空气动力学与飞行原理

航空职业教育“十三五”规划教材无人机应用技术专业系列空气动力学与飞行原理第4章飞行品质第4章飞行品质4.1　飞机的平衡4.2　飞机的稳定性4.3　飞机的操纵性4.1飞机的平衡飞机的运动有两种状态。一种是平衡的状态。在这种状态下，飞行速度的大小和方向都保持不变，飞机也不绕自己的重心转动。与此相反，如果飞机飞行速度的大小和方向不断变化，同时绕自己的重心转动，就是一种显著变动的状态，这时飞机就是不平衡的。飞机的两种运动状态，都是由作用在飞机上彼此矛盾的力或力矩所引起的。例如，在平飞中，升力和重力，推力和阻力，上仰力矩和下俯力矩等，构成了矛盾的对立面。它们之间如果势均力敌互相平衡，飞机就处于平衡状态；如果此强彼弱不能平衡，飞机就处于不平衡状态。为了讨论问方便，我们把飞机的平衡分为俯仰平衡、横向平衡和方向平衡三个方面。在平飞中已经分析了力的平衡，本章将研究飞机的转动向题，即从力矩平衡的角度来研究飞机的平衡。4.1飞机的平衡4.1.1俯仰平衡1.俯仰平衡原理俯仰平衡（纵向平衡）是指作用于飞机的上仰力矩和下俯力矩彼此相等，也就是各俯仰力矩互相平衡。这样，飞机就不绕横轴转动，既不上仰，也不下俯。飞行中，机翼升力（L翼）通常作用在飞机重心的后面，形成下俯力矩（M翼）、其大小为（4-1）式中，为机翼压力中心到飞机重心的距离（即力臂）4.1飞机的平衡4.1.1俯仰平衡在中等迎角以下，由于流过机翼后的气流有一定程度的下洗，因此，水平尾翼（简称平尾）一般产生负升力。它对飞机重心所形成的力矩为上仰力矩（M尾），其大小为（4-2）式中，为水平尾翼压力中心到飞机重心的距离（即力臂）飞行中，要保持飞机的俯仰平衡，就必须使下俯力矩等于上仰力矩，如图4-1所示，用公式示为下俯力矩＝上仰力矩（4-3）4.1飞机的平衡4.1.1俯仰平衡水平尾翼升力虽小，但它距飞机重心很远，力臂很长，所以力矩很大，这就是水平尾翼能够起到俯仰平衡作用的原因。4.1飞机的平衡4.1.1俯仰平衡2.俯仰平衡的影响因素飞机的俯仰平衡取决于飞机的机翼和平尾产生的俯仰力矩，而机翼和平尾的俯仰力矩各等于它们所产生的升力乘以各自升力到飞机重心的力臂。因此，凡是影响机翼和平尾升力大小的因素也都是影响机翼和平尾俯仰力矩的因素。此外，飞机重心位置的前后移动也会影响机翼和平尾的俯仰力矩的大小。根据以上分析，可以得出影响机翼和平尾俯仰力矩的因素有：（1）飞机迎角（2）翼型（3）飞行马赫数（4）飞机重心位置（5）空气密度、机翼面积、飞行速度（6）机翼平均气动弦长4.1飞机的平衡4.1.1俯仰平衡2.俯仰平衡的影响因素（1）飞机迎角迎角越大，机翼和平尾升力系数越大，升力越大，机翼和平尾俯仰力矩越大。例如，水平尾翼前缘上偏，平尾迎角加大，升力系数加大，平尾的上仰力矩加大。（2）翼型机翼和平尾翼型有变化时，升力系数变化，俯仰力矩即发生变化。例如，升降舵下偏，水平尾翼翼型改变，升力系数加大，水平尾翼的上仰力矩加大。4.1飞机的平衡4.1.1俯仰平衡2.俯仰平衡的影响因素（3）飞行马赫数在超过临界马赫数以后，飞行马赫数加大，机翼局部激波向后发展，机翼升力系数加大，并且压力中心后移，这会使机翼升力和机翼升力到飞机重心的力臂加大。（4）飞机重心位置飞机重心位置后移，机翼下俯力矩减小，平尾上仰力矩也减小，由于重心离平尾远，重心后移一小段距离，对平尾上仰力矩影响不大，上仰力矩减小不多，而重心离机翼压力中心很近，重心后移一小段距离，造成的机翼力矩变化却很大，因此机翼下俯力矩减小很多。4.1飞机的平衡4.1.1俯仰平衡2.