飘摆。正常情况下，飘摆半衰期很短，但当方向稳定性和横侧稳定性不协调时，易使飘摆半衰期延长甚至不稳定，严重危及安全。大型运输机在高空和低速飞行时由于稳定性发生变化易发生飘摆。因此广泛使用飘摆阻尼器。,第四章第页,77,盘旋下降模态,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，但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。,侧向扰动运动的后期：,第四章第页,78,第四章第页,79,横侧动稳定性,飞机横侧扰动运动的时间响应历程分析。,第四章第页,80,2、飞机的稳定性飞机的俯仰稳定性飞机的方向稳定性飞机的横侧稳定性飞机的侧向稳定性飞机稳定性的影响因素,第四章第页,81,重心的位置,速度速度增大，稳定性越强（阻尼力矩增大）。,大迎角飞行,影响飞机稳定性的因素,高度变化,飞机稳定性的强弱，一般用摆动衰减时间、摆动幅度、摆动次数来衡量。,第四章第页,82,重心位置靠前，飞机的俯仰稳定性越强。重心位置靠前，飞机的方向稳定性有所增加，但不明显。重心位置前后移动，对横侧稳定性无影响。,重心的位置,第四章第页,83,速度,飞机摆动衰减时间的长短取决于飞机的阻尼力矩。在同一高度上，阻尼力矩与速度成正比。速度增大，稳定性越强（阻尼力矩增大）。,第四章第页,84,飞行高度,在高空，相同当量空速下，同样扰动气流速度，飞机受影响更小。但在高空由于阻尼力矩小，飞机摆动的衰减时间长，稳定性减弱。,第四章第页,85,飞机受扰左倾，左翼下沉，迎角增大，右翼上扬，迎角减小。若受扰前在临界迎角附近，就可能导致迎角大，升力反而小，从而导致横侧阻尼力矩方向改变，飞机进一步左倾，出现机翼自转现象。,大迎角飞行,第四章第页,86,飞机的稳定性分析,飞机的稳定性是飞机本身应具有的一种特性。飞机的的稳定性是相对的、有条件的。飞行员不能完全依赖飞机的稳定性，而必须主动、及时地对飞机实施操纵。,第四章第页,87,本章主要内容,4.1飞机的平衡4.2飞机的稳定性4.3飞机的操纵性,4.3飞机的操纵性,第四章第页,89,操纵性的定义：飞机的操纵性是指飞机在飞行员操纵升降舵、方向舵和副翼下改变其飞行状态的特性。,俯仰操纵性方向操纵性横侧操纵性,第四章第页,90,操纵性的主要研究内容：飞行状态的改变与杆舵行程和杆舵力大小之间的基本关系，飞机反应快慢以及影响因素等。,第四章第页,91,4.3.1飞机的俯仰操纵性,飞机的俯仰操纵性是指飞行员操纵驾驶盘偏转升降舵后，飞机绕横轴转动而改变其迎角等飞行状态的特性。,第四章第页,92,衡量的指标,为使飞机改变一定的飞行状态所需偏转的舵面角度（或驾驶杆行程）的多少为使飞机改变一定的飞行状态所需施加的驾驶杆力大小舵面偏转后，飞行状态改变的快慢，也就是，飞机对驾驶杆操纵的反应如何,第四章第页,93,升降舵上偏,附加向下升力,直线飞行中改变迎角的基本原理,第四章第页,94,平尾上的向下附加升力会打破原有俯仰平衡，使飞机抬头。,直线飞行中改变迎角的基本原理,第四章第页,95,俯仰操纵力矩=俯仰稳定力矩,直线飞行中改变迎角的基本原理,第四章第页,96,直线飞行中，驾驶盘前后的每一个位置（或升降舵偏角）对应着一个迎角。一个迎角对应一个速度。驾驶盘位置越靠后，升降舵上偏角越大，对应的迎角也越大。反之，驾驶盘位置越靠前，升降舵下偏角越大，对应的迎角也越小。,结论,第四章第页,97,迎角与速度关系,直线飞行中，一个迎角对应一个速度，大速度对应小迎角，小速度对应大迎角。,第四章第页,98,平飞中，升降舵偏角（即杆的前后位置）与速度的关系是:小速度时，升降舵上偏；随着速度增加，升降舵减小上偏角，大速度时，升降舵下偏。,升降舵偏角与速度的关系,第四章第页,99,飞行员操纵驾驶盘，要施加一定的力，这个力简称为杆力。,驾驶杆力,第四章第页,100,杆力的产生和影响因素,舵面上铰链力矩的产生:,飞行员推杆后，升降舵下偏，升降舵上产生向上的空气动力，对铰链形成的力矩。,第四章第页,101,杆力的产生:,铰链力矩迫使升降舵和杆回到中立位，为保持舵偏角和杆位置不变，飞行员必须用一定力推杆才能平衡铰链力矩。,杆力的产生和影响因素,第四章第页,102,4.3.2飞机的方向操纵性（无滚转）,飞机的方向操纵性是指飞行员操纵方向舵以后，飞机绕立轴偏转而改变其侧滑角等飞行状态的特性。,第四章第页,103,垂直尾翼上的向右附加气动力会打破原有方向平衡，使飞机机头左偏。,飞行中改变侧滑角的基本原理,第四章第页,104,方向操纵力矩=方向稳定力矩,飞行中改变侧滑角的基本原理,第四章第页,105,不带滚转的直线飞行中，每一个脚蹬位置对应着一个侧滑角。蹬右舵，飞机产生左侧滑（机头右偏）。蹬左舵，飞机产生右侧滑。方向舵偏转后产生方向铰链力矩，飞行员需用力蹬舵才能保持方向舵偏转角不变。方向舵偏转角越大，气流动压越大，蹬舵力越大。,结论,第四章第页,106,4.3.3飞机的横侧操纵性（无侧滑）,飞机的横侧操纵性是指飞行员操纵副翼以后，飞机绕纵轴转动而改变其滚转角速度、坡度等飞行状态的特性。,第四章第页,107,两个副翼上的不同升力差会打破原有横侧平衡，使飞机开始滚转。,飞行中不带侧滑的横侧操纵基本原理,第四章第页,108,飞行中不带侧滑的横侧操纵基本原理,横侧操纵力矩=横侧阻尼力矩,第四章第页,109,机翼气动变形对横侧操纵的影响内侧副翼扰流片对横侧操纵的作用,第四章第页,110,不带侧滑的横侧操纵中，驾驶盘左右转动的每个位置都对应着一个稳定的滚转角速度。压左盘，飞机左滚转，压右盘，飞机右滚转。驾驶盘左右转动的角度越大，滚转的角速度就越大。,结论,第四章第页,111,4.3.4方向操纵性和横侧操纵性的关系,第四章第页,112,蹬左舵，机头左偏，导致右侧滑，侧滑前翼升力大于侧滑后翼升力（即横侧稳定力矩），飞机左滚。压