2飛機橫航向平衡和靜穩(wěn)定性和操操縱

1、本節(jié)內(nèi)容,1、橫側向運動的定義2、典型的橫側向運動時飛機上的橫側向氣動力和力矩（定常直線側滑和定常盤旋）3、橫航向靜穩(wěn)定性及橫航向靜穩(wěn)定導數(shù)4、如何操縱飛機實現(xiàn)橫側力與力矩的平衡,飛機橫側運動的基本概念,橫向運動（滾轉運動）；航向運動；側滑；三者之一或其組合統(tǒng)稱為橫側運動。,非對稱的飛行運動，稱為橫側運動，或橫航向運動。,側滑,側滑角：飛行速度矢量和縱向對稱面的夾角：β；當Vy為正時，側滑角為正。即右側滑為正。,,圖:飛

2、機著陸的側滑飛行,,V,,繞OX軸的運動稱為橫向運動或滾轉運動；繞OZ軸的運動稱為航向運動凡出現(xiàn)側滑、橫向或航向運動這三者之一，或其組合統(tǒng)稱為橫側運動。典型的橫側運動： －定常直線側滑飛行 －定常曲線飛行,橫向運動和航向運動,,,L,N,圖: 機體坐標系,舵面偏角和操縱位移正負的定義,平尾演示,飛機的方向平衡與偏航力矩,方向平衡：偏航力矩的平衡。 ∑N=0 方向不平衡，即偏航

3、力矩不為零的原因：1）左右機翼阻力不對稱2）左右發(fā)動機推力不對稱 或者推力線偏斜 3）垂直尾翼不對稱 4）飛行員操縱副翼或者方向舵,副翼,飛機的橫向平衡與橫滾力矩,橫向平衡：橫滾力矩的平衡。 ∑L=0 γ=0橫向不平衡的原因：1）左右機翼升力不相等或到飛機對稱面的距離不相等2）左右平尾升力不相等或到飛機對稱面的距離不相等,靜穩(wěn)定力矩,縱向定常直線飛行中，β=0，氣流對稱流

4、過飛機，所以不產(chǎn)生側力和橫側力矩。定常側滑直線飛行中，飛機上同時作用有側力、滾轉力矩和偏航力矩。偏航力矩和滾轉力矩隨β的變化規(guī)律，可以通過吹風實驗得出，或者采用工程估算求得。,Y:側力 L:滾轉力矩N:偏航力矩,,Z,圖:風洞實驗確定側力和橫側力矩,,V,1定常直線側滑飛行，作用在飛機上的側力、橫側力矩,定常側滑直線飛行中，飛機上同時作用有側力、滾轉力矩和偏航力矩，力和力矩系數(shù)與β成線性關系。,1）側力,側力導數(shù)：,側力系數(shù)：

5、,側力系數(shù)隨側滑角變化曲線,線性、對原點成反對稱原點處為平衡狀態(tài)，做對稱定直飛行,2）滾轉力矩,橫向靜穩(wěn)定導數(shù)：,圖:滾轉力系數(shù)隨側滑角變化曲線,由側滑角引起的滾轉力矩稱為滾轉靜穩(wěn)定力矩,滾轉力矩系數(shù),3）偏航力矩,航向靜穩(wěn)定導數(shù)：,偏航力矩系數(shù)：,由側滑角引起的偏航力矩稱為偏航靜穩(wěn)定力矩,圖:偏航力系數(shù)隨側滑角變化曲線,,Cl 隨β變化曲線的斜率稱為橫向靜穩(wěn)定導數(shù)， Cn 隨β變化曲線的斜率稱為航向靜穩(wěn)定導數(shù)。,,飛機橫航向

6、靜穩(wěn)定性,課堂設計,航向靜穩(wěn)定性定義條件影響因素,橫向靜穩(wěn)定性定義條件,飛機橫航向靜穩(wěn)定性,橫航向靜穩(wěn)定性：飛機受到擾動偏離橫航向平衡狀態(tài)產(chǎn)生側滑或傾斜時，在擾動消失瞬間飛機自動恢復原平衡狀態(tài)的趨勢。反映飛機在平衡（對稱定直飛行）狀態(tài)附近的偏航力矩和滾轉力矩特性。,橫向靜穩(wěn)定性:,Δ ? ?0,,,Δ ?> 0,,Gsin Δ ?,,,,橫向靜穩(wěn)定性：飛機受到擾動偏離原橫向平衡狀態(tài)產(chǎn)生坡度，在擾動消失瞬間飛機自動恢

