[科普中国]-静稳定性

静稳定性是飞机偏离平衡位置后的最初趋势。飞机静稳定性分为纵向静稳定性、横向静稳定性和航向静稳定性。

如果飞机趋向于返回它先前的位置就称之为静稳定的。如果飞机继续偏离就称之为静不稳定的。最后，如果飞机趋向于保持在受扰动后的位置就称之为中立稳定的。 飞机为稳定性的增加会导致可控性的减小，所以飞机稳定性的上限就是可控性的下限。

纵向静稳定性定义当飞行器受到扰动时，飞行器迎角偏离了原来的平衡状态；但在扰动消失之后，不加操纵，飞行器能自动地回复到原来迎角的趋势，则称飞行器具有纵向静稳定性。1

纵向静稳定性影响因素对飞机绕重心的俯仰力矩的主要贡献者， 包括机翼、尾翼、机身和发动机。机翼俯仰力矩主要由气动中心的升力产生；尾翼的长力臂也产生很大的俯仰力矩， 其方向和机翼相反， 以平衡机翼俯仰力矩；机身和短舱的俯仰力矩受机翼所产生的上洗和下洗影响；而发动机对俯仰力矩的贡献主要是自由流弯曲产生的垂直力影响。对静稳定而言， 任何迎角变化必须产生阻止变化的力矩，也就是说，俯仰力矩对迎角的导数必须是负值。2

向飞行器提供纵向静稳定性的部件主要是平尾。其次, 飞行器焦点位置的变化也会影响到飞行器纵向静稳定性。为使飞行器具有纵向静稳定性, 要求飞行器质心位于全机焦点之前。而平尾使焦点后移, 起主要的静稳定作用。

要获得理想的纵向静稳定性, 有2 种方法:

(1)改变飞行器的外形(气动布局), 达到改变飞行器焦点位置的目的。例如:将机翼前后移动， 或改变水平尾翼的位置和面积等。

(2)在飞行器外形不变的条件下变化飞行器的内部质量安排，从而调整飞行器的质心位置。通过适当安排内部的载荷，可以改变飞行器质心的位置，从而改变其纵向静稳定性。

横向静稳定性定义当出现干扰时，飞行器进行滚转,，会出现侧滑角。如果不加操纵，飞行器有消除初始出现的滚转的趋势，则称飞行器具有横向静稳定性。1

横向静稳定性影响因素偏航力矩主要是由垂直尾翼的横向升力、机翼偏航力矩、机身力矩和发动机的影响产生的，无动力状态的偏航力矩可简单地认为是机翼、机身和垂直尾翼影响之和。偏航力矩向右偏航时为正， 由于对β和偏航使用的符号惯例，滚转力矩对β的导数为负时是稳定的。2

横向静稳定性的大小主要取决于机翼的上反角、后掠角和垂尾等的大小。上反角提供横向静稳定性， 下反角提供横向静不稳定性。机翼的后掠结合迎角作用，机翼的上反角和垂尾都起静稳定作用，而下单翼与机身间的气动干扰则起静不稳定作用。

航向静稳定性定义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；如果不加操纵， 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。1

航向静稳定性影响因素向飞行器提供航向静稳定性的部件有：垂尾、腹鳍和机身后段(飞行器质心后面的机身)。垂尾的作用就是要使飞行器在整个飞行包线范围内都具有足够的航向稳定性， 即在有侧滑时的非对称气流中， 垂尾像机翼一样可以产生足够的侧力。该力位于飞行器质心之后， 它所产生的偏航力矩是减小侧滑角的， 因此对飞行器的偏航有稳定作用。此外， 航向静稳定性取决于侧力作用点的位置， 作用点在质心之后， 才具有航向静稳定性。垂尾侧力的作用点在质心之后， 机身侧力作用点在质心之前。对航向静稳定性来说， 机身起静不稳定作用， 这种作用几乎与飞行速度无关。2

偏航力矩向右偏航时为正， 由于对β和偏航使用的符号惯例，偏航力矩对β 的导数为正时是稳定的。

与纵向静稳定性类似， 要获得航向静稳定性，可以通过改变飞行器外形(垂尾位置和面积)实现。在飞行器外形不变的前提下， 在飞行过程中改变飞行器侧力的作用点。或者改变飞行器质量分布， 改变其质心位置， 同样可以达到改变航向静稳定性大小的目的。

放宽静稳定性对飞行器产生的影响放宽静稳定性对飞行器的设计及飞行品质有一定的影响。

(1)放宽静稳定性的实现可以通过改变飞行器的外形来实现, 例如改变飞行器平尾的形状或面积,从而将改变飞行器结构的质量 。3

(2)放宽静稳定性可以使飞行器的机动能力增大。

(3)采用放宽静稳定性可以使飞行器升力增大, 阻力减小, 升阻比提高。由于配平阻力的减小,飞行器的燃料消耗率也会减小 。4