安定性和操纵性

第三节　飞机的平衡、安定性和操纵性

飞机的平衡，是指作用在飞机上的各力和各力矩达到了暂时的相等，这时飞机速度的大小和方向都保持不变，飞机也不转动，飞机的安定性是分析飞机能否自动保持平衡状态的问题，飞机的操纵性是分析如何改变或保持原平衡状态的问题。研究飞机的平衡是分析飞机安定性和操纵性的基础。

一、飞机的重心

飞行中飞机发生的各种转动都是围绕重心进行的。飞机各部件、燃料、乘员、货物等重量合力的着力点，叫做飞机重心。重力是地球对飞机的吸引力。重力着力点所在的位置，叫做重心位置，如图4-29所示。飞机的重心位置会随飞机载重量的变动而变动。如果在重心位置前边增加重量或在重心后边减少重量，飞机重心就会向前移动，反之，飞机重心就会向后移动。如果将飞机上的装载物向前移，飞机重心会向前移动，反之，飞机重心会向后移动。飞机重心位置是随飞机载重的分布情况不同而发生变化。当重心位置后移时，将削弱飞机的纵向稳定性，所以在配置飞机载重时，应当注意妥善安排各项载重的位置，保持飞机重心在飞机有利重心活动范围内，防止超过重心前极限和后极限而给飞行员操纵飞机起飞着陆带来困难，甚至导致飞行事故。

图4-29　飞机的重心

二、飞机的转动轴

飞机在空中的转动是围绕着飞机的重心进行的。为了便于研究飞机的转动情况，规定通过飞机重心的互相垂直的三条转动轴，即纵轴、横轴、立轴，如图4-30所示。

图4-30　飞机的转动轴

（1）纵轴（X轴）——位于飞机对称面内，通过飞机重心，并与机身轴线平行。以指向机头方向为正，指向机尾方向为负。飞机绕纵轴的转动称为滚转。

（2）立轴（Y轴）——在飞机对称面内，通过飞机重心，与机体纵轴垂直。以指向座舱上方为正，指向下方为负。飞机绕竖轴的转动称为方向偏转（偏航）。

（3）横轴（Z轴）——通过飞机重心，与机体纵、竖两轴垂直。飞机绕横轴的转动称为俯仰转动。

三、飞机的力矩平衡

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。根据飞机的转动轴，将飞机的力矩平衡分为俯仰、方向、横侧三个方面进行分析。

1．飞机的俯仰平衡

飞机的俯仰平衡，是指使飞机绕横轴转动的上仰力矩和下俯力矩相等，这时飞机不绕横轴转动，或作等速转动，如图4-31所示。

图4-31　飞机的俯仰平衡

飞行中，飞机的上仰力矩和下俯力矩主要由机翼和水平尾翼产生，机翼产生的升力（Y翼）对重心形成下俯力矩；由于气流流过机翼后向下倾斜，使水平尾翼形成负迎角，产生向下的升力（Y尾）对中心形成上仰力矩。当上仰力矩与下俯力矩相等时，飞机处于俯仰平衡状态。

2．飞机的方向平衡

飞机的方向平衡，是指绕飞机立轴转动的左偏力矩和右偏力矩相等，这时飞机不绕立轴偏转，或作等速偏转，如图4-32所示。飞行中，左机翼的阻力（X左）对重心形成左偏力矩；右机翼的阻力（X右）对重心形成右偏力矩时，飞机就处于方向平衡状态。

图4-32　飞机的方向平衡

3．飞机的横侧平衡

飞机的横侧平衡是指使飞机绕纵轴转动的左滚力矩和右滚力矩相等，这时飞机不绕纵轴滚转或做等速滚转，如图4-33所示，在机翼升力（Y左）对重心形成右滚力矩；右机翼的升力（Y右）对重心形成左滚力矩时飞机就处于横侧平衡状态。

图4-33　飞机的横侧平衡

综上所述，当作用在飞机上的上仰力矩等于下俯力矩，左偏力矩等于右偏力矩，左滚力矩等于右滚力矩时，飞机就处于平衡状态。

四、飞机的俯仰、方向、横侧安定性

飞行中，飞机会经常受到各种各样的扰动使飞机平衡状态遭到破坏。飞机的安定性是指飞机受到微小扰动而偏离了平衡状态，当扰动消失后，飞机能自动恢复原平衡状态的特性。飞机具有安定性，必须能够产生安定力矩。飞机的稳定性是飞机本身的一种特性，同操纵性有密切的关系。比如，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，都与飞机稳定性密切有关。研究飞机稳定性是研究飞机操纵性的基础。