7、復原橫向平衡的趨勢。,橫向靜穩(wěn)定性判據(jù),,,Z,Y,橫向靜穩(wěn)定導數(shù)：,,,,,,V,航向靜穩(wěn)定性,飛機能自動改變機頭指向消除側滑,稱為航向靜穩(wěn)定性,Δ β=0 ,ΔN=0,,,,,航向靜穩(wěn)定性：飛機受到擾動偏離原方向平衡狀態(tài)產(chǎn)生側滑角，在擾動消失瞬間飛機自動恢復原平衡狀態(tài)的趨勢。,,航向靜穩(wěn)定導數(shù)：,航向靜穩(wěn)定性判據(jù),,,,,,,,,Cl 隨β變化曲線的斜率稱為橫向靜穩(wěn)定導數(shù)， Cn 隨β變化曲線的斜率稱為航向靜穩(wěn)定導數(shù)。靜穩(wěn)定判據(jù),

8、結論,機身,機翼,定直側滑引起的側力與橫航向力矩,,翼端,機翼上反,垂尾,翼身干擾,結論與分析,機翼后掠,,機身作用,?>0,,,,?>0:,,,,— 機身為航向靜不穩(wěn)部件(正常重心情況),,機翼后掠作用,,?>0,,,Vn右> Vn左,,機翼后掠產(chǎn)生橫向和航向靜穩(wěn)定作用。但后掠角一般由升阻要求決定。,,翼端的作用,,?>0,,Vsin ?? V ?,,,機翼迎風一側的直邊緣變成了前緣，另一側變成了后

9、緣。迎風直邊緣上部存在側緣吸力，升力增加。,翼端的作用,— 機翼翼端增加橫向靜穩(wěn)定性。但翼端形狀一般由升阻要求決定。,,?>0,,Vsin ?? V ?,,,機翼上反作用,Vsin ?? V ?,,,— 機翼上反產(chǎn)生橫向和航向靜穩(wěn)定作用。一般通過調(diào)節(jié)上反角改變,,垂尾作用,,?>0,,,,,,主要的航向靜穩(wěn)定部件。一般通過調(diào)節(jié)垂尾容積改變,翼身干擾,對于上單翼和高平尾，?>0:,,,,,V,,,,,,,,,C

10、l 隨β變化曲線的斜率稱為橫向靜穩(wěn)定導數(shù)， Cn 隨β變化曲線的斜率稱為航向靜穩(wěn)定導數(shù)。靜穩(wěn)定判據(jù),結論,分析與結論,,定常側滑直線飛行中，機身和垂直尾翼產(chǎn)生側力。,全機的滾轉力矩,機翼的滾轉力矩主要由上反角、后掠角、和翼端形狀這三個因素產(chǎn)生原因：側滑氣流使得左右機翼有效迎角和速度不等，引起左右機翼升力阻力差。,,全機的橫向靜穩(wěn)定導數(shù),翼端：靜穩(wěn)定上反角：靜穩(wěn)定后掠角：靜穩(wěn)定,垂尾：靜穩(wěn)定翼身干擾：上單翼靜穩(wěn)定,大后掠飛機在大

11、迎角飛行時，橫向靜穩(wěn)定性過大，往往采用下反機翼布局來改善。下單翼氣動布局的飛機常采用較大上反角來。,全機的偏航力矩,,機翼上反和后掠產(chǎn)生航向靜穩(wěn)定作用機身起靜不穩(wěn)定的作用垂尾是產(chǎn)生航向靜穩(wěn)定的主要部件,超聲速飛機常采用增大垂尾面積，甚至采用雙垂尾來提供必需的航向靜穩(wěn)定性,思考題,飛機具有航向靜穩(wěn)定性是否意味著飛機具有保持航向不變的特性？機翼上反角和后掠角對飛機橫向靜穩(wěn)定性有何影響？ 如何從（俯仰、橫向、航向）力矩系數(shù)曲線判斷該

12、飛機是否具有靜穩(wěn)定性及大??？,定常直線側滑的橫側向操縱力矩,橫側向操縱機構主要有副翼、方向舵和推力矢量等。由副翼偏轉引起的橫向力矩稱為滾轉操縱力矩。由方向舵偏轉引起的偏航力矩稱為偏航操縱力矩。,,滾轉操縱力矩,副翼對稱地安裝在機翼外段后緣的兩個活動操縱面駕駛員左右壓駕駛桿可使左右副翼反向等角度，即反對稱偏轉。,左壓桿時左副翼上偏（右副翼下偏）左壓桿規(guī)定為正右壓桿時情況相反,偏轉副翼產(chǎn)生滾轉操縱力矩,,,,,,,,,,偏轉副翼產(chǎn)