俯仰平衡的影响因素（5）空气密度、机翼面积、飞行速度空气密度、机翼面积、飞行速度越大，机翼和平尾俯仰力矩越大。它们对机翼和平尾俯仰力矩的影响完全一样。例如，机翼面积加大一倍，考虑到飞机设计时，平尾和机翼面积是保持一定比例关系的，这样平尾面积也就要加大一倍，则机翼和平尾俯仰力矩各增加一倍。空气密度增加一倍，机翼和平尾俯仰力矩也各增加一倍。飞行速度增加一倍（飞行速度等于原来飞行速度的两倍），机翼升力和平尾升力各增加三倍（升力等于原来升力的四倍）。4.1飞机的平衡4.1.1俯仰平衡2.俯仰平衡的影响因素（6）机翼平均气动弦长机翼平均气动弦长增大一倍，考虑到飞机设计时，机翼平均气动弦长与机身长度是保持一定比例关系的，因此平尾力臂也要增大一倍，所以机翼和平尾俯仰力矩各增大一倍。4.1飞机的平衡4.1.2横向平衡1.横向平衡的原理横向平衡是指作用于飞机各滚转力矩互相平衡，也就是迫使飞机向左滚转的力矩和迫使飞机向右滚转的力矩彼此相等，如图4-2所示。这样飞机就不绕纵轴滚转，既不向左倾斜，也不向右倾斜。用公式表示为左滚力矩=右滚力矩（4-4）式中：——右翼升力；——左翼升力；——右翼升力到重心之间的力臂；——左翼升力到重心之间的力臂。4.1飞机的平衡4.1.2横向平衡1.横向平衡的原理在飞行中，如果出现了飞机自动向一侧倾斜的现象，就称横向不平衡。飞机自动向左倾斜，称作有左坡度；飞机自动向右倾斜，称作有右坡度。飞机出现横向不平衡的原因主要是机翼变形，两侧机翼不对称，造成左、右机翼升力不对称或左、右机翼升力到重心的力臂不等，使左滚力矩与右滚力矩不平衡，飞机自动出现倾斜。4.1飞机的平衡4.1.2横向平衡2.副翼保持平衡的原理飞机在飞行中出现了横向不平衡的现象，即出现坡度时，可以使副翼偏转，以消除坡度，保持飞机的横向平衡。为了分析问题方便，假定飞机左右重力不均衡，飞机重心向左移动，左、右翼升力到重心的力臂不等，右翼升力到重心的力臂增长，左翼升力到重心的力臂减短。这样，将大于，公式为（4-5）左滚力矩＞右滚力矩4.1飞机的平衡4.1.2横向平衡2.副翼保持平衡的原理这样，飞机将向左滚转，出现左坡度，如图4-3（a）所示。4.1飞机的平衡4.1.2横向平衡2.副翼保持平衡的原理为了保持飞机的横向平衡，这时应该使右边副翼向上偏转，减小右机翼升力，左边副翼向下偏转，增加左机翼升力。这样使左滚力矩重新等于右滚力矩，保持飞机的横向平衡，如图4-3（b）所示。4.1飞机的平衡4.1.3方向平衡1.方向平衡原理飞行中，使机头左右偏转的力矩，主要是两边机翼阻力产生的偏转力矩和垂直尾翼侧向力产生的偏转力矩。如果作用在飞机上的左偏力矩和右偏力矩相等，飞机就保持方向平衡，如果不等，机头则产生偏转。飞行中，当飞行员不进行操纵时，在正常条件下，左右机翼产生的阻力大小相等，力臂（阻力到重心的垂直距离）相同，在垂直尾翼上也没有侧向力的作用，如图4-4所示。这时，飞机自动保持方向平衡，公式表示为左偏力矩=右偏力矩（4-6）式中：——左翼阻力；——左翼阻力到飞机重心之间的力臂；——右翼阻力；——右翼阻力到飞机重心之间的力臂。4.1飞机的平衡4.1.3方向平衡1.方向平衡原理4.1飞机的平衡4.1.3方向平衡1.方向平衡原理平衡和不平衡是可以转化的。如果机翼变形使两翼的阻力不等，或者垂直安定面和方向舵变形使垂直尾翼产生侧向力，改变了飞机各偏转力矩之间的平衡关系，就会破坏飞机的方向平衡。飞机的方向平衡被破坏以后，在偏转力矩作用下，机头将向左或向右偏转，而飞机由于具有很大的运动惯性，将沿着原来的方向飞行，这时，相对气流就会从侧前方吹来。