北航 飞力实验课实验报告

课程代码：051709
研究生课程试卷
2017－2018学年第一学期期末
《飞行力学实验I》
飞行原理实验报告
考试时间2018年 11月 1日
姓名：苏雨
学号：ZY1805316
专业：飞行器设计
指导教师：王维军
北京航空航天大学
航空科学与工程学院
2018年11月
飞机失速尾旋现象研究
第一章：失速尾旋现象介绍
在我从事航模生涯这些年以来，有一种十分危险的飞行现象，导致了我多架模型飞机坠毁。

这就是在飞行中有时会出现飞机突然失去控制，一边下坠，一边偏侧翻转，操纵无效直到坠地。

经查阅资料，了解到这种飞行现象称为失速尾旋。

失速：失速是当机翼攻角（迎角）增大到一定的程度（临界迎角）后，机翼上表面气流分离，导致升力减小所发生的现象。

飞机将低头下沉，直至获得足够升力飞行。

在高度低时发生失速是危险的，高度足够高时，可以练习失速的改出，改出失速的基本操作是迅速推杆到底采用俯冲姿态，等速度大于等于1.3倍失速速度时，缓慢向后拉杆改出至平飞。

尾旋（螺旋）：当一侧机翼先于另一侧机翼失速时，飞机会朝先失速的一侧机翼方向沿飞机的纵轴旋转，称为螺旋或尾旋。

发生螺旋式非常危险的事情，有些飞机在设计制造时是禁止飞机进入螺旋的，这样的飞机进入螺旋姿态后，很难改出。

可以改出的飞机改出尾旋的基本方法是推杆到底，并向相反方向拉杆，如果发动机以高速运转，必须立即收油门到慢车，向螺旋相反方向蹬满舵，螺旋停止后，使用失速改平的方法。

成功的关键是飞行员的技术和飞机的性能。

全世界每年飞机事故中因失速发生的占事故总数约30%～40%，如果飞行员认知不清、处置不及时准确，飞机很可能在极短时间内进入失速尾旋，若在低空小高度时飞机进入失速尾旋处置不当，很可能会造成机毁人亡的等级事故，研究失速与尾旋的预防措施与改出方法，对考核飞机边界飞行的操控性、安全性，挖掘飞机的机动性能以及保证战斗生存率与飞行安全意义重大。

第二章：失速尾旋现象原理分析
2.1失速现象原理分析
飞机在飞行时，机翼翼型中心与气流来流方向的夹角为迎角，当迎角增加到抖振迎角时，机翼上气流开始分离，机翼开始出现了抖振，此时机翼升力系数还在上升，当迎角增加到临界迎角时，机翼表面气流分离出现了严重分离，飞机升力系数急剧下降，可见失速根源是由于机翼表面气流分离造成，失速也包括平尾、鸭翼等控制翼面的气流分离，导致机翼和飞机其它控制翼面失去部分或全部效能,在失速过程中如果飞机升力支撑不了飞机重量，飞机就会掉高度（图1、图2），临界迎角表征着飞机抗失速能力，飞机临界迎角越大，飞机抗失速能力越大，其中一代、二代战机临界迎角约为10°～25°、三代战机约为25°～50°、四代战机约为50°～70°,飞行中仰角，其中θ为俯仰角、φ为偏航角、γ为滚转
角（下同）。

图1飞机失速状况
在失速初期，机翼翼型中心迎角小于抖动迎角，机翼气流虽然分离，但对其它翼面无影响，此时飞行员对飞机操纵感觉仍正常。

当继续增大接近抖振迎角时，飞机结构对翼面上较强的分离气流产生气动激励振动响应现象，即机翼抖振，同时飞机也可能出现轻微自动仰俯和机头横摆等现象。

在失速中期，机翼翼型中心迎角介于抖振迎角和临界迎角之间，飞行员可以明显感觉翼面出现较强的抖振现象，但升力仍然随迎角增大而增大。

飞机失速后期，机翼翼型中心迎角超过临界迎角时，飞机进入深失速，翼面上强烈的气流分离会影响到副翼、平尾、方向舵等后翼面的稳定性，使飞机出现了剧烈抖振与颠簸、侧滑、航向发散（如俯仰振荡、机头摇晃等不稳定现象）、飞机下坠、飞行阻力增加、飞行速度急剧减小等变态现象。

2.2尾旋现象原理分析
飞机失速后期，当翼型中心迎角远超过临界迎角后，失速加剧，飞机速度、升力、舵面操纵性、航向稳定性都会减小，飞机带有侧滑现象，当一侧机翼先于另一侧机翼失速（侧滑时，侧滑侧机翼先失速）时，飞机会朝先失速的一侧机翼方向沿飞机的纵轴边滚转边急剧下滑（侧滑角很大，侧滑小球甚至偏置极限），同时也绕立轴、横轴不断旋转，飞机出现这种重心沿小半径螺旋线轨迹急剧下滑的气动自转现象，说明飞机已经进入失速尾旋，飞行员必须立即处置。

