[科普中国]-垂直稳定性

相关知识简介

在飞行中，飞机受微小扰动而使航向平衡状态遭到破坏，并在扰动消失瞬间，飞机能不经驾驶员操纵就有自动地恢复到原来航向平衡状态的趋势，则称飞机具有航向静稳定性。

飞机的方向稳定力矩是在侧滑中产生的。所谓侧滑是指飞机的对称面与相对气流方向不一致的飞行。它是一种既向前、又向侧方的运动。
飞机带有侧滑时，空气则从飞机侧方吹来。这时，相对气流方向与飞机对称面之间的夹角称为“侧滑角”，也称“偏航角”。
对飞机垂直稳定性影响最大的是垂直尾翼。另外，飞机机身的侧面迎风面积也起相当大的作用。其它如机翼的后掠角、发动机短舱等也有一定的影响。

在考查风向标时，可以看到如果支点的前后迎风的面积大小是相同的，那么结果是前后的力平衡，指向运动很小或者基本没有。所以，就必须让支点后面的面积比前面的面积大得多。在飞机中也类似，设计者必须确保正的垂直稳定性，方法是适重心之后的侧面积比重心之前的侧面积大得多。1

垂直尾翼为了在机身之外提供更多得正稳定性，增加了一个垂直尾翼。垂直尾翼得作用类似于箭上维持直飞的羽毛。和风向标和箭一样，垂直尾翼的位置越靠后，面积越大，飞机的垂直稳定性就越强。

如果飞机以直线飞行，一个侧向阵风就会让飞机绕垂直轴发生轻微的转动(假定是右侧)，那么运动会被垂直尾翼阻止并停止，因为当飞机往右旋转时，空气会以一个角度冲击垂直尾翼的左侧。在垂直尾翼的左侧就产生一个压力，它阻止飞机向右转动，使偏航慢慢的降低下来。在这样做时，飞机向相对风方向旋转有点象风向标。飞机航迹方向的最初变化通常在飞机机头朝向的变化之后。因此，当飞机向右稍微偏航后，有一个短暂的时间，这段时间内飞机继续沿原来的航迹方向移动，但是它的纵轴稍微指向右侧。

然后飞机有短暂的侧滑，在这个时刻(因为假设尽管偏航运动停止，垂直尾翼左侧的额外压力仍然存在)飞机必定有朝左侧回转的趋势。即，垂直尾翼导致了一个短暂的恢复趋势。
这个恢复趋势反展的相对较慢，当飞机停止侧滑时它也停止。在停止后，飞机就在稍微不同于原来方向的新方向上飞行。也就是说，它不会自己协调返回到原来的航向；飞行员必须重新确立最初的航向。

垂直稳定性的改进垂直稳定性的一个小的改进可以通过后掠角实现。机翼设计中使用后略角主要是为了延迟高速飞行中压缩性的开始。在较轻和慢速的飞机上，后掠角对压力中心和重心建立正确的关系有帮助。压力中心在中心之后这样制造的飞机具备纵向稳定性。
由于结果的原因，飞机设计者有时候不能把机翼安装在恰好需要的位置。如果它们必须把机翼安装的太向前，且和机身成恰当的角度，那么压力中心就不会足够靠后，达不到要求的纵向稳定度。但是，通过增加机翼后掠角，设计者可以向后移动压力中心。后掠角的大小和机翼的位置使压力中心置于正确的位置。
机翼对静态方向稳定性的贡献通常很小。掠翼提供的稳定性作用依赖于后掠角的大小，但是这个贡献和其它部分相比就相对较小了。2