凡是相对气流从侧前方吹来的飞行状态，就称作侧滑。当机头向左偏转，气流从机头右前方吹来，称作右侧滑；反之，机头向右偏转，气流从机头左前方吹来，称作左侧滑，如图4-5所示。相对气流方向和飞机对称面之间的夹角（β），称作侧滑角。4.1飞机的平衡4.1.3方向平衡1.方向平衡原理由以上分析可知，飞机的方向平衡被破坏以后，飞机将出现侧滑。侧滑是飞机方向不平衡的一种表现。飞机允许在一定条件下出现一定程度的侧滑。飞机的自动侧滑如果超出了规定，称为侧滑故障。4.1飞机的平衡4.1.3方向平衡2.方向舵保持方向平衡的原理飞机在飞行中出现了方向不平衡的现象，即出现侧滑时，可以使方向舵偏转，以消除侧滑，保持飞机的方向平衡。这里以飞机左侧重力较大为例，说明方向舵的方向平衡作用。飞机左侧重力较大，重心左移，这时。但是，由于左翼的阻力远大于右翼的阻力，因此还是大于，此时飞机将要产生向左的偏转，即将出现右侧滑。用数学公式表示为（4-7）即左偏力矩＞右偏力矩4.1飞机的平衡4.1.3方向平衡2.方向舵保持方向平衡的原理为了保持飞机的方向平衡，应该使方向舵向右偏转。这时，相对气流流过垂直尾翼右侧，受到方向舵的阻挡，流管变粗，流速减慢，压力增大，而垂直尾翼左侧则压力减小。这时，在垂直尾翼上形成一个向左的侧力（Z尾），此侧力对飞机的重心形成一个右偏力矩，这样就可以使飞机的左、右偏转力矩重新相等，保证了飞机的方向平衡，公式如下（4-8）即左偏力矩=右偏力矩由此可见，方向舵有保持方向平衡的作用，可以防止出现侧滑。4.2飞机的稳定性飞机的平衡状态会受到各种扰动（如阵风、发动机工作不均衡等）而发生变化。为了保持飞机的平衡状态，飞机应具有自动恢复原来平衡状态的特性，也就是说飞机应具有稳定性。4.2.1定义在日常生活中，可以看到一些有关稳定性的现象，例如，一个悬挂着的摆锤，如图4-6所示，当它受到微小的扰动时，就会来回摆动，在扰动消失之后，摆锤摆动的幅度会越来越小，最后恢复到原来的平衡位置。这说明悬摆具有稳定性。4.2飞机的稳定性4.2.1定义4.2飞机的稳定性那么悬摆为什么会有稳定性？其原因有两个方面，一是当摆锤不在平衡位置时，其重力（W）对摆轴构成一个力矩，使摆锤具有自动恢复原来平衡位置的趋势，这个力矩称作稳定力矩；二是在摆锤来回摆动中，作用于摆锤的空气阻力也对摆轴构成一个力矩，阻止摆锤摆动，这个力矩称作阻转力矩，其方向同摆锤的摆动方向始终相反，阻转力矩使摆幅越来越小，最后停止在原来的平衡位置。上述问题告诉我们：悬摆要有稳定性，首先要有稳定力矩，但单有稳定力矩还不行，它只是稳定性的必要条件；还要有阻转力矩，这样才能充分地保证悬摆具有稳定性。悬摆具有稳定性的原理也同样适用于飞机。飞机之所以具有稳定性，首先是偏离原来平衡状态时出现稳定力矩，使飞机具有自动恢复原来平衡状态的趋势。其次是在摆动过程中，又出现阻转力矩，促使飞机摆动减弱以至消失。可见，飞机的稳定性，就是在飞行中当飞机受微小扰动而偏离了原来的平衡状态，在扰动消失以后，不经飞行员操纵，飞机能自动地恢复原来平衡状态的特性。下面按俯仰、横向和方向三方面来分别说明飞机为什么会有稳定性。4.2飞机的稳定性4.2.2俯仰（纵向）稳定性1.俯仰稳定性定义在飞行中，如果当飞行受到微小扰动而偏离俯仰平衡状态，同时在扰动消失以后，不经飞行员操纵，飞机能自动恢复原来的俯仰平衡状态，飞机就具有俯仰稳定性，如图4-7所示。飞机之所以能够自动恢复原来的俯仰平衡状态，是因为迎角变化时，产生了俯仰稳定力矩和俯仰阻转力矩的缘故。4.2飞机的稳定性4.2.2俯仰（纵向）稳定性2.