[科普中国]-俯仰稳定性

原理

飞机的俯仰稳定性，指的是飞行中，飞机受微小扰动以致俯仰平衡遭到破坏，在扰动消失后，飞机自动趋向恢复原平衡状态的特性。

在飞行过程中，作用于飞机的俯仰力矩主要是机翼力矩和水平尾翼力矩。当飞机的迎角发生变化时，在机翼和尾翼上都会产生一定的附加升力，这个附加升力的合力作用点称为飞机的焦点。当飞机受到扰动而机头上仰时，机翼和水平尾翼的迎角增大，产生一个向上附加升力，如果飞机重心位于焦点位置的前面，则此向上的附加升力会对飞机产生一个下俯的稳定力矩，使飞机趋向于恢复原来的飞行状态。反之，当飞机受扰动而机头下俯时，机翼和水平尾翼的迎角减小，会产生向下的附加升力，此附加升力对重心形成一个上仰的稳定力矩，也使飞机趋向于恢复原来的稳定状态。

因此，飞机的纵向稳定性主要取决于飞机重心的位置，只有当飞机的重心位于焦点前面时，飞机才是纵向稳定的；如果飞机的重心位于焦点之后，飞机则是纵向不稳定的。重心前移可以增加飞机的纵向静稳定性，但并不是静稳定性越大越好。例如，静稳定性过大，升降舵的操纵力矩就难以使飞机抬头。因此，由于重心前移使稳定性过大，会导致飞机的操纵性变差。

飞机重心位置会随飞机载重的分布情况不同发生变化。当重心位置后移时，将削弱飞机的纵向稳定性，所以在配置飞机载重时，应当注意妥善安排各项载重的位置，不使飞机重心后移过多，以保证重心位于所要求的范围以内。2

当迎角改变时，机翼升力也改变，但理论和试验都指出，尽管升力大小随迎角变化而变化，但升力增量的作用点却始终保持不变，这个升力增量的作用点，即为机翼的焦点。对目前常用的翼型来说，亚声速时焦点位于离翼型前缘22%～25%弦长处，而在超声速时焦点的位置离翼型前缘则增加到40%～50%弦长处。

飞机重心和飞机焦点之间的相互位置，决定了飞机是否具有纵向稳定性。若飞机重心位于其焦点之前，则在飞机受到外界扰动后，例如迎角增加了△a，那么在飞机的焦点上，就会产生一个向上的升力增量△￡，它对飞机重心形成使机头下俯的稳定力矩，使飞机具有逐渐消除△a而自动恢复到原来平衡迎角的情况，即飞机是稳定的。反之，若飞机重心位于其焦点之后，升力增量对飞机重心所形成的是不稳定的上仰力矩，使飞机迎角越来越大而没有恢复到原来平衡迎角的情况，因此飞机是不稳定的。由此，可以得出一个重要结论：飞机的重心若位于飞机焦点之前，飞机具有纵向稳定性，飞机重心位于飞机焦点之后，则飞机便失去纵向稳定性。1

产生原因飞机的俯仰稳定性是指在飞行中，飞机受微小扰动以致迎角发生变化，在扰动消失后，飞机自动恢复原来迎角的特性，又称纵向稳定性。飞机的俯仰稳定是俯仰稳定力矩和俯仰阻力力矩共同作用的结果。

俯仰稳定力矩的产生飞机的俯仰稳定力矩主要是由水平尾翼产生的。当飞机受扰动机头上仰使机翼迎角增大时，水平尾翼的迎角也增大，产生向上的附加升力，对飞机重心形成下俯力矩，使飞机趋向于恢复原来的迎角；反之，当飞机受扰动机头下俯使机翼迎角减小时．水平尾翼产生向下的附加升力，对飞机重心形成上仰的力矩，也使飞机趋向于恢复原来的迎角。这便是水平尾翼产生俯仰稳定力矩的过程。

