航空基础知识系列之五

航空基础知识系列之五:飞机的平衡

飞机的平衡

飞机的平衡，是指作用于飞机的各力之和为零，各力对重心所构成的各力矩之和也为零。飞机处于平衡状态时，飞行速度的大小和方向都保持不变，也不绕重心转动。反之，飞机处于不平衡状态时，飞行速度的大小和方向将发生变化，并绕重心转动。

飞机能否自动保持平衡状态，是安定性的问题；如何改变其原有的平衡状态，则是操纵

性的问题。所以，研究飞机的平衡，是分析飞机安定性和操纵性的基础。

飞机的平衡包括“作用力平衡”和“力矩平衡两个方面。飞行中，飞机重心移动速度的变化，直接和作用于飞机的各力是否平衡腾；飞机绕重心转动的角速度的变化，则直接和作用于飞机的各力矩是否平衡有关。

为研究问题方便，一般相对于飞机的三个轴来研究飞机力矩的平衡：

相对横轴——俯仰平衡；

相对立轴——方向平衡；

相对纵轴——横侧平衡。

下面分别从这三方面着手，来阐明飞机力矩平衡的客观原理、影响力矩平衡的因素以及保持平衡的方法。

一、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，飞机取得俯仰平衡后，不绕横轴转动，迎角保持不变。

（一）飞机俯仰平衡的取得

作用于飞机的俯仰力矩很多，主要有：机翼力矩、水平尾翼力矩及拉力力矩。

机翼力矩就是机翼升力对飞机重心所构成的俯仰力矩。对同一架飞机、当其在一定高度上、以一定的速度飞行时，机翼力矩的大小只取决于升力系数和压力中心至重心的距离。而升力系数的大小和压力中心的位置又都是随机翼迎角的改变而变化的。所以，机翼力矩的大小，最终只取决于飞机重心位置的前后和迎角的大小。一般情况，机翼力矩是下俯力矩。当重心后移较多而迎角又很大时，压力中心可能移至重心之前，机翼力矩变成上仰力矩。

水平尾翼力矩是水平尾翼升力对飞机重心所形成的俯仰力矩。水平尾翼升力系数主要取决于水平尾翼迎角和升降舵偏转角。水平尾翼迎角又取决于机翼迎角、气流流过机翼后的下洗角以及水平尾翼的安装角。升降舵上偏或下偏，能改变水平尾翼的切面形状，从而引起水平尾翼升力系数的变化。流向水平尾翼的气流速度。由于机身机翼的阻滞、螺旋桨滑流等影响，流向水平尾翼的气流速度往往与飞机

的飞行速度是不相同的，可能大也可能小，这与机型和飞行状态有关。水平尾翼升力着力点到飞机重心的距离。迎角改变，水平尾翼升力着力点也要改变，但其改变量同距离比较起来，却很微小，一般可以认为不变。

由上知，对同一架飞机、在一定高度上飞行，若平尾安装角不变，而下洗角又取决于机翼迎角的大小。所以，飞行中影响水平尾翼力矩变化的主要因素，是机翼迎角、升降舵偏转角和流向水平尾翼的气流速度。在一般飞行情况下，水平尾翼产生负升力，故水平尾翼力矩是上仰力矩。机翼迎角很大时，也可能会形成下俯力矩。

拉力力矩是螺旋桨的拉力或喷气发动机的推力，其作用线若不通过飞机重心，也就会形成围绕重心的俯仰力矩，这叫拉力或推力力矩。

对同一架飞机来说，拉力或推力所形成的俯仰力矩，其大小主要受油门位置的影响。增大油门，拉力或推力增大，俯仰力矩增大。

飞机取得俯仰平衡，必须是作用于飞机的上仰力矩之和等于下俯力矩之和，即作用于飞机的各俯仰力矩之和为零。

（二）影响俯仰平衡的因素

影响俯仰平衡的因素很多，主要有：加减油门，收放襟翼、收放起落架和重心变化。下面分别介绍之：

加减油门对俯仰平衡的影响

加减油门会改变拉力或推力的大小，从而改变拉力力矩或推力力矩的大小，影响飞机的俯仰平衡。需要指出的是，加减油门后，飞机是上仰还是下俯，不能单看拉力力矩或推力力矩对俯仰平衡的影响，需要综合考虑加减油门所引起的机翼、水平尾翼等力矩的变化。