可见失速与尾旋的主要危害是来自飞机的变态失控、飞行员失去方向感、飞机安全高度丧失三个方面。

正螺旋是由正飞进入的螺旋，发生正螺旋时，飞行员身体一直没有离开座椅，飞机座舱盖基本向上，通过前风挡看到机头在地面画圈，看不到旋转地中心地标；反螺旋是由倒飞进入的螺旋，发生反螺旋时，飞行员身体离开座椅，头盔顶着座舱盖，飞机座舱盖基本冲下，能看到旋转地中心地标；根据尾旋时飞机俯仰角的不同，尾旋还可分为陡尾旋、缓尾旋和平尾旋。

图2飞机尾旋
第三章：飞机失速尾旋的预防
3.1飞机设计中预防尾旋措施
飞机设计中预防失速尾旋的措施主要有：合理设计飞机增升装置（如加装鸭翼、边条翼、涡流发生器、吹风襟翼、翼刀等），采用新的飞行控制技术（如放宽静稳定性RSS控制技术、推力矢量控制技术、主动涡流控制AVC技术、机动载荷控VLC技术、多变量重构技术等），能使飞机临界迎角不断扩大，飞机甚至在0°-360°迎角范围，飞机操控性依然稳定；优化迎角限制器（推杆器或抖杆器）、音响与灯光等失速告警装置设计，使告警鲜明可靠；视情增装尾旋改出伞和尾旋改出火箭，使飞机进入尾旋后仍然能从容安全地改出。

3.2飞行操作中预防尾旋措施
在飞力实验课程中操作塞斯纳飞机进行飞行时就能发现，当飞机速度很低，并且操纵杆控制量较大，打舵较猛时飞机容易发生失速。

因此，为了避免飞机失速和失速尾旋，飞机在包括盘旋、收敛转弯等特技机动飞行时，飞行员对杆舵的动作量不要过大过猛，否则俯迎角变化速率过快，在惯性作用下，飞机很容易出现迎角超控现象，尤其对于后掠翼和三角翼飞机或是临界迎角较小的飞机，飞行员更应依据飞行速度时刻掌控好飞行迎角。

在飞行员训练时，应当防患于未然，加入失速尾旋改出科目训练。

更换机型飞行与危险科目飞行，飞行前要有技术交底、编写专门的应急处置预案，并组织必要的飞行预先演练，飞行员对抖动迎角、临界迎角、失速告警、演练高度、飞
机最低安全高度、飞行包线边界等飞行知识有充分的认知。

3.3飞行环境中预防尾旋措施
避免飞机在恶劣气象条件下，如风切变、垂直阵风、飓风、晴空湍流、飓风、突风等大气乱流，或过冷雨雪和霜冻等气象条件下飞行，以免飞机迎角增大到临界迎角以上而造成飞机失速。

一旦飞机不可避免地进入结冰区时，通常情况下应迅速改变飞行高度、飞机增速、减小飞机俯仰角、及时脱离结冰层区域，同时打开飞机防冰系统，对发动机、空速管、迎角与侧滑角传感器等部件加温，尽早酝酿失速尾旋改出程序，必要时抛掉飞机外挂，同时要求飞行员柔和操纵杆舵。

此外，飞行中应避免飞机进入其它飞机尾流。

第四章：失速尾旋的处理措施
4.1失速的改出措施
在飞力实验课程操纵塞斯纳飞机进行模拟飞行时，我有意让飞机处于低速大迎角状态，使飞机失速。

经多次实验，我发现当飞机失速后，应当停止过于猛烈的拉杆，让飞机先俯冲一段距离，待飞机速度恢复至70-80mile/h左右时，柔和将飞机拉至平飞，再缓缓爬升恢复高度。

切忌猛烈拉杆或打副翼。

4.2尾旋的改出措施
改出尾旋关键是迅速制止飞机旋转，然后设法减小飞机迎角，降低飞机的姿态角，通过下降高度换取速度，要求飞机心须有足够安全高度（2000m～2500m 以上为宜），然后依据飞机滚转速度、载荷、下坠速度、姿态、剩余高度等情况视情实施改出。

改出尾旋方法很多，基本要点为用脚蹬蹬平方向舵（方向舵中立）或反尾旋滚转方向蹬舵（只有反尾旋方向蹬舵才能滞转，切忌反尾旋滚转方向压驾驶杆），以修正侧滑和滞转（侧滑带来的尾旋滚转是顺机翼失速、旋转一侧）；副翼中立（驾驶杆横向中立）或顺尾旋滚转方向压驾驶杆（能够迅速滞转）；如果发动机以高速运转，须立即收油门到慢车，当旋转完全被制止、迎角完全减小、飞机速度恢复足够大后，再柔和拉杆改出尾旋，改出过程中要沉着冷静注意侧滑仪、速度表、高度表。

第五章：小结
飞机的失速尾旋现象虽然一度被称为“死亡陷阱”，但我们只要搞清它的发生机理，在飞机设计和飞行员训练中采取预防措施，研究新的防尾旋措施，例如：“反尾旋伞”，失速尾旋也会变得不那么可怕。