1．飞机的俯仰安定性

当飞机受到扰动抬头时，水平尾翼的迎角增大，并产生向上的附加升力（ΔL平尾），附加升力对飞机重心形成使机头下俯的安定力矩（ΔMY1），飞机低头可恢复原来的迎角飞行。如果扰动使飞机的迎角减小时，水平尾翼则产生向下的附加升力，它对飞机重心形成使机头上仰的安定力矩（ΔMY2），使飞机恢复原来的纵向平衡状态。

当迎角改变时，机翼升力亦改变，升力增量的作用点，即为机翼的焦点。由于机翼、机身的焦点都在飞机重心的前面，因而升力增量对重心形成一个使机头更加上仰的不稳定力矩，但水平尾翼焦点远在重心之后，因此尾翼上的升力增量对重心形成的是使机头下俯的稳定力矩，而后者大于前者，飞机有安定性。

飞机重心和飞机焦点之间的相互位置，决定了飞机是否具有俯仰安定性。若飞机重心位于焦点之前，如图4-34（a）所示，则在飞机受到外界扰动后，例如迎角增加了Δα，那么在飞机的焦点上，就会产生一个向上的升力增量ΔL，它对飞机重心形成使机头下俯的静稳定力矩ΔMY1，使飞机具有逐渐消除Δα而自动恢复到原来平衡迎角的趋势，即飞机是静稳定的。反之，若飞机重心位于其焦点之后，如图4-34（b）所示，升力增量对重心所形成的是不稳定的上仰力矩ΔMY2，使飞机迎角越来越大而没有自动恢复到原来平衡迎角的趋势，因此飞机是静不稳定的。由此可以得出一个重要结论：飞机的重心若位于飞机焦点之前，飞机具有纵向静稳定性；否则，飞机便不具备纵向静稳定性。

图4-34　重心位置与俯仰安定性的关系

亚音速飞行时，飞机的焦点是固定不变的，而飞机的重心位置却因燃料的消耗、装载的改变以及空投等而发生移动。如果飞机重心原来位于飞机焦点之前，飞机是静稳定的。但由于上述原因，飞机重心逐渐向后移动，静稳定性逐渐降低。当重心后移到飞机焦点之后时，就产生了质的变化，原来静稳定的飞机转化为失去静稳定性的飞机。这也是为什么对飞机重心变化范围要有严格限制的原因。

2．飞机的方向安定性

飞机的方向安定性主要由垂直尾翼来保证。如图4-35所示，飞机原来处于方向平衡状态，由于外界扰动而使飞机偏离了原来的航向，机头向右偏转会产生左侧滑，而机头向左偏转会产生右侧滑。在有侧滑的情况下，垂直尾翼上便产生了侧向力ΔY，该力对飞机重心形成消除侧滑角β的方向静稳定力矩ΔM_Z，使飞机有自动恢复到原来β＝0（无侧滑）的方向平衡状态的趋势。

3．飞机的横向稳定

保证飞机横向静稳定性的主要因素是机翼的后掠角、上反角和垂直尾翼。处于等速直线飞行状态的飞机，当其受到微小扰动而向右倾斜时（反之亦然），总升力也随之倾斜，从而与重力G构成向右的侧力R，飞机便沿着R所指的方向向右产生侧滑，形成正的侧滑角β，如图4-35所示。

图4-35　垂直尾翼与方向安定性

1）垂直尾翼的作用

垂直尾翼之所以能产生横侧稳定力矩，是因为出现侧滑角β后，垂直尾翼上产生附加侧力ΔY，其着力点高于飞机重心一段距离，形成滚转力矩ΔMX。此力对飞机重心形成横侧稳定力矩，力图消除坡度，进而消除侧滑使飞机趋向于恢复横侧平衡状态。如图4-36（a）所示。

图4-36　机翼后掠角与垂尾对横向稳定性的作用

2）机翼后掠角的作用

飞机由于扰动向右倾斜而引起右侧滑时，气流对右机翼的有效分速v₁（即垂直焦点线的分速）就比左机翼分速v₃大得多。显然，右机翼的升力L₁也就大于左机翼的升力L₂，所以能产生使飞机向左滚转的恢复力矩ΔMX，如图4-36（b）所示，从而起到横向静稳定的作用。

v_a—阵风；v_b—侧滑速度；v_c—相对风速；

L₁—右机翼升力；L₂—左机翼升力；ΔY—垂为侧向力；ΔMX—恢复力矩

机翼上反角L的作用，飞机由于扰动向右倾斜而引起右侧滑时，由于机翼上反角的作用，相对气流同右机翼之间所形成的迎角α₁，要大于左机翼迎角α₂，如图4-37所示。右机翼的升力L₁也就大于左机翼的升力L₂，所以能产生使飞机向左滚转的恢复力矩ΔMX，从而起到横向静稳定的作用。