收放襟翼对俯仰平衡的影响

收放襟翼会引起飞机升力和俯仰力矩的改变，从而影响俯仰平衡。比如，放下襟翼，一方面因机翼升力和压力中心后移，飞机的下俯力矩增大，力图使机头下俯。另一方面由于通过机翼的气流下洗角增大，水平尾翼的负迎角增大，负升力增大，飞机上仰力矩增大，力图使机头上仰。放襟后，究竟是下俯力矩大还是上仰力矩大、这与襟翼的类型、放下的角度以及水平尾翼位置的高低、面积的大小等特点有关。

放下襟翼后，机头是上仰还是下俯，因然要看上仰力矩和下俯力矩谁大谁小，而且还要看升力最终是增还是减。放下襟翼后，如果上仰力矩增大，迎角因之增加，升力更为增大。此时，飞机自然转入向上的曲线飞行而使机头上仰。但如果放下襟翼后使下俯力矩增大，迎角因之减小，这就可能出现两种可能情况。一种是迎角减小得较多，升力反而降低，飞机就转入向下的曲线飞行而使机头下俯。一种是迎角减小得不多，升力因放襟翼而仍然增大，飞机仍将转入向上的曲线飞行而使机头上仰。

为减轻放襟翼对飞机的上述影响，各型飞机对放襟翼时的速度和放下角度都有一定的规定。

收襟翼，升力减小，飞机会转入向下的曲线飞行而使机头下俯。

收放起落架对俯仰平衡的影响

收放起落架，会引起飞机重心位置的前后移动，飞机将产生附加的俯仰力矩。比如，放下起落架，如果重心前移，飞机将产生附加的下俯力矩；反之，重心后移，产生附加的上仰力矩。此外，起落架放下后，机轮和减震支柱上还会产生阻力，这个阻力对重心形成下俯力矩。上述力矩都将影响飞机的俯仰平衡。收放起落架，飞机到底是上仰还下俯，就需综合考虑上述力矩的影响。

重心位置变化对俯仰平衡的影响

飞行中，人员、货物的移动，燃料的消耗等都可能会引起飞机重心位置的前后变动。重心位置的改变势必引起各俯仰力矩的改变，其主要是影响到机翼力矩的改变。所以，重心前移，下俯力矩增大；反之，重心后移，上仰力矩增大。

（三）保持俯仰平衡的方法

如上所述，飞行中，影响飞机俯仰平衡的因素是经常存在的。为了保持飞机的俯仰平衡。飞行员可前后移动驾驶盘偏转升降舵或使用调整片（调整片工作原理第四节再述）偏转升降舵，产生操纵力矩，来保持力矩的平衡。

二、飞机的方向平衡

飞机取得方向平衡后，不绕立轴转动，侧滑角不变或没有侧滑角。

作用于飞机的偏转力矩，主要有两翼阻力对重心形成的力矩；垂直尾翼侧力对重心形成的力矩；双发或多发动机的拉力对重心形成的力矩。

垂直尾翼上侧力，可能因飞机的侧滑、螺旋桨滑流的扭转以及偏转方向舵等产生。

飞机取得方向平衡，必须是作用于飞机的左偏力矩之和等于右偏力矩之和，即作用于飞机的各偏转力矩之和为零。

下列因素将影响飞机的方向平衡：

一边机翼变形（或两边机翼形状不一致），左、右两翼阻力不等；

多发动机飞机，左、右两边发动机工作状态不同，或者一边发动机停车，从而产生不对称拉力；

螺旋桨发动机，油门改变，螺旋桨滑流引起的垂直尾翼力矩随之改变。

飞机的方向平衡受到破坏时，最有效的克服方法就是适当地蹬舵或使用方向舵调整片，利用偏转方向舵产生的方向操纵力矩来平衡使机头偏转的力矩，从而保持飞机的方向平衡。