[科普中国]-纵向稳定性

纵向稳定性是指飞机受扰动后绕横轴保持稳定的趋势。飞机在受到扰动而产生俯仰运动时，会自动产生抑制俯仰运动的力，该力使飞机恢复到原来的飞行姿态。纵向稳定性的作用是保持迎角不变，如右图。2

为了使飞机具有纵向稳定性，飞机的重心必须位于焦点之前。飞机的焦点是飞机迎角改变时，飞机附加升力的作力点。在亚音速情况下，飞机焦点位置不随迎角变化而变化2。对目前常用的翼型来说，亚音速时焦点位于离翼型前缘22%~25%弦长处，而在超音速时焦点的位置离翼型前缘则增加到40%~50%弦长处3。焦点在重心之后，是飞机平尾的贡献，因此，飞机的纵向稳定性主要由平尾提供。2

飞机的重心位置对飞机纵向稳定性的影响也很大。重心越靠前，纵向稳定性越强。但重心靠前，飞机的配平阻力增大，同时要求机翼产生更大的升力。

常规布局的飞机，飞机重心位于机翼压力中心之前，这样，机翼升力俯仰力矩为低头力矩，平尾升力俯仰力矩为抬头力矩。2

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，如右图。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 ，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 而自动回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。3

对滑翔机来说，影响其纵向稳定性的因素很多，主要有以下几个方面

增大水平尾翼面积和增长尾力臂，有利于提高滑翔机的纵向稳定性。

式中： 代表纵向稳定系数（俯仰稳定系数）， 代表水平尾翼面积， 代表机翼面积， 代表尾力臂， 代表机翼平均翼弦。

尾力臂一般指从重心到水平尾翼距前缘1/4翼弦的距离。国际级牵引模型滑翔机的纵向稳定系数在0.7~0.8。从上面公式便可看出，在机翼面积及机翼平均翼弦不变情况下，增大水平尾翼面积以及增长尾力臂都可以增大纵向稳定系数，即提高飞机纵向稳定性。4

纵向稳定度是指滑翔机单位升力系数变化时俯仰力矩系数的变化量，能比较全面地衡量滑翔机的纵向稳定性。

式中：代表纵向稳定度（俯仰稳定度）；代表俯仰力矩系数的变化量；代表升力系数的变化量。

近似计算公式为

式中：表示俯仰稳定度，负值表示稳定；表示重心到焦点的距离，重心在焦点前为正值，在焦点后为负值，单位：cm；表示机翼弦长，单位：cm；表示重心与焦点在垂直方向上的距离，重心在焦点下面为正值，在焦点上面为负值，单位：cm；表示升力系数；表示为无升力迎角，不对称翼型通常是负值。

从上式中可以看到，它比用俯仰稳定系数要全面得多，例如重心位置前，俯仰稳定性好等。

由于牵引模型滑翔机大多数不采用高单翼，可以近似地认为重心与焦点在一个平面上，为0，因此上式也可以改写成。

这样可以大大地方便牵引模型滑翔机作俯仰稳定度的升降。

一般牵引模型滑翔机的大约是-0.4，临界值为-0.15。4