原理（1）俯仰稳定力矩的产生当飞机受扰动而使迎角发生变化时，在飞机上会产生附加升力。此附加升力的着力点，称作飞机焦点，如图4-8所示。因为迎角改变时，机翼、机身、水平尾翼等部分都会产生附加升力，而水平尾翼的附加升力距飞机重心较远，所以飞机各部分附加升力合力的着力点（即飞机焦点）在飞机重心之后。4.2飞机的稳定性4.2.2俯仰（纵向）稳定性2.原理4.2飞机的稳定性4.2.2俯仰（纵向）稳定性2.原理（1）俯仰稳定力矩的产生飞机焦点位于飞机的重心之后，当飞机受扰动而使迎角增大时，飞机附加升力（ΔL飞机）将对重心形成附加的下俯力矩，即形成俯仰稳定力矩，使飞机有自动恢复原来迎角的趋势，如图4-9（a）所示。同理，当飞机受扰动而减小迎角时，产生向下的附加升力，对飞机重心形成俯仰稳定力矩，也使飞机具有自动恢复原来迎角的趋势，如图4-9（b）所示。总之，当飞机迎角变化时，在飞机焦点上产生一个附加升力，对飞机重心形成一个恢复飞机俯仰平衡的力矩，这就是俯仰稳定力矩。综上所述，可以得出一个重要结论，这就是，飞机焦点位于飞机重心之后是飞机产生俯仰稳定力矩的条件。4.2飞机的稳定性4.2.2俯仰（纵向）稳定性2.原理（1）俯仰稳定力矩的产生4.2飞机的稳定性4.2.2俯仰（纵向）稳定性2.原理（2）俯仰阻转力矩俯仰阻转力矩主要由水平尾翼产生，如图4-10所示。当机头向上转动时，水平尾翼向下运动，这时就有一个向上的相对气流流向水平尾翼，它的速度是ΔV，其将引起一个阻止水平尾翼向下运动的力ΔL尾，这个力对重心构成的力矩就是俯仰阻转力矩。俯仰阻转力矩的作用是阻止飞机在恢复俯仰平衡状态过程中绕横轴来回摆动。4.2飞机的稳定性4.2.2俯仰（纵向）稳定性2.原理（2）俯仰阻转力矩4.2飞机的稳定性4.2.2俯仰（纵向）稳定性2.影响俯仰稳定的因素飞机俯仰稳定的强弱，取决于飞机的重心位置，飞行马赫数以及飞行高度。（1）飞机重心位置对俯仰稳定性的影响（2）飞行马赫数对俯仰稳定性的影响（3）飞行高度对俯仰稳定性的影响4.2飞机的稳定性4.2.2俯仰（纵向）稳定性2.影响俯仰稳定的因素（1）飞机重心位置对俯仰稳定性的影响飞机重心的前后位置，在飞行中一般变化不大。但是，在飞机设计制造时是要考虑的。每一机型都有其重心前极限和重心后极限位置。飞机之所以规定重心前极限位置，是为了保证高空飞行的机动性能。至于飞机的重心后极限位置，则是为了保证必要的稳定性。下面分别加以说明。4.2飞机的稳定性4.2.2俯仰（纵向）稳定性2.影响俯仰稳定的因素（1）飞机重心位置对俯仰稳定性的影响根据飞机俯仰稳定力矩的产生原因可以看出，飞机焦点在重心之后是获得俯仰稳定力矩的条件。飞机重心与飞机焦点之间的距离就是俯仰稳定力矩的力臂。当重心前移时，俯仰稳定力矩加大，飞机的俯仰稳定性增强。我们知道，飞机在空中机动飞行时使用的是大迎角，在此情况下，飞机有一较大的下俯稳定力矩。为保证飞机获得大的载荷因数所需迎角，飞行员就需使平尾前缘大幅下偏。重心越靠前，下俯稳定力矩越大，机动飞行所需平尾前缘下偏量也越大。但是，平尾前缘下偏量不是一直可以增大的，当平尾前缘下偏量超过一定值时，平尾负迎角过大，在平尾下部将产生严重气流分离，从而降低平尾的效能。4.2飞机的稳定性4.2.2俯仰（纵向）稳定性2.影响俯仰稳定的因素（1）飞机重心位置对俯仰稳定性的影响由此可以看出，平尾前缘的最大下偏量将限制飞机的重心前极限位置。当重心位置后移时，俯仰稳定力矩减小，俯仰稳定性过于减弱，这时会引起操纵上的困难，因此重心后极限位置也有一定的限度，一般飞机重心后极限位置规定在飞机焦点前3%～4%平均气动弦长处。