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大家好

我是岳奎志

本次课程为

飞机的纵向静稳定性

飞机稳定性

是指飞机在飞行中受到各种微小扰动

偏离基准运动后

能自动恢复原基准运动的特性

稳定性包含

静稳定性和动稳定性

静稳定性强调的是恢复趋势

与稳定力矩有关

动稳定性强调的是恢复过程

与阻尼力矩有关

静稳定性

又分为

纵向静稳定性和侧向静稳定性

纵向静稳定性又分为

迎角静稳定性和速度静稳定性

本次课将带您走进

飞机纵向静稳定性的世界

为您揭开迎角静稳定性

速度静稳定性神秘的面纱

为此

在讲本次课之初

先制定以下学习目标

目标一共分为

四条

1 分析迎角静稳定性

2 分析速度静稳定性

3 评价影响纵向静稳定性的因素

4 理解俯仰稳定力矩

在曲线飞行中的作用

当您明确本次课的学习目标之后

接下来要学什么内容

您就清楚了吧

在讲本次课主要内容之前

出一个小问题

来考察一下

您对飞机

纵向静稳定性知识点的认识储备情况

这个问题就是

迎角静稳定性

随迎角的变化规律是什么

如果您不清楚

没关系

通过本次课程

这个问题将得以解决

通过本次课程

刚才制定的学习目标

也将得以实现

我们首先分析飞机的迎角静稳定性

迎角静稳定性

也叫过载静稳定性

是指飞机在飞行中受到微小扰动时

迎角发生变化而速度不变

飞机上能够产生

俯仰稳定力矩

使飞机具有恢复原迎角的趋势

如果没有这种趋势

就称为迎角静不稳定

飞机在空中飞行时

来流速度为V

此时飞机的迎角如果

发生微小扰动 增加了△α之后

飞机将产生附加升力

附加升力主要有三部分组成

分别是

机身附加升力△Yb

机翼附加升力△Yw

平尾附加升力△Yt

这三个附加升力的合力

就是飞机的附加升力

飞机附加升力的作用点就是焦点

下面我们介绍一下

附加升力的作用效果

分三种情况

第一种情况就是

焦点在飞机重心之后时作用效果

此时的前提条件如下

飞机在空中进行

飞行

来流速度为V0

此时的初始迎角是α0

受微小扰动

自下而上的

微小扰动

气流是Vg

此时合成来流变为V

迎角变为α

增加了△α

此时 由于迎角增加

在飞机上将产生附加升力

该附加升力作用在焦点上

如果焦点在飞机重心之后时

该附加升力将围绕飞机重心

产生低头力矩

使飞机低头

迎角进而减小

飞机具有恢复原迎角的趋势

所以说

当焦点位于飞机重心之后时

飞机具有迎角静稳定性

下面再介绍第二种情况

第二种情况是焦点位于飞机重心之前

第二种情况的前提条件

与第一种情况是一样的

第二种情况

当飞机附加升力的作用点

位于

飞机重心之前时

此时

飞机

将产生抬头力矩

使迎角进一步增大

飞机没有恢复原迎角的趋势

所以此时

飞机不具有迎角静稳定性

也就是

当焦点位于飞机重心之前时

飞机不具有迎角静稳定性

下面再介绍第三种情况

第三种情况就是焦点和重心重合时

它的前提条件同第一种情况

当焦点和飞机重心重合时

飞机的附加升力

对重心将不产生俯仰力矩

此时飞机迎角既不增大也不减小

而维持在新的平衡状态

所以此时

飞机是中立稳定的

也就是说

当焦点和飞机重心重合时

飞机迎角具有中立稳定性

介绍完

飞机的

附加升力的作用效果之后

下面

再介绍迎角静稳定度

迎角静稳定度

用符号mzα

或mzCy来表示

其含义表示迎角变化1度时

俯仰力矩系数mz的变化量

迎角静稳定度的推导过程如下

迎角静稳定度推导过程

它是从

俯仰力矩系数的变化量来推导的

俯仰力矩系数的变化量ΔMz

它等于ΔY乘以Δx

经过推导 可以得出

迎角静稳定度

mzα等于负的Cyα

乘以括号xF一杠减去xG一杠

迎角静稳定度的另一种表达式

mzCy等于负的括号

xF一杠减去xG一杠

在这公式里边

其中Cyα是升力系数斜率

xF一杠是焦点相对位置

xG一杠是重心相对位置

飞机迎角静稳定度

mzCy

表达为负的

xF一杠减去xG一杠

迎角静稳定度

它可以通过

俯仰力矩系数随升力系数变化的

关系曲线来表示

如图所示

此图横坐标是升力系数

纵坐标是俯仰力矩系数

当迎角增大时

升力系数增大

此时

俯仰力矩系数为负值

为负值的时候

飞机是低头的

产生低头力矩

使迎角减小

使飞机具有恢复原迎角的趋势

所以 它具有迎角静稳定性

当迎角减小时

此时俯仰力矩系数为正

为正的时候

飞机将产生抬头力矩

使飞机的迎角增大

来恢复原迎角

所以

此时飞机也具有迎角静稳定性

在此图中

红色

直线的斜率就表示迎角静稳定度

当迎角静稳定度<0时

飞机具有迎角静稳定性

当迎角静稳定度>0时

飞机不具有迎角静稳定性

图中

蓝色虚线的斜率

它表示的迎角静稳定度就是大于0

此时 它不具有迎角静稳定性

飞机在空中飞行时

它要具有俯仰稳定力矩

才能够具有使飞机

恢复

原平衡的趋势

同时飞机也要有阻尼力矩

如果没有阻尼力矩

管有俯仰稳定力矩

那么飞机就会来回摆荡

