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大家好

我是岳奎志

本次课程为

飞机的动稳定性

飞机的动稳定性

是指飞机受到扰动后

运动过程的特性

飞机的动稳定性

包括纵向动稳定性

和侧向动稳定性

本次课带您走进

飞机

动稳定性的世界

在讲上本次课之初

先制定以下学习目标

一共分为四条

1

概述动稳定性

2 分析飞机纵向动稳定性

3 分析飞机侧向动稳定性

4 分析飞机的轨迹稳定性

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

考察一下您对飞机

动稳定性知识点的认知储备情况

这个问题就是

飞机

在纵向平衡恢复过程中

两个周期模态是什么

如果您不清楚

没关系

通过本次课

这个问题将得以解决

通过本次课

刚才制定的学习目标

也将得以实现

认识飞机的动稳定性

首先要了解一下基本概念

什么是动稳定性呢

动稳定性是指

研究飞机受到扰动后

运动过程的特性

由稳定力矩和阻尼力矩共同决定

动稳定性强调的是运动过程

与动稳定性相对应的是静稳定性

静稳定性

是指研究飞机受到扰动后

恢复原平衡状态的运动趋势

由稳定力矩决定

静稳定性强调的是运动趋势

静稳定性是动稳定性的基础和前提

举例说明一下

此图横坐标是时间t

纵坐标是迎角增量

表示迎角增量随时间变化的过程

其中 曲线1表示

逐渐收敛

它反应

迎角增量具有静稳定性

同时也具有动稳定性

曲线1具有非周期收敛特性

曲线2

表示逐渐发散

曲线2表示

迎角增量具有静不稳定性

也具有动不稳定性

曲线2具有非周期发散特性

曲线3表示振荡收敛

迎角增量

具有静稳定性

也具有动稳定性

曲线3具有周期收敛特性

曲线4表示振荡发散

迎角增量具有静稳定性

但是不具有动稳定性

是动不稳定的

曲线4具有周期发散特性

介绍完飞机的动稳定性基本概念之后

下面介绍一下参数指标

常见的参数指标有3个

动稳定性的参数指标之一就是

变幅时间

收敛时用半衰期t1/2表示

表示振幅衰减一半时

所用的时间

发散时用倍幅时间t2表示

表示振幅增加到原来两倍

所用的时间

动稳定性的参数指标之二就是

摆动周期

摆动周期就是摆动一周所用的时间

用符号T表示

T等于2π除以ωd

动稳定性的参数指标之三是振荡次数

半衰期振荡次数是在半衰期时间

t1/2内

扰动运动的振荡次数

倍幅振荡次数N2

是在倍幅时间t2内

扰动运动的振荡次数

这三个参数指标适用于

迎角增量 速度增量和俯仰角增量

在介绍完

飞机

动稳定性基本概念和参数指标之后

下面介绍飞机纵向动稳定性

实践表明

纵向平衡恢复过程具有如下特点

当飞机纵向受到扰动后

迎角和速度同时发生变化

在初期

迎角变化快

而速度变化慢

飞机若有稳定性

迎角能在很短时间内

恢复原值

而速度变化时间较长

且伴有轨迹起伏

飞机在纵向

平衡恢复过程中

常见的模态有两种

一种是短周期模态

一种是长周期模态

短周期模态

就是摆动周期时间稍微短一些

长周期模态

就是摆动周期时间长一些

何为长 何为短呢

是相对而言的

一般的时间大于55秒

它是长周期模态

小于55秒

以下的 一般是短周期模态

飞机在纵向平衡恢复过程中

迎角为短周期模态

速度为长周期模态

为什么是这样呢

具体解释一下

迎角为短周期模态是因为

飞机一般具有较强的迎角静稳定性

和俯仰阻尼

飞机受扰动后

不平衡力距较小

