飞机的稳定性和操纵性汇总

影响飞机实用重心位置的因素 货物的装载情况、乘客的位置、燃油的数量及消耗、 飞机的构型。 影响飞机焦点位置的因素 飞行Ma数、水平尾翼、飞机构型、纵向操纵系统的安 装间隙和弹性间隙。

飞机实用重心和飞机焦点位置的变化


飞机的纵向动稳定性

影响因素

静稳定力矩、转动惯量和俯仰阻尼力矩。 主要由水平尾翼产生。
荷兰滚


荷兰滚是频率较快（周期为几秒）的中等 阻尼的横向——航向组合振荡模态。 在荷兰滚中，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。 侧向静稳定性与方向静稳定性相比较大时， 飞机易产生荷兰滚不稳定。
纵向扰动运动的模态及其特征

CCAR-25部规定：在主操纵处于松浮状 态或固定状态时，在相应于飞机形态的失 速速度与最大允许速度之间产生的任何短 周期振荡，必须受到重阻尼。
4.4 飞机的纵向操纵性


飞机的纵向操纵是指 飞机绕横轴的俯仰操 纵。 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。
飞机的滚转力矩和偏航力矩



作用在飞机上的气动力对机体OXt轴产生的力矩 叫滚转力矩，用Mx表示。力矩矢量与Xt轴正方 向一致时，滚转力矩为正。 作用在飞机上的气动力对机体OYt轴产生的力矩 叫偏航力矩，用My表示。力矩矢量与Yt轴正方向 一致时，偏航力矩为正。 相关因素：

侧滑角——静稳定力矩 滚转和偏航运动——阻尼力矩 副翼偏转角——操纵力矩
扰流板的优缺点

扰流板工作时，不会使机翼的压力中心向 后移动很多，所以机翼上产生的扭转变形 很小。这样就带来了两个好处：


改善飞机高速飞行时的横侧操纵性能 有效地防止副翼反效。

扰流板虽有不少好处，但也有比较严重的 缺点。

在它打开的一瞬间，气流绕过扰流板时，不能 立即产生旋涡。这时升力反而略有增加，因而 在低速飞行时效果很差，不宜单独使用。
交叉力矩

交叉力矩是指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。 右滚——右机翼迎角增大，阻力增大——向右 偏转的偏航力矩。 右滚——垂尾产生向左侧的气动力——向右偏 转的偏航力矩。 左偏航——垂尾产生向左的气动力——向左横 滚的滚转力矩。 左偏航——左机翼升力减小，右机翼升力增 大——向左的横滚滚转力矩。
荷兰滚
飞机的横侧向扰动运动 及影响稳定性的因素


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。 影响因素


侧向静稳定性——机翼上反角和后掠角。 方向静稳定性——垂尾面积及到飞机重心的力 臂。

偏航阻尼器——用在大型高速运输机上， 防止荷兰滚
4.7 飞机的横侧向操纵性
Mz CmZ (1/ 2) 2 SbA

主要是机翼、水平尾翼的气动升力和发动机的推力。 保证飞机在不同速度下进行定常直线飞行的纵向平衡。

水平尾翼的重要作用一（纵向配平）

全机焦点


全机焦点：由于迎角的改变而引起的飞机气动升 力增量的作用点。 影响因素：机翼、机身和水平尾翼。 在低速飞行时，全机焦点的位置保持不变。


纵向静稳定余量：全机焦 点和重心之间的距离 KF=XF-XW。对于民用飞 机KF=10%-15%。 水平尾翼的重要作用二


为飞机提供必要的纵向 静稳定性。 亚音速飞行时，机翼的 焦点一般在飞机重心之 前。
影响飞机纵向静稳定性的因素

握杆和松杆对飞机纵向静稳定性的影响


与握杆飞行相比，松杆飞行时，全机焦点的位置前移 了，纵向静稳定性减少了。 减少升降舵的自由摆动，减少松杆和握杆飞行状态下 纵向静稳定性的差异。
4.1 飞机运动参数

地面坐标系是固定在地球表面的一种坐标系。
姿态角

俯仰角θ

机体坐标系纵轴(OXt)与水平面之间的夹角。 规定机头上仰时为正。

偏航角ψ

机体坐标系纵轴在水平面上的投影与地面坐标 系Axd轴之间的夹角。规定当飞机向左偏航时 为正。
飞机对称面与包含Oxt轴的铅垂面之间的夹角。 规定当飞机向右滚转时为正。