4.2飞机的稳定性4.2.2俯仰（纵向）稳定性2.影响俯仰稳定的因素（2）飞行马赫数对俯仰稳定性的影响飞机俯仰稳定力矩的大小跟飞机焦点位置紧密相关。飞机焦点后移，俯仰稳定力矩增大，俯仰稳定性增强；飞机焦点前移，俯仰稳定力矩减小，而飞机焦点位置又与飞行马赫数有关。①飞行马赫数小于0.9，飞行马赫数增大时，焦点位置基本不变，飞行马赫数的改变对飞机的俯仰稳定性没有影响。这是因为飞机尚未产生局部激波，当飞机受到扰动而增大迎角时，机翼上表面吸力增大的区域仍然主要位于机翼的前半部，即机翼的附加升力的着力点仍很靠前。平尾附加升力情况也与机翼类似。因此，迎角改变对机翼和平尾各部分附加升力的合力着力点基本上仍在平均气动弦长的52%处。4.2飞机的稳定性4.2.2俯仰（纵向）稳定性2.影响俯仰稳定的因素（2）飞行马赫数对俯仰稳定性的影响②飞行马赫数大于0.9以后，随着飞行马赫数增大，焦点位置要显著后移，俯仰稳定力矩显著增大，俯仰稳定性增强。这是因为飞行马赫数超过0.9以后，机翼已产生局部激波，这时当飞机受扰动而增大迎角时，机翼上最低压力点后的流管扩散加剧，局部超声速区扩大，流速显著增大，吸力也显著增大，而且超声速区较靠后，所以机翼附加升力的着力点后移，即飞机焦点后移。随着飞行马赫数增大，机翼上表面的超声速区不断向后扩大，所以飞机焦点也逐渐向后移动。当飞行马赫数增大到1.15时，焦点约后移到平均气动弦长的70%处。4.2飞机的稳定性4.2.2俯仰（纵向）稳定性2.影响俯仰稳定的因素（3）飞行高度对俯仰稳定性的影响高度升高，空气密度减小，飞机俯仰转动时，阻转力矩减小。所以，随着高度增加，飞机受到扰动后，要经过较长时间、多次、较快地往复摆动才能基本上恢复到原来的平衡位置。高空飞行中，出现俯仰摆动时，只要飞行员稳住驾驶杆，俯仰摆动就会自行消失。但如果飞行员在这种情况下进行修正，则反而会使摆幅越修正越大。这是因为摆动周期短，修正时机不易掌握。例如，飞行员发现机头上仰时，以向前推杆来修正，由于摆动周期短，当向前推杆时，飞机已开始下俯，所以推杆更增加了飞机的下俯，反之亦然。这就是高空飞行时，飞机容易产生俯仰飘摆的道理。4.2飞机的稳定性4.2.3静稳定度静稳定度用来描述飞机的俯仰稳定性的大小，可以用俯仰力矩系数除以升力系数来计算。所谓静稳定度是指气动中心（焦点）到飞机重心（质心）的距离，气动中心在重心之后静稳定度为正，飞机是静稳定的；气动中心在重心之前静稳定度为负，飞机是静不稳定的。4.2飞机的稳定性4.2.3静稳定度在亚声速飞行状态，普通飞机的翼身组合体的升力中心在重心稍后的某个距离（静稳定），这时翼身组合体的升力所产生的负俯仰力矩（机头向下的力矩），由平尾下偏所产生的向下升力来平衡，平尾的升力从翼身组合体升力中减去，因而使总的升力减小。而且由于飞机的静稳定特性，飞机有保持原有飞行状态的趋势，使飞机的操纵也不灵话。而放宽静稳定度的飞机，气动中心可以很接近重心也可以重合，甚至在重心的前面，飞机的静稳定度变得很小甚至不稳定，飞行中主要靠主动控制系统（即自动增稳系统）主动控制相应操纵面，保证飞机的稳定性。这时为保持平衡只需要较小的甚至向上的平尾升力去平衡翼身组合体的正俯仰力矩（机头向上的力矩）。4.2飞机的稳定性4.2.3静稳定度在超声速状态，无论普通构型的飞机还是放宽静稳定度的飞机都具有作用在重心之后的翼身组合体升力矢量。因为放宽静稳定度的飞机的重心比普通飞机的重心更靠前，这样为配平由于翼身组合体升力产生的负俯仰力矩所需要的尾翼向下载荷比普通飞机要小，因而就可以大大减小尾翼尺寸和重量，使其在超声速状态也具有较高的升力。