质量大

迎角能在几秒内恢复原值

所以 迎角为短周期模态

速度为长周期模态是因为

加速度小

轨迹和速度变化时间短

所以

速度为长周期模态

飞行员比较关心的是短周期模态

飞机的短周期对飞行影响较大

飞行员非常关心

飞机的短周期响应必须满足

飞行的要求

迎角恢复过程

一般是在最初阶段

属于短周期模态

迎角的恢复过程

是恢复飞机纵向力矩平衡的过程

而速度恢复过程

是在后续阶段

一般是长周期模态

速度恢复过程

是恢复飞机纵向力的平衡过程

飞机的两个周期模态

都要满足纵向品质指标要求

长周期模态

正常时要求有正阻尼比

特殊时要求倍幅时间长

短周期模态

不同飞行阶段有不同的要求

具体视情况而定

介绍完飞机的纵向动稳定性之后

下面再介绍飞机的侧向动稳定性

实际飞行中

方向和横侧

两个方面是相互影响不可分割的

受扰动 侧向平衡破坏

即出现侧滑后恢复过程

是在两个稳定力矩

两个阻尼力矩共同作用下

逐步恢复过程

两个稳定力矩

就是方向稳定力矩和横侧稳定力矩

两个阻尼力矩

就是方向阻尼力矩和横侧阻尼力矩

侧向阻尼力矩就包括

方向阻尼力矩和横侧阻尼力矩

方向阻尼力矩主要是由垂尾产生的

而横侧阻尼力矩主要是由

机翼产生的

下面介绍一下

这两种阻尼力矩

首先介绍一下方向阻尼力矩

飞机在空中飞行

如果受到扰动

它产生方向偏转 例如

有右偏角速度

此时飞机机头向右偏

垂尾就会向左偏

由于作用力与反作用力

作用在垂尾上边就会产生向右的侧力

该侧力绕飞机重心

就会产生一力矩

这一力矩就是方向阻尼力矩

阻碍飞机方向偏转

这就是方向阻尼力矩

接下来再介绍侧向阻尼力矩之二

横侧阻尼力矩

横侧阻尼力矩

是指飞机在空中飞行时

如果受到扰动

产生滚转

比如说 有向左滚转的角速度

此时

作用在机翼上边会有力

由于作用力与反作用力

那么

气流作用在机翼上的力

就会阻碍飞机

滚转

这种力

对飞机重心就会形成一力矩

这就是横侧阻尼力矩

飞机的侧向动稳定性

是在稳定力矩和阻尼力矩

共同作用下产生的特性

飞机侧向平衡时

它恢复有什么特点呢

恢复过程

常见的模态有三种

分别是

滚转 滚偏和盘降

滚转 一般是在开始阶段比较明显

表现为飞机滚转响应

滚偏 又称飘摆

或者叫荷兰滚

一般在中间阶段明显

表现为飞机又滚又偏

并逐渐收敛

盘降

最后阶段明显

表现为飞机盘旋下降

收敛和发散都很慢

滚转 一般是在开始阶段

这是表现飞机滚转响应

而滚偏呢

当横侧稳定性过强

而方向稳定性过弱时

飞机容易产生滚偏

举例说明一下

飞机受扰动产生左坡度

飞机产生左坡度时

飞机会向左有一个滚转

那么 此时 在升力和重力作用下

飞机一边向前飞

一边向左移动

那么 此时

相对气流就会从左侧吹来

飞机产生左侧滑

此时 横侧稳定性过强

也就是机翼产生的横侧稳定性过强

那么此时

飞机

会向右滚

也就是迅速改平坡度

另外

飞机的方向稳定性较弱

方向稳定性主要是由垂尾产生的

方向稳定性较弱

那么 机头追气流就比较慢

左偏速度慢

未等左侧滑消除

飞机又会带

右坡度

进而飞机就会带右侧滑

那么 飞机就会这样

向前飞 这就是荷兰滚

介绍完滚偏的产生机理之后

下面请大家看一看

滚偏的视频

滚偏 也就是荷兰滚

请大家

欣赏一下荷兰滚视频

滚偏的危害很大

滚偏振荡周期只有几秒

修正滚偏超出了人的反应能力

修正过程中极易造成推波助澜

加大滚偏

正常情况下

滚偏的半衰期很短

但当方向稳定性