飞机重心后限

4.5 飞机的横侧向静稳定性
飞机的侧滑和侧滑角

飞机的滚转或偏航都会造成飞机侧滑和侧 滑角，从而产生滚转力矩Mx和偏航力矩 My，飞机相对纵轴OXt的侧向静稳定性和 相对立轴OYt的方向静稳定性就不是独立 的，而是相互影响。所以，又把飞机的侧 向静稳定性和方向静稳定性统称为横侧向 静稳定性。

动稳定性

平衡稳定状态
飞机的稳定性和操纵性分类

纵向稳定性（和操纵性）

绕横轴（OZt）转动，也叫俯仰稳定性。 绕纵轴（OXt）滚转，也叫滚转稳定性。 绕立轴（OYt）转动，也叫航向稳定性。

侧向稳定性（和操纵性）


方向稳定性（和操纵性）

4.3 飞机的纵向稳定性


飞机的纵向静稳定性 飞机的纵向力矩

侧滑角β

4.2 飞机稳定性和操纵性的基本概念

飞机的稳定性

处于平衡状态的物体， 受到外界扰动，偏离 了平衡位置，当扰动 消失后，物体能否自 动恢复到原始的平衡 位置，取决于物体的 平衡状态是否具有稳 定性。
飞机的稳定性

静稳定性

研究外界扰动消失后，物体是否有回到原始平 衡位置的趋势，也就是扰动消失后，物体的瞬 间运动。 研究外界扰动消失后，物体回到原平衡位置的 运动过程：扰动是收敛的，物体最终回到原始 平衡位置，物体具有动稳定性，否则就是动不 稳定的。
飞机的纵向操纵


前推杆——舵面下偏（δ z>0）——附加升力向 上——低头力矩（Mz<0）。 后拉杆——舵面上偏（δ z<0 ）——附加升力向 下——抬头力矩（Mz>0）。
纵向操纵性和纵向稳定性的关系
纵向操纵性和纵向稳定性的关系


飞机的稳定性和操纵性是相互制约的：稳 定性太大，飞机保持原飞行姿态的能力太 强，要改变它就很不容易，操纵起来就很 费劲，飞机的操纵性就很迟钝。 稳定性太小，飞机的飞行姿态很容易改变， 驾驶员很难精确的操纵飞机，飞机的操纵 性有过于灵敏。
Fra Baidu bibliotek
影响飞机侧向静稳定性的其他因素

垂尾

机体纵轴上方的垂尾增加侧向静稳定性，下方 的垂尾减少侧向静稳定性。 上单翼起侧向静稳定作用，下单翼起侧向静不 稳定作用。

机翼和机身的相对位置

飞机方向静稳定性的条件

飞机具有方向静稳定性的条件，飞机受到 扰动绕OY轴偏转，产生侧滑角β 时，如果 由于侧滑角引起的偏航力矩力图使飞机对 准来流，消除侧滑角，飞机就具有方向静 稳定性。

采用混合副翼

提高飞机侧向操纵效率

扰流板
(a)扰流板未打开时与机翼表面平齐 (b)扰流板打开产生大量旋涡 (c)扰流板在机翼表面上的位置 1—扰流板；2—副翼；3—襟翼
扰流板工作原理和作用


扰流板一般安装在机翼下表面或上表面的 襟翼之前，当副翼向上偏转到一定角度时， 联动机构就起作用而将扰流板打开。当副 翼继续偏转到某一角度时，扰流板就全部 竖立在气流中。它全开时的最大高度，接 近于该处的附面层厚度。 有利于改善飞机的横侧操纵性能，或在飞 行中使飞机减速，而且能提高飞机的起落 性能。
副翼操纵的失效和反逆是怎样产生
副翼操纵的失效和反逆是怎样产生


操纵力矩M1=反力矩 M2，再操纵副翼就不 会产生滚转力矩，这 种现象叫副翼失效。 这个飞行速度叫副翼 反逆临界速度。 M1<M2时，副翼反 效。
提高副翼反逆临界速度

提高机翼的抗扭刚度

机翼的扭转刚度越大，副翼反逆临界速度就越 高。 外侧副翼——低速飞行 内侧副翼——高速飞行
飞机重心范围的确定

飞机的重心前限

重心前移，飞机的纵向静稳定性提高，操纵性 能变坏，纵向平衡变差。 从飞机纵向平衡和纵向操纵性能的要求对飞机 重心最靠前的位置进行了限制。 重心后移，飞机的纵向稳定性减小，飞机对操 纵的反应变灵敏。 从飞机的纵向静稳定性和操纵灵敏度的要求对 飞机重心最靠后的位置进行了限制。