13、生的滾轉力矩,則:,設:,,,,副翼操縱導數(shù)副翼操縱效能,副翼偏轉對滾轉力矩曲線的影響,左壓桿,,副翼偏轉（+）產(chǎn)生左滾轉操縱力矩的同時，還產(chǎn)生右偏航力矩，形成左側滑（β0)將會降低副翼的操縱效果。故該偏航力矩稱為副翼的不利偏航。副翼偏轉產(chǎn)生的偏航力矩遠小于滾轉力矩。,副翼不利偏航現(xiàn)象,副翼不利偏航現(xiàn)象,左壓桿,1.采用差動副翼使上偏副翼的偏角大于下偏副翼的偏角，用增大型阻去平衡增大的升致阻力，削弱不利偏航力矩。此時估算副翼操

14、縱效能時，副翼偏角取其平均值。2.在機翼上表面安裝擾流片隨副翼上偏的一側擾流片自動打開，增加阻力，達到與差動副翼同樣的效果。。,解決辦法：差動副翼向下偏角<向上偏角,副翼不利偏航現(xiàn)象的解決措施,,偏航操縱力矩,方向舵是裝在垂尾后緣的活動翼面。駕駛員蹬腳蹬，可使方向舵左右偏轉。左腳蹬前移時，方向舵后緣左偏，規(guī)定為正。右腳蹬前移時，方向舵后緣右偏，規(guī)定為負。,蹬左舵為正方向舵左偏為正,偏轉方向舵產(chǎn)生的偏航力矩

15、,方向舵操縱效率：,,偏轉方向舵產(chǎn)生的偏航力矩,,方向舵操縱效能以產(chǎn)生偏航操縱為主。現(xiàn)代飛機在大迎角飛行時，方向舵操縱效能大大降低，目前利用發(fā)動機噴管左右偏轉，實現(xiàn)推力矢量控制，來補充方向舵操縱效能的不足。,結論：,偏轉副翼主要產(chǎn)生滾轉力矩，可采用差動副翼或安裝擾流片減小偏航力矩。偏轉方向舵主要產(chǎn)生偏航力矩，也有滾轉力矩定常直線側滑的力矩模型：,+,—,+,—,+,—,舵面偏角和操縱位移正負的定義,,,,靜穩(wěn)定導數(shù)及判據(jù),,,飛機

16、做側滑飛行時，會引起阻力的增大，所以正常情況下飛行器保持對稱飛行。側風著陸、不對稱動力飛行時，往往要求側滑飛行。,定常直線側滑飛行時飛行器的平衡和靜操縱,特殊情況需主動帶側滑飛行：側風起落、非對稱推力等,側滑產(chǎn)生側力、橫航向力矩，將由舵偏力矩及傾斜飛機獲得重力在側向的分量，從而得到平衡。,定常直線側滑飛行時飛行器的平衡,側力平衡方程：,,滾轉力矩平衡方程：,偏航力矩平衡方程：,定常直線側滑飛行時飛行器的平衡,側力平衡方程：,,滾轉力矩

17、平衡方程：,偏航力矩平衡方程：,,系數(shù)形式,,定常直線側滑飛行時飛行器的平衡,,,平衡方程,在氣動導數(shù)已知的情況下，上式包含四個參數(shù)，若給定側滑角β,均與β成正比,定常直線側滑飛行時飛行器的平衡,在定直側滑飛行中，所需副翼和方向舵平衡偏角，以及飛行器的滾轉角均與β成正比。橫側向操縱平衡曲線,橫側平衡曲線,定常直線側滑飛行時，為保證橫側力和力矩平衡，所需的副翼偏角和方向舵偏角隨側滑角（或滾轉角）的變化。,飛行品質規(guī)范規(guī)定：蹬左舵應該產(chǎn)

18、生右側滑左壓副翼產(chǎn)生左側滑，右滾轉增加隨之右側滑增加等。,這些要求可用靜操縱性指標來表示,靜穩(wěn)定性與靜操縱性的關系,,此項一般飛行中均能滿足。,航向應靜穩(wěn)定,橫向靜穩(wěn)定性還要滿足,定常直線側滑飛行時飛行器的平衡,若給定滾轉角ф,橫側平衡曲線,定常直線側滑飛行時，為保證橫側力和力矩平衡，所需的升降舵偏角和方向舵偏角隨側滑角（或滾轉角）的變化。,,側風著陸,飛機著陸時如遇相對跑道方向側風，為使機頭對準跑道，往往需要飛機帶側滑和傾斜的飛行