由此我们可以看出，采用放宽静稳定度的手段，可以大幅提高飞机的机动性能。首先，可以使飞机用于平衡所需的平尾面积大大减小，因此平尾的重量可以减轻，阻力可以减小；另外对于静不稳定的飞机，平尾的升力和翼身组合体升力方向一致，这样飞机的总升力也得到了提高。4.2飞机的稳定性4.2.4方向（航向）稳定性1.方向稳定性定义在飞行中，当飞机受到微小扰动而偏离方向平衡状态，在扰动消失以后，不经飞行员操纵，飞机具有能自动恢复原来方向平衡状态的特性，称作飞机的方向稳定性。4.2飞机的稳定性4.2.4方向（航向）稳定性2.原理（1）方向稳定力矩的产生方向稳定力矩主要是由垂直尾翼产生的。例如，在直线飞行中，飞机受微小扰动而出现左侧滑时，相对气流从左前方吹来，在垂直尾翼上产生向右的附加侧力（ΔZ），对飞机重心形成方向稳定力矩，力图使机头左偏，消除侧滑，如图4-11所示。这时机身上也有侧力，它位于飞机重心之前，但距重心很近。它与ΔZ的合力在重心之后，故对重心仍形成稳定力矩。4.2飞机的稳定性4.2.4方向（航向）稳定性2.原理（1）方向稳定力矩的产生4.2飞机的稳定性4.2.4方向（航向）稳定性2.原理（2）方向阻转力矩的产生方向阻转力矩主要也是由垂直尾翼产生的。例如，机头右偏时垂直尾翼向左运动，在垂直尾翼范围内产生向右的相对气流速度（ΔV）。因此，在垂直尾翼上产生附加侧力，即图4-12中的ΔZ，其对飞机重心形成阻转力矩，阻止机头向右偏转。同理，机头向左偏转时，也会产生阻止机头向左偏转的阻转力矩。4.2飞机的稳定性4.2.4方向（航向）稳定性2.原理（2）方向阻转力矩的产生4.2飞机的稳定性4.2.4方向（航向）稳定性3.影响因素影响方向稳定力矩和方向阻转力矩的因素即是影响方向稳定性的因素，主要包括垂直尾翼的面积、垂直尾翼的形状、飞行速度、垂直尾翼距离飞机重心的距离等。增加垂尾面积，改变其形状以增加空气动力，提高飞行速度，增加垂尾距离飞机重心的距离等都可以增加飞机的方向稳定性。4.2飞机的稳定性4.2.5横向稳定性1.横向稳定性定义在飞行中，当飞机受到微小扰动而偏离横向平衡状态，在扰动消失以后，不经飞行员操纵，飞机具有能自动恢复原来横向平衡状态的特性，称作飞机的横向稳定性。4.2飞机的稳定性4.2.5横向稳定性2.原理（1）横向稳定力矩的产生当飞机向左或向右倾斜的时候，上反角具有促使飞机自动恢复原来横向平衡状态的稳定作用，如图4-13所示。例如，在稳定飞行中，如果飞机受到外力干扰，就会使机翼一边高一边低，飞机绕纵轴发生倾斜。这时，升力和重力的合力偏向右边，使飞机产生右侧滑。在右侧滑的情况下，由于机翼具有上反角，左翼迎角增大，升力增加；右翼迎角减小，升力降低。左右两翼升力之差就构成了横向稳定力矩，外力消失后，不需要飞行员的操纵，稳定力矩促使飞机自动恢复原来的飞行状态——横向平衡状态。4.2飞机的稳定性4.2.5横向稳定性2.原理（1）横向稳定力矩的产生4.2飞机的稳定性4.2.5横向稳定性2.原理（1）横向稳定力矩的产生采用后掠翼的飞机，横向稳定力矩主要是后掠翼在侧滑中产生的。其原理是在平飞中，飞机受到微小扰动而稍带左坡度时，升力（L）和飞机重力（W）的合力（F），使飞机向左侧运动，如图4-14所示。相对气流从左前方吹来，因而出现左侧滑，如图4-15所示。这时由于后掠角的作用，左翼的垂直分速比右翼大，左翼的升力也就比右翼大。于是，两侧机翼升力之差，对飞机重心形成横向稳定力矩，使飞机向右滚转，力图消除左坡度，以恢复原来横向平衡状态。