实际上，当飞机受扰动迎角发生变化时，除机翼、水平尾翼的迎角随之变化外，机身、螺旋桨等部分的迎角也要发生变化，同样也会产生升力的增量，即飞机附加升力。由于机翼焦点离飞机重心很近，甚至可能在重心之前，也就是说，机翼产生附加升力对重心所形成的俯仰力矩对俯仰稳定力矩的贡献小，甚至无贡献。所以，我们认为飞机的俯仰稳定力矩主要是由水平尾翼产生的。

飞机的附加升力可以为正也可以为负，正常情况下，迎角增加，附加升力为正；反之，迎角减小，附加升力为负。附加升力能对飞机重心形成俯仰力矩，这些俯仰力矩能否成为飞机的俯仰稳定力矩，取决于飞机焦点与重心的前后位置关系。

飞机焦点位于飞机重心之后，飞机能产生俯仰稳定力矩，飞机具有俯仰静稳定性。这是因为当飞机受扰机头上仰迎角增大时，飞机附加升力向上，对飞机重心形成下俯力矩；或者当飞机受扰机头下俯迎角减小时，飞机附加升力向下，对飞机重心形成上仰力矩，都使飞机具有恢复原来迎角的趋势，都为俯仰稳定力矩。

飞机焦点位于飞机重心之前，飞机不能产生俯仰稳定力矩，飞机不具有俯仰静稳定性。这是因为当飞机受扰机头上仰迎角增大时，飞机附加升力向上，对飞机重心形成上仰力矩；或者当飞机受扰机头下俯迎角减小时，飞机附加升力向下，对飞机重心形成下俯力矩，都迫使飞机更加偏离原来的迎角，都为俯仰不稳定力矩。

飞机焦点与飞机重心重合，飞机附加升力对重心产生的力矩为零，飞机既不会自动恢复原来的迎角，也不会偏离原来的迎角，这种状态称为中立不稳定。

由上述分析可知，为了保证飞机具有俯仰静稳定性，飞机的焦点必须位于飞机的重心之后。对一般飞机来说，由于水平尾翼的作用，飞机的焦点都位于飞机重心之后。

飞机俯仰阻尼力矩的产生飞行中，仅有俯仰稳定力矩还无法保证飞机的俯仰稳定性。要使飞机最后能恢复到原来的迎角，除了应具备俯仰稳定力矩，使飞机具有自动恢复到原来迎角的趋势外，还要在俯仰摆动中，形成阻尼力矩，迫使飞机的摆动幅度逐渐减小直至消失。

飞机在绕着重心的俯仰摆动过程中，水平尾翼、机翼和机身等部件都可以产生俯仰阻尼力矩，但俯仰阻尼力矩主要是由水平尾翼产生的。3

增大俯仰稳定性影响俯仰稳定性的因素很多，主要有以下几个方面。

1．水平尾翼面积和尾力臂

增大水平尾翼面积和增长尾力臂，有利于提高模型滑翔机的俯仰稳定性。

尾力臂一般指从重心到水平尾翼距前缘1/4翼弦的距离。

2．重心位置

重心位置对俯仰稳定性影响很大，十分重要。在这里我们要引人整机焦点的概念。焦点是升力增量的作用点，用焦点作为整机的气动力作用点，化作一个气动力矩和一个焦点力矩，随迎角的变化气动力大小会发生变化，而焦点力矩不随迎角改变而发生变化，焦点力矩是一个常数。重心位置在焦点前面是保证模型滑翔机纵向安全性的必要条件，重心在焦点之前越远，纵向安全性越好。

3．俯仰稳定度

俯仰稳定度是模型滑翔机单位升力系数变化时俯仰力矩系数的变化量，能比较全面地衡量模型滑翔机的俯仰稳定性。1

4、尾翼

尾翼组由垂直尾翼和水平尾翼组成。垂直尾翼包括垂直安定面和方向舵，提供方向(航向)稳定性和操纵性；水平尾翼包括水平安定面和升降舵。提供俯仰稳定性和操纵性。4