19、。以垂直跑道右側風為例：風速為Vw飛機對地速度為V則側滑角應為,側風著陸,例：P272,,通常著陸時地速較小，因此對應一定的風速，側滑角較大，相應的副翼和方向舵偏角較大。但偏角受飛機結構和氣動的限制，副翼不超過正負200,方向舵不超過正負300。,定常直線側滑飛行時飛行器的平衡和靜操縱,規(guī)范規(guī)定：當垂直側風風速w?10m/s時，橫側操縱效能應保證用側滑修正側風進行著陸 。,不對稱推力飛行,+,,P74,規(guī)范規(guī)定：出現(xiàn)非對

20、稱推力及相應的偏航力矩，飛機應能定直飛行。,蹬舵反傾斜現(xiàn)象,品質規(guī)范規(guī)定 ：能單獨利用方向舵操縱使飛機按應有的方向改變其傾斜姿態(tài)， 左蹬舵(δr>0)－左偏航－左滾轉. 蹬右舵，飛機向右滾轉。如果蹬舵后的效果與應有的滾轉方向相反，便出現(xiàn)了“蹬舵反傾斜現(xiàn)象”。,蹬舵反傾斜現(xiàn)象的原因,β>0,Clβ<0,蹬舵反傾斜：左蹬舵－左偏航－右滾轉,品質規(guī)范 ：左蹬舵－左偏航－左滾轉,橫向靜穩(wěn)定性不足,定常曲線飛行

21、中，作用在飛機上的橫側力矩及其平衡,橫側向運動中，出現(xiàn)滾轉角速度p和偏航角速度r時，也會引起擾流不對稱，產(chǎn)生左右不對稱的氣動力。由p引起的橫向力矩稱為橫向阻尼力矩，阻止飛行器滾轉。由r引起的偏航力矩稱為航向阻尼力矩，阻止飛行器偏航轉動。由于橫向和航向氣動力的交感作用，滾轉會引起偏航力矩，偏航會引起滾轉力矩，這些相關的力矩稱為交感力矩。,阻尼力矩和交感力矩,,滾轉角速度p引起的橫側力矩：,,,,,,p,滾轉阻尼力矩,產(chǎn)生滾轉阻尼力矩

22、的部件有機翼、平尾和垂尾。機翼是主要的。飛機以正的p滾轉時，右機翼有效迎角增大，升力增加，左翼有效迎角減小，升力減小，產(chǎn)生負的滾轉力矩。平尾和垂尾也產(chǎn)生滾轉阻尼力矩。,,滾轉角速度p引起的橫側力矩：,,,,,滾轉角速度 無量綱化,滾轉阻尼導數(shù)，主要由機翼產(chǎn)生，其次是垂尾及平尾,偏航交感導數(shù)，小導數(shù)，主要由機翼及垂尾產(chǎn)生,,p,滾轉阻尼力矩,偏航角速度r引起的橫側力矩：,垂尾是產(chǎn)生偏航阻尼力矩的主要部件。r（+）

23、 Y（+) N(-) 機翼也會產(chǎn)生小部分。r（+） V 左翼> V 右翼D 左翼> D 右翼 N(-),,,,,偏航阻尼力矩,r,左半翼速度增加,橫向交叉力矩,,,,,偏航角速度r引起的橫側力矩：,滾轉交感力矩主要右機翼和垂尾引起垂尾r（+） Y（+) L(+) 機翼r（+） V 左翼> V 右翼L 左翼>

24、; L 右翼 L(+),,,,,偏航阻尼力矩,r,左半翼速度增加,橫向交叉力矩,,,,,偏航角速度r引起的橫側力矩：,偏航角速度 無量綱化,偏航阻尼，主要由垂尾產(chǎn)生，其次是機翼,滾轉交感，小導數(shù)。主要由機翼及垂尾產(chǎn)生。,,,,,偏航阻尼力矩,r,左半翼速度增加,橫向交叉力矩,,,偏航交感,滾轉交感,,全機橫航向氣動力模型,定常曲線飛行時飛機的平衡（帶側滑）,定常曲線飛行力矩表達式＝