4.2飞机的稳定性4.2.5横向稳定性2.原理（1）横向稳定力矩的产生4.2飞机的稳定性4.2.5横向稳定性2.原理（1）横向稳定力矩的产生垂直尾翼产生的横向稳定力矩，是因为当飞机出现侧滑后，垂直尾翼上产生附加侧力（ΔZ尾），其着力点高于飞机重心。此力对飞机重心构成横向稳定力矩，如图4-16所示，力图消除坡度，进而消除侧滑，使飞机趋向于恢复横向平衡状态。4.2飞机的稳定性4.2.5横向稳定性2.原理（1）横向稳定力矩的产生机翼的上下位置对横向稳定性的影响如图4-17所示，当飞机受到扰动呈微小左坡度，并向左侧滑时，对于上单翼的飞机来说，在左翼下表面，气流受到机身的阻挡，流速减慢，压力升高，升力增大，于是形成横向稳定力矩，增强横向稳定性；对于下单翼的飞机来说，在左翼上表面，气流受到机身阻挡，流速减慢，压力升高，升力减小，于是形成横向不稳定力矩，起着削弱横向稳定性的作用；对于中单翼飞机来说，在左翼的上下表面，气流都要受到机身的阻挡，流速都减小，压力都升高，因而对横向稳定性的影响不大。4.2飞机的稳定性4.2.5横向稳定性2.原理（2）横向阻转力矩的产生飞机横向平衡被破坏后，其在绕纵轴转动的过程中，两翼就会产生与旋转方向相反的阻力，对重心构成阻转力矩。在横向稳定力矩和阻转力矩的作用下，飞机就能自动恢复到原来的横向平衡状态。横向阻转力矩主要是由机翼产生的。例如，飞机向左滚转，如图4-18所示，左翼下沉，出现向上的相对气流速度（ΔV），产生正的附加升力（ΔL左），右翼上扬，出现向下的相对气流速度（ΔV），产生负的附加升力（ΔL右）。于是，左右机翼出现升力差，对飞机重心形成阻转力矩，阻止飞机向左滚转。同理，飞机向右滚转时，也会产生阻止向右滚转的阻转力矩。4.2飞机的稳定性4.2.5横向稳定性2.原理（2）横向阻转力矩的产生4.2飞机的稳定性4.2.5横向稳定性3.影响因素机翼的上反角、后掠角和垂直尾翼等是保证飞行器横向稳定性的主要部件。后掠角越大，其所起的横向静稳定作用越强。如果后掠角很大就可能导致过分的横向静稳定性，一般用上反角替代；当飞行器向某一方向滚转时，下方的机翼更接近水平，产生额外升力；上方的机翼更偏离水平，升力下降，两侧的升力差导致其产生稳定力矩，恢复水平位置。这相当于机翼在水平投影上的面积改变了，机翼的气动效率等于与其在水平投影面积相同的机翼，同时也改变了机翼迎角，使其存在上下气流分量。当飞行器（不论何种原因）出现侧滑角β时，在垂直尾翼上就会产生侧力Z，它不但能为航向提供回复力矩，而且由于垂直尾翼一般都装在机身的上面，所以还有滚转力矩，它是一个横向稳定力矩，因此垂尾也有增大横向稳定性的作用。另外，机翼位置也对横向稳定性有影响，如上单翼有利于提高横向稳定性。4.3飞机的操纵性飞机在使用杆、舵的情况下改变其飞行状态的特性，称作飞机的操纵性。本节将研究飞机的俯仰操纵性、横向操纵性、方向操纵性。4.3飞机的操纵性4.3.1俯仰操纵性1.定义飞机的俯仰操纵性，就是在飞行员使用驾驶杆偏转升降舵之后，飞机绕横轴转动而改变其迎角、速度等飞行状态的特性。在平飞中，飞机的升力与重力必须相等，故随着飞行速度的改变，需要相应地改变迎角以保持升力不变。飞行速度加快，升力随之增大，为保持平飞，就必须相应地减少迎角，以减少升力使其保持与重力相等。飞行速度减慢，升力随之减小，为保持平飞，就需要相应地增大迎角，以增大升力使其保持与重力相等。可见，为保持平飞，在大速度下应用小迎角，在小速度下应用大迎角。也就是说，一个平飞速度对应一个迎角。下面以减小平飞速度、拉杆增大迎角为例，说明其操纵原理。