滚转角γ

空速向量相对机体的方位

速度轴系或风轴系OVXVYVZV XV沿飞行速度方向，气动阻力沿XV负向。YV在飞 机对称面内且与飞行速度垂直。
迎角和侧滑角

迎角α

空速向量在飞机对称面Oxtyt上的投影与机体 坐标系纵轴Oxt之间的夹角。规定投影线在Oxt 轴下方时为正。 空速向量与飞机对称面Oxtyt之间的夹角。规 定空速向量偏向右侧时为正（向右侧滑为正）。
空气动力学基础（ME、AV）
第一章 第二章 第三章 第四章 大气物理学 空气动力学 飞行理论 飞机的稳定性和操纵性
第4章 飞机的稳定性和操纵性



4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8
飞机运动参数 飞机稳定性和操纵性的基本概念 飞机的纵向稳定性 飞机的纵向操纵性 飞机的横侧向静稳定性 飞机的横侧向动稳定性 飞机的横侧向操纵性 飞机主操纵面上的附设装置
飞机的方向静稳定性

垂尾对飞机方向静稳定性的贡献
影响飞机方向静稳定性的其他因素


后掠角对飞机的方向稳定性也有一定的作 用。 机体的侧向迎风面积也对飞机的方向静稳 定性有一定的影响。
4.6 飞机的横侧向动稳定性

静稳定力矩

由于侧滑角β 而产生的恢复力矩。
惯性力矩 气动阻尼力矩


是指由于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力阻 尼力矩。 由滚转运动引起的气动阻尼力矩中，机翼起主 要作用；由偏航运动引起的气动阻尼力矩中， 垂直尾翼起主要作用。
飞机侧向静稳定性的条件


飞机受到扰动，绕机体OX轴转动，产生 了滚转角γ ，造成侧滑时，如果由于侧滑 角引起的滚转力矩与飞机滚转的方向相反， 飞机就具有侧向静稳定性。 飞机的侧向静稳定性主要由机翼的上反角 来提供。
飞机的侧向静稳定性

机翼上反角——提供飞机的侧向静稳定性。
机翼后掠角对飞机侧向静稳定的影响

飞机的侧向操纵性
副翼偏转对飞机进行侧向操纵



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。 规定右侧副翼向下偏，左侧副翼向上偏时（左滚） δ x为正，与Mx符号相反。

俯仰阻尼力矩

纵向扰动运动的模态及其特征


短周期模态 飞机的扰动运动主要是飞机绕重心的摆动 过程，表现为迎角和俯仰角速度周期性迅 速变化，而飞行速度则基本上保持不变。 一般情况下，飞机的这种短期振荡运动在 开始的头几秒内就基本结束了。
长周期运动模态


飞机的扰动运动主要是飞机重心运动的振 荡过程，表现为飞行速度和航迹倾斜角周 期性的缓慢变化，飞机的迎角基本恢复到 原来的迎角并保持不变。 这一振荡过程衰减很慢，形成长周期运动 模态。
副翼偏转对飞机进行侧向操纵
前视图
偏转副翼引起的有害偏航


为什么？ 左压杆——机翼左右阻力不平衡——右偏 航——左侧滑——右滚转静稳定力矩。 怎么办？

差动副翼

上偏角大于下偏角 上下偏角相等

弗莱兹副翼

副翼操纵的失效和反逆


“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。
飞机纵向静稳定性的条件

在小迎角下飞机纵向静稳定性只取决于全机焦点 和重心之间的相对位置。
纵向静稳定
纵向静不稳定
飞机纵向静稳定性的条件
①
②
③
全机焦点位于重心之后：飞机是纵向静 稳定的。 全机焦点位于重心之前：飞机是纵向静 不稳定的。 全机焦点位于重心之上：飞机具有纵向 中立静稳定性。
飞机纵向静稳定性的条件
横侧向扰动运动的三种模态及特性

滚转收敛模态


一种非周期性的、衰 减很快的运动模态。 滚转角和滚转速度迅 速变化，侧滑角和偏 航角的变化很小。
螺旋模态



一种非周期性的，运 动参数变化比较缓慢 的模态。 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。 方向静稳定性>>侧 向静稳定性。