25、定常直線側滑飛行力矩＋旋轉產(chǎn)生的附加力矩,定常曲線力矩表達式：,定常曲線飛行時的附加力矩及其平衡：,,,穩(wěn)定橫滾,穩(wěn)定滾轉常用來衡量副翼的滾轉操縱效能。當副翼突然偏轉時，飛機將從p=0開始加速滾轉，如果不考慮副翼偏轉引起的側滑和偏航運動，飛機將繼續(xù)不停加速滾轉，直到p產(chǎn)生的阻尼力矩=副翼操縱力矩，飛機才等速穩(wěn)定滾轉。穩(wěn)定滾轉實際上是限定側滑角和偏航角速度為0，僅考慮滾轉自由度的定常運動，是一種假想的機動動作。,規(guī)范要求：1秒內(nèi)能滾

26、過一定坡度角。,穩(wěn)定橫滾,,,規(guī)范要求：1秒內(nèi)能滾過一定坡度角。,可以用滾轉角速度衡量副翼操縱效能。,,,一定的副翼偏角對應一定的滾轉角速度,副翼的操縱本質不同于升降舵和方向舵。副翼屬于角速度操縱升降舵和方向舵屬于角位移操縱，一定的升降舵偏角對應一定的迎角，一定的方向舵偏角對應一定的側滑角。,當飛機以角速度Ω做右正常盤旋時，其角速度矢量垂直向下，在體軸系的角度分量為：,正常盤旋（側滑角為０）,盤旋角速度,正常盤旋（側滑角為０）,,,

27、把p/q/r表示為過載的函數(shù),由q、r及Δn＝n-1引起的附加氣動力矩系數(shù)為,附加滾轉力矩系數(shù)：附加偏航力矩系數(shù)：附加升力：,通過操縱舵面平衡：,通過操縱舵面平衡：,盤旋附加舵偏角,小結,舵偏角和操縱位移的正負是如何規(guī)定的？橫側運動中，同時產(chǎn)生橫航向的力和力矩橫向靜穩(wěn)定性主要由機翼上反角、后掠角和垂直尾翼產(chǎn)生航向靜穩(wěn)定性主要有垂尾產(chǎn)生定常曲線運動中，存在阻尼力矩和交感力矩橫側力和力矩通過協(xié)調(diào)偏轉副翼和方向舵平衡；飛機應具

28、有適當?shù)臋M航向靜穩(wěn)定性。,思考題,飛機產(chǎn)生側滑的兩種主要原因？什么叫飛機的橫向靜穩(wěn)定性？航向靜穩(wěn)定性？縱向靜穩(wěn)定性？如何從俯仰，橫向，航向力矩系數(shù)曲線判斷飛機是否具有靜穩(wěn)定性及其大?。匡w機的航向靜穩(wěn)定力矩由垂直尾翼產(chǎn)生，與機翼的后掠角，上反角無關，對嗎？飛機水平尾翼的作用是什么？,,副翼的不利偏航現(xiàn)象？如何改善？如果一架飛機蹬左舵，飛機右滾轉，這是什么現(xiàn)象？原因？左壓桿后，飛機向左滾轉出現(xiàn)左傾斜，不蹬舵飛機也能向左轉彎，這是

29、什么力矩使飛機向左偏轉？如何操縱方向舵，副翼和升降舵使飛機繞相應的軸轉動？上反角具有橫向靜穩(wěn)定性的原因？飛行中，只蹬左舵，飛機會向 滾轉飛行中，只向左壓桿，飛機會向 偏轉。左壓桿時，右副翼后緣 ，右翼升力？阻力？產(chǎn)生？滾轉力矩？推桿時，升降舵如何偏轉？產(chǎn)生繞？軸？俯仰力矩？飛機迎角如何變化？方向舵 ？,,具有縱向靜穩(wěn)定性的飛機，飛機重心應位于焦點之？飛機焦點位于重心之后越遠，飛機

30、的縱向靜穩(wěn)定性越？飛機的焦點是？飛行器質心前后限受什么要求限制？,,指出下圖的平飛反操縱區(qū)？,寫出飛機做曲線飛行時俯仰力矩、滾轉力矩和偏航力矩平衡方程。,1. 下圖是某飛機的縱向平衡曲線，試分析該飛機的縱向靜穩(wěn)定性，并分析從a到b飛行員應如何操縱，由此說明縱向靜穩(wěn)定性和靜操縱性的關系,橫、航向靜穩(wěn)定性　　　　及飛機各部件的影響,曲線運動產(chǎn)生的附加橫航向力矩及導數(shù),復習：本章主要內(nèi)容,定直側滑飛行的平衡,正常盤旋飛行的平衡,,氣動導數(shù)