4.3飞机的操纵性4.3.1俯仰操纵性2.俯仰操纵原理在平飞中，飞机原来处于力矩平衡状态。由于飞行速度降低，飞行员向后拉一点杆，升降舵向上偏转一个角度，于是水平尾翼的形状发生了变化，水平尾翼就产生一个向下的空气动力ΔL尾，对飞机重心构成一个俯仰操纵力矩（上仰力矩），迫使机头上仰，增大迎角，如图4-19所示。由于飞机迎角增大，水平尾翼迎角也增大，在水平尾翼产生的空气动力又产生一向上的空气动力（ΔL'尾），对重心构成一向下的稳定力矩（下俯力矩），其方向同操纵力矩的方向相反。随着迎角的增大，稳定力矩也增大。当迎角增大到一定程度稳定力矩和操纵力矩相等时，飞机的俯仰力矩重新取得平衡，飞机即停止转动，并保持比原来更大的迎角。4.3飞机的操纵性4.3.1俯仰操纵性2.俯仰操纵原理4.3飞机的操纵性4.3.1俯仰操纵性2.俯仰操纵原理在迎角增大的过程中，虽然飞机有了附加升力，但因平飞速度减小，所以总升力仍然保持不变。相反，要增大飞行速度，飞行员需适量向前推杆，偏转升降舵使其下偏一个角度，使迎角减小。2.1飞行品质（楷体，28号）2.1.1空气流动模型（楷体，26号）1.理想流体（宋体，24号，1.2倍行距）根据流体黏性的差别，可将流体分为两大类，即理想流体和黏性流体。完全没有黏性的流体称为理想流体。考虑黏性作用的流体称为黏性流体。2.不可压流体根据密度（ρ）是否为常数，流体分为可压与不可压两大类。当ρ为常数时，流体为不可压流体，否则为可压流体。空气流过飞机时，ρ要发生变化，其变化量的大小取决于马赫数（Ma）的大小。当Ma<0.4时，我们可以忽略流体密度，把流体视为不可压流体。4.3飞机的操纵性4.3.2方向操纵性1.定义飞机的方向操纵性，就是在飞行员操纵方向舵以后飞机绕竖轴偏转，改变侧滑角等飞行状态的特性。2.方向操纵原理操纵方向舵改变侧滑角同操纵升降舵改变迎角的道理是一样的。例如，在无侧滑的直线飞行中，如果蹬右舵，方向舵则向右偏一个角度，垂直尾翼上产生向左的侧力（ΔZ尾），对飞机重心构成一个使飞机向右偏转的方向操纵力矩，如图4-20所示。在方向操纵力矩作用下，飞机将向右偏转，出现左侧滑。出现左侧滑的同时飞机产生向左的方向稳定力矩，且随侧滑角的增大而逐渐增大。当方向稳定力矩增大到与方向操纵力矩相等时，飞机就保持侧滑角不变。4.3飞机的操纵性4.3.2方向操纵性2.方向操纵原理4.3飞机的操纵性4.3.2方向操纵性2.方向操纵原理如果蹬舵量增大，方向操纵力矩增大，飞机就保持较大的侧滑角飞行。可见，在平飞中，一个方向舵的偏转角，对应着一个侧滑角。4.3飞机的操纵性4.3.3横向操纵性1.定义飞机的横向操纵性，就是在飞行员操纵副翼以后，飞机绕纵轴滚转，改变滚转角速度和坡度等飞行状态的特性。4.3飞机的操纵性4.3.3横向操纵性2.横向操纵原理在某一飞行速度下，飞行员操纵左副翼向上偏转、右副翼向下偏转，如图4-21所示，飞机因左右两翼升力之差形成横向操纵力矩而向左滚转。在滚转中，只要没有侧滑，就不会有稳定力矩产生，只有横向阻转力矩。滚转越快，阻转力矩越大。当横向操纵力矩与横向阻转力矩相等时，飞机就作等速滚转。偏转副翼越多，等速滚转的角速度就越大。4.3飞机的操纵性4.3.3横向操纵性2.横向操纵原理如果飞行员要保持一定的坡度飞行，就应该在飞机滚转到达预定坡度以前，提前使副翼回到中立位置，这样横向操纵力矩就会消失。在横向阻转力矩的作用下，飞机绕纵轴的滚转角速度迅速减小，在到达预定坡度时，滚转角速度减小为零，飞机即可保持一定坡度飞行。第4章飞行品质第4章飞行品质结束