[科普中国]-航向静稳定性

静稳定性是指在外干扰停止作用的最初瞬间,鉴别运动参数变化的趋势。靠飞行器本身的气动特性使飞行器有恢复、远离以及既不恢复也不远离平衡位置的趋势,分别称为静稳定、静不稳定和静中立稳定。静稳定性还可分为:纵向静稳定性、航向静稳定性、横向静稳定性1。

航向静稳定性概念:设飞行器在平衡飞行状态下受到了短暂的非对称干扰,使飞行器产生了小量的侧滑,不加操纵,在干扰消失的瞬间,飞行器有消除侧滑的趋势,便称飞行器具有航向稳定性。

飞行器的静稳定性与机动性是一对矛盾,静稳定性越好,其机动性越差;反之,静稳定性越差(或静不稳定),飞行器的机动性越好。现代作战飞行器对机动性提出了越来越高的要求,这就使机动性与静稳定性之间的矛盾非常突出。在现代飞行器设计中,如果能通过可靠的飞行控制律来保证飞机的飞行性能,放宽航向静稳定性就可以获得可观的经济和战术性能方面的收益。而且由于无人机不存在人员的感受和安全问题,使得采用放宽航向静稳定性设计在无人机设计中有很大的应用前景。利用飞行控制系统对放宽航向静稳定性或静不稳定无人机进行静稳定性补偿,使补偿后无人机的静稳定性达到常规无人机的静稳定性要求,使采用放宽航向静稳定性甚至航向静不稳定的设计思想设计新型无人飞行器成为可能。

为保证飞机飞行中有足够的稳定性,在常规无人机的设计中,必须使无人机的焦点位于无人机重心后面一定距离,这样,当飞机受到扰动时,飞机本身就会产生恢复力矩(稳定力矩),使飞机趋于恢复原来的姿态,而不需其他操纵过程。不过,对稳定性的追求往往要牺牲飞机的操纵性。若稳定性太大则操纵费力,飞机不灵敏,机动性也差;若稳定性太小,飞机又过于灵敏,不容易控制杆位移量。如果在设计飞机时,使飞机在亚音速飞行中稳定裕量适中的话,那么飞机在超音速飞行中的稳定裕量就会显得过大,以致影响飞机的机动性。而且由于飞机焦点后移量大,其升力形成的下俯力矩就大,为了达到平衡,在平尾上就需要产生一个较大的向下的配平升力,由于平尾偏转角度有限,只有增加平尾面积才行,这又会导致飞机重量和配平阻力的增加2。

如果放宽了飞机的静稳定性,就不会出现这样的问题。因为这种飞机在亚音速飞行中,飞机的焦点位于飞机重心之前,从而加大了飞机的不稳定性,在近音速飞行中,飞机的焦点与飞机重心相距很近,处于接近稳定状态,即中立稳定状态;而在超音速飞行中,飞机焦点虽然移至飞机重心后面,但两者距离不会太大,即可将稳定裕量大大降低,从而显著改善飞机的机动性能。

航向失稳时，通常的航向控制面( 舵面) 如垂尾已处于低能的翼身涡尾流中，效率丧失。而提高垂尾效率，只能通过改变飞机翼身分离流动得以实现。近年来，由于飞行器大迎角亚、跨声速飞行的机动性要求，在其气动设计思想上，已经从以前的避免或推迟气动分离而转为利用和控制气动分离，鸭翼、边条翼布局和前体涡控制技术就是利用旋涡空气动力的典型方法3。