和横侧稳定性不协调时

易使滚偏半衰期延长甚至不稳定

严重危及飞机的安全

为了克服滚偏危害

飞机在设计时

加装了滚偏阻尼器

介绍完滚转滚偏之后

再介绍第三种模态就是 盘降

如果飞机的横侧稳定性较弱

而方向稳定性较强

则飞机可能会出现偏转发散

自动盘降

介绍完飞机的侧向动稳定性之后

下面再介绍一下飞机的轨迹稳定性

什么是飞机的轨迹稳定性呢

飞机的轨迹稳定性

是一种闭环条件下的稳定性

是指飞机受扰动后

飞行员不改变油门

而只改变平尾

或者升降舵

来保持预定飞行轨迹的稳定性

实际飞行一般是人与飞机构成的

人机闭合回路

飞机在什么情况下

具有轨迹稳定性能呢

当飞机飞行速度大于有利速度时

飞机具有轨迹稳定性

当飞机飞行速度小于有利速度时

飞机不具有轨迹稳定性

详细分析一下

在大于有利速度飞行时

飞机具有轨迹稳定性

飞行员只用杆即可改变飞机的航迹角

而飞机的飞行速度不发散

在小于有利速度飞行时

飞机不具有轨迹稳定性

飞行员必须用杆和油门操纵

才能保持和改变飞机的姿态

举例说明一下

当飞机飞行速度小于有利速度时

飞机轨迹不稳定

例如 飞机在下滑时

当

飞机高度偏低

此时飞行员

如果向后拉杆

平尾后缘会向上偏

平尾会产生一向下附加升力

该附加升力绕飞机重心

将产生一抬头力矩

飞机抬头 迎角增大

飞机迎角增大之后

飞机升力会增大

升力大于重力时

飞机会上升一点

飞机迎角增大

同时会带来飞机的阻力增大

当飞机阻力大于飞机的推力时

飞机会减速

在下降的时候 飞机会减速

当飞机的速度小于有利速度时

也就是在第二速度范围内

飞机速度越小

它的阻力越大

飞机

速度越小 阻力越大

飞机会急剧减速

速度根本就稳定不下来

所以

飞机速度不具有稳定性

飞机速度当不具有稳定性时

那么飞行员向后拉杆

飞机迎角会变大

速度会减小

最终 飞机在下滑时

会

掉高度

而且急剧掉高度

失速 直至坠毁

也就是

飞机飞行速度小于有利速度时

飞机的轨迹

不稳定

当飞机的飞行速度大于有利速度时

飞机又具有轨迹稳定性

其原因是什么呢

举例说明一下

飞机

在下滑时

如果高度偏低

此时飞行员

向后拉杆

平尾后缘上偏

产生一

向下的附加升力

该附加升力绕飞机重心

将产生一抬头力矩

飞机迎角增大

迎角增大 飞机的升力增大

升力大于重力时 飞机会上升

此时

飞机迎角增大时它的阻力也会增大

但是

当飞机速度大于有利速度时

也就是在第一速度范围内

飞机阻力增大了

飞机会减速

飞机速度减小了飞机的阻力也会变小

此时 油门没动

那么它会有剩余推力

飞机速度又会变大

这样

飞机速度就会稳定在

一个新的平衡状态

飞机速度具有稳定性

因此 飞机的轨迹也就具有稳定性

刚才举的例子

里边的速度 迎角变化规律

如图所示

当飞机速度小于有利速度时

飞机的速度

是发散的

飞机的迎角也是发散的

此时飞机轨迹不稳定

当飞机速度大于有利速度时

如果受到扰动

飞机的

速度是振荡收敛的

飞机的迎角也是振荡收敛的

飞机速度具有稳定性

飞机迎角也具有稳定性

此时 飞机轨迹稳定

总结一下

当飞机要想使

具有轨迹稳定性

那么 飞机的速度就得大于有利速度

要使飞机

轨迹不稳定

此时

飞行速度要小于有利速度

讲到这里

本次课程即将结束

最后 对本次课程进行一下小结

本次课我们讲了飞机的动稳定性概念

又讲了飞机的纵向动稳定性

和侧向动稳定性

还分析了飞机的轨迹稳定性

本次课程到此结束

谢谢