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由此可知,欲使處于平衡狀態的物體具有穩定性,其必要條件是物體在受到擾動后能夠產生穩定力矩,使物體具有自動恢復到原來平衡狀態的趨勢;其次是在恢復過程中同時產生阻尼力矩,保證物體最終恢復到原來平衡狀態。
對飛機來說,其穩定與否,和上述圓球的情況在實質上是類似的。如果在飛行中,飛機由于外界瞬時微小擾動而偏離了平衡狀態,這時若在飛機上能夠產生穩定力矩,使飛機具有自動恢復到原來平衡狀態的趨勢,同時在飛機擺動過程中,又能產生阻尼力矩,那么飛機就能像圖 " "( ()所示的圓球一樣,無須駕駛員的干預就能自動地恢復到原來的平衡狀態,因而是穩定的,或者說飛機具有穩定性;反之,若飛機偏離平衡狀態后產生的是不穩定力矩,那么飛機就會像 " "( %)所示的圓球一樣越來越偏離原來的平衡位置,因而是不穩定的,也就是沒有穩定性;顯然,為了保證飛行安全和便于操縱,飛機應當具有良好的穩定性。
通常將穩定性分成靜穩定性和動穩定性。如果飛機在外界瞬時擾動的作用下偏離平衡狀態,在最初瞬間所產生的是恢復力矩,使飛機具有自動恢復到原來平衡狀態的趨勢,則稱飛機具有靜穩定性;反之,若產生的是不穩定力矩,飛機便沒有自動恢復到平衡狀態的趨勢,故稱為沒有靜穩定性。顯然,靜穩定性只表明飛機在外界擾動作用后的最初瞬間有無自動恢復到原來平衡狀態的趨勢,并不能說明飛機整個穩定的過程,即能否最終恢復到原來的平衡狀態。研究飛機在外界瞬時擾動作用下,整個擾動運動過程的問題,稱為飛機的動穩定性。
飛機的靜穩定性和動穩定性之間有著非常密切的關系。一般來說,只要恰當地選擇靜穩定性的大小,就能保證獲得良好的動穩定特性。限于本課程性質,下面主要介紹飛機的靜穩定性問題。
在研究平衡問題時,曾經把飛機的運動分成縱向運動和側向運動。同樣,飛機的靜穩定性也可分為縱向靜穩定性和側向靜穩定性。下面先討論飛機的縱向靜穩定性 •*)•
問題,然后再分析側向靜穩定性。
二、飛機的縱向靜穩定性
飛行中,當飛機受到微小擾動而偏離其縱向平衡狀態,并在擾動去除瞬間,飛機不經駕駛員操縱就具有自動地恢復到原來平衡狀態的趨勢,則稱飛機具有縱向靜穩定性。
飛機是否有靜穩定性,主要取決于飛機本身的特性,取決于飛機平衡狀態破壞后,飛機上產生的起穩定作用的力矩與起不穩定作用的力矩相互作用的結果。如果前者大于后者,飛機是靜穩定的,反之,便是靜不穩定的。因此要分析飛機縱向靜穩定性,就必須分析飛機各個部件由于擾動而使迎角改變后所引起的俯仰力矩變化。
當迎角改變時,機翼升力亦改變,但理論和實驗都指出,盡管升力大小隨迎角變化,而升力增量的作用點卻始終保持不變,這個升力增量的作用點,即為機翼的焦點。對目前常用的翼型來說,亞音速時焦點位于離翼型前緣大約( ")弦長的地方,而在超音速時則增加到(%& "&)。
同樣,當迎角改變時,機身、尾翼等所引起的升力增量亦作用在機身和尾翼的焦點上,如圖 ’ ( (所示。從該圖可看出,由于機翼、機身的焦點都在飛機重心的前面,因而升力增量對重心形成一個使機頭更加上仰的不穩定力矩,但水平尾冀焦點遠在重心之后,因此尾翼上的升力增量對重心形成的是使機頭下俯的穩定力矩,若后者大于前者,飛機是靜穩定的,反之,則是靜不穩定的。從這里看出,水平尾翼的重要作用之一在于保證飛機具有縱向靜穩定性。
圖 ’ ( ()飛機各部分的附加升力
上面談到,當迎角變化時,飛機各個部件的升力都要改變。飛機各個部件升力增量的合力的作用點,稱為飛機的焦點,換句話說,飛機焦點就是迎角變化而引起的整個飛機升力增量的作用點。機翼、機身、尾翼的焦點都不隨迎角改變,飛機的焦點也不隨迎角而改變。
飛機重心和飛機焦點之間的相互位置,決定了飛機是否具有縱向靜穩定性。若飛機重心位于焦點之前,如圖 ’ ( (*( +)所示,則在飛機受到外界擾動后,例如迎角 •-,•
增加了 ",那么在飛機的焦點上,就會產生一個向上的升力增量 飛機,它對飛機重心形成使機頭下俯的靜穩定力矩,使飛機具有逐漸消除 "而自動恢復到原來平衡迎角的趨勢,即飛機是靜穩定的。反之,若飛機重心位于其焦點之后,如圖愛 " %
(&)所示,升力增量對重心所形成的是不穩定的上仰力矩,使飛機迎角越來越大而沒有自動恢復到原來平衡迎角的趨勢,因此飛機是靜不穩定的。由此可以得出一個重要結論:飛機的重心若位于飛機焦點之前,飛機具有縱向靜穩定性,飛機重心位于焦點之后,則飛機便失去縱向靜穩定性。
圖 " %’重飛位置與靜穩定性的關系
低速飛行時,飛機的焦點是固定不變的,而飛機的重心位置卻因燃料的消耗、裝載的改變以及投彈等而發生移動。如果飛機重心原來位于飛機焦點之前,飛機是靜穩定的。但由于上述原因,飛機重心逐漸向后移動,靜穩定性逐漸降低。當重心后移到飛機焦點之后時,就產生了質的變化,原來靜穩定的飛機轉化為失去靜穩定性的飛機。這也是為什么對飛機重心變化范圍要有嚴格限制的原因。
三、飛機的航向靜穩定性
在飛行中,飛機受微小擾動而使航向平衡狀態遭到破壞,并在擾動消失瞬間,飛機能不經駕駛員操縱就有自動地恢復到原來航向平衡狀態的趨勢,則稱飛機具有航向靜穩定性。
飛機的航向靜穩定性主要由垂直尾翼來保證。例如飛機原來處于航向平衡狀態,由于外界擾動而使飛機偏離了原來的航向,產生了側滑角 ,如圖 " (所示。這時在垂直尾翼上便產生了側向力 ),該力對飛機重心形成消除側滑角 的航向靜穩定力矩,迫使飛機有自動恢復到原來 *+的航向平衡狀態的趨勢。也有人把它叫做“風標”靜穩定性的。
四、飛機的橫向靜穩定性
在飛行中,飛機受微小擾動而使橫向平衡狀態遭到破壞,并在擾動消失瞬間,飛機不經駕駛員操縱就。具有自動地恢復到原來橫向平衡狀態的趨勢,則稱飛機具有 •,+•
圖 " "%垂直尾翼與航向穩定
—垂直尾翼 %&—陣風 %’—附加力 % (—恢復力矩
)—飛機重心 %*—飛行速度
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