而不能静止下来

所以 要有俯仰阻尼力矩

俯仰阻尼力矩就是飞机

在俯仰的时候

有一个俯仰角速度

那么 由于作用力与反作用力

空气对飞机将产生作用力

使飞机

阻碍转动

这一阻碍飞机转动的力

再乘以力臂

就是俯仰阻尼力矩

俯仰阻尼力矩

和飞机的平尾关系比较大

俯仰阻尼力矩

它取决于平尾的位置

以及

平尾的空气动力特性

如果平尾距离重心越远

那么 俯仰阻尼力矩就越大

平尾面积越大

它的

空气动力特性

产生的阻力也就越大

因此

俯仰阻尼力矩

它与

平尾

位置以及气动特性有关

在介绍完迎角静稳定性之后

下面再介绍速度静稳定性

速度静稳定性

是指飞机在飞行过程中

受到微小扰动

速度发生变化

进而迎角发生变化

但是 载荷因数

也就是法向过载不变的条件下

飞机具有恢复原

速度的趋势

如果具有这种趋势

它就具有速度静稳定性

如果没有这种趋势

它就不具有速度静稳定性

一般来说

M数在1附近

也就是跨音速阶段

飞机不具有速度静稳定性

在其它条件下

它具有速度静稳定性

下面 将从两个案例

来说明一下

飞机速度静稳定性

第一个 是飞机具有速度静稳定性

第二个

是飞机不具有速度静稳定性

首先说第一种情况

飞机

速度受到微小扰动

速度增大了

此时

要保持载荷因素不变

也就是法向过载不变

在这种情况下

它的迎角要减小

进而

升力系数要减小

此时

如果

升力系数减小了

那么

飞机将产生

附加升力

该附加升力是向下的

它的作用点是在焦点

当焦点在飞机重心之后时

将使飞机产生抬头的力矩

力图使飞机的迎角增大

力图使飞机的速度降下来

这时 飞机具有速度静稳定性

第二种情况

是飞机不具有速度静稳定性

此时情况如下

当飞机

速度受到微小扰动

变大了

此时要保持载荷因素不变

也就是法向过载不变

在这种情况下

迎角要减小

进而升力系数减小

飞机产生的附加升力依然是向下的

在这种情况下

如果焦点在飞机重心之前

此时飞机将产生低头力矩

低头力矩使飞机的迎角进一步减小

速度进一步增大

飞机没有恢复原速度的趋势

所以 在这种情况下

飞机不具有速度静稳定性

在介绍完迎角静稳定性

速度静稳定性之后

下面再分析一下

影响飞机纵向静稳定性的因素

因素一共有三个

第一个就是重心位置

当飞机重心移动时

比如说 向前移动时

飞机迎角静稳定性会变强

当飞机重心向后移动时

飞机的迎角静稳定性会变弱

第二个影响飞机

纵向静稳定性的因素是迎角

下图是飞机

俯仰力矩系数

随迎角变化关系曲线

在此图中

红色线段部分

它表示飞机当迎角小于抖动迎角时

飞机

它的

迎角静稳定度是

小于0的

此时飞机具有迎角静稳定性

而

蓝色

曲线部分

它是当飞机迎角大于抖动迎角时

此时飞机的迎角静稳定度

是不规律的

一会儿小于0

一会儿大于0

在这种情况下

飞机迎角静稳定性变弱

甚至变为迎角静不稳定

第三个

影响飞机

纵向静稳定性的因素

是

马赫数

下图表示的就是

焦点相对位置

随马赫数变化的关系曲线

在此图中

我们可以知道

当马赫数处于亚声速阶段的时候

焦点相对位置基本不变

飞机迎角静稳定度基本不变

飞机具有迎角静稳定性

在跨音速阶段的时候

焦点相对位置

随马赫数的增加而向后移

此时 飞机迎角静稳定度变强

迎角静稳定性变强

在超音速阶段

飞机

焦点相对位置随马赫数变化不大

此时 飞机迎角静稳定性比较强

下面我们再分析一下

俯仰稳定力矩在曲线飞行中的作用

以两个案例

讲一讲

第一个案例

就是飞机飞行轨迹向上弯曲时

俯仰稳定力矩的作用

用一句话来说

就是 “机头追气流”

怎样“机头追气流”呢

飞机在向前飞行的时候

同时它绕机体横轴转动

机头上仰

在机头上仰的时候

相对气流从上向下

此时 相对气流从上向下

再和原来的来流进行矢量合成

新的相对气流对飞机

迎角将变小

迎角变小之后

飞机具有迎角静稳定性

它具有俯仰稳定力矩

将使飞机机头上仰

迎角增大

机头上仰之后

飞机的飞行轨迹是向上弯曲的

在此过程中

飞机向前飞然后机头上仰

此过程就是

“机头追气流”

第二个案例

就是飞机飞行轨迹向下弯曲时

在此过程中

飞机

俯仰稳定力矩的作用

也是“机头追气流”

在此过程中

飞机一边向前飞

一边绕横轴转动

机头下俯

此时 由于机头向下

相对气流

作用力与反作用力的关系

相对气流就从下向上

此时

相对气流

和原来的来流进行矢量合成

新的合成气流使飞机的迎角变大

在此过程中

飞机产生的俯仰稳定力矩

将使飞机的迎角变小

飞机将低头

飞机在此过程中飞行的时候

就是“机头追气流”

讲到这里

本次课程即将结束

最后对本次课进行一下小结

本次课我们讲了飞机的迎角静稳定性

又讲了速度静稳定性

其中对迎角静稳定性讲的比较详细

然后

我们还分析了影响飞机

纵向静稳定性的因素

以及

分析了俯仰稳定力矩

在曲线飞行中的作用

也就是“机头追气流”

本次课程到此结束

谢谢