图4-37　机翼上反角与横向安定性

飞机在不稳定气流中飞行时，会经常遭受扰动的作用，往往是一波未平，一波又起。因此为了保持飞行状态，决不能单纯依靠飞机稳定性，听其自然，而飞行员必须积极实施操纵，作及时修正。

五、飞机的操纵性

飞机的操纵性是指飞机在飞行员操纵驾驶杆、脚蹬的情况下，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，以改变飞行姿态。

各个操纵面控制飞机的原理都是一样的，即通过操纵面的偏转改变升力面上的空气动力，增加或减少的空气动力相对于飞机重心产生一个使飞机按需要改变飞行姿态的附加力矩。同稳定性一样，飞机的操纵性同样可分为纵向操纵性、方向操纵性和横向操纵性。

1．飞机的纵向操纵

当驾驶员操纵驾驶杆或通过自动驾驶仪等偏转升降舵（或全动平尾）之后，飞机绕横轴转动而改变其迎角、速度等飞行状态的特性，称为飞机的纵向操纵性。

飞机的纵向操纵，依靠位于机身尾部的装在水平安定面后缘的升降舵或全动平尾来进行。驾驶杆通过传动机构（拉杆或钢索、液压电传助力器、舵机等）与升降舵相连，如图4-38所示。

图4-38　飞机的纵向操纵原理

在飞机稳定飞行的情况下，当驾驶员想让飞机抬头爬升时，可以用手向后拉驾驶杆。驾驶杆通过传动机构使升降舵或全动平尾向上偏转，气流作用在偏转的舵面上，使之产生一个向下的附加力ΔL₁，ΔL₁相对飞机重心O产生一个使飞机抬头的力矩ΔM1；在ΔM1作用下飞机绕横轴Oy转动并抬头，迎角增大，导致飞机的升力系数C_L加大，升力随之增加并大于飞机重力，飞机开始爬升，如图4-38（b）所示。反之，如果驾驶员想让飞机低头下降，可以用手向前推驾驶杆。驾驶杆通过传动机构使升降舵向下偏转，使之产生一个向上的附加力ΔL₂，ΔL₂相对飞机重心O产生一个使飞机低头的力矩ΔM₂，在ΔM₂作用下飞机绕横轴Oy转动并低头，迎角减小导致飞机的升力系数C_L减小，升力随之减小并小于飞机的重力，飞机开始下降，如图4-38（c）所示。

2．飞机的方向操纵

当驾驶员操纵方向舵之后，飞机绕竖轴转动而改变其侧滑角等飞行状态的特性，称为方向操纵性。

飞机的方向操纵，依靠位于机身尾部的装在垂直安定面后缘的方向舵来实现。驾驶员的脚蹬通过传动机构与方向舵相连，如图4-39所示。

图4-39　飞机的方向操纵原理

1—方向舵；O—飞机重心

设飞机原来处于方向平衡状态作无侧滑直线飞行，驾驶员用右脚蹬舵，方向舵向右偏转，在垂直尾翼上产生向左的侧向力ΔY，该力对飞机重心形成使机头向右转的航向操纵力矩ΔMZ，使飞机产生向左的侧滑角β。同理，驾驶员用左脚蹬舵，方向舵向左偏转，飞机产生向右的侧滑。

3．飞机的横向操纵

当驾驶员操纵驾驶杆偏转副翼之后，飞机绕纵轴滚转或改变其滚转角速度和倾斜角等飞行状态的特性，称为飞机的横向操纵性。

横向操纵主要通过副翼来实现。驾驶员向左压杆，则左副翼向上偏转，左翼升力减小；而右副翼向下偏转，右翼升力增加，右翼升力大于左翼升力，如图4-40所示。左、右两边机翼升力之差对飞机纵轴形成的滚转力矩，使飞机向左滚转。同理，若驾驶员向右压驾驶杆，则右副翼上偏，左副翼下偏，飞机便向左滚转。

图4-40　飞机的横向操纵原理

1—驾驶杆；2—右副翼；3—左副翼；O—飞机重心

飞行员操纵飞机时，手脚的操纵动作与飞机绕轴转动的方向是和人们运动的本能习惯相一致的。当手脚协同操纵时，飞机就会做出各种复杂的飞行动作。