[科普中国]-静力不稳定性

简介

所谓静稳定度是指气动中心到飞机重心的距离，气动中心在重心之后静稳定度为正，飞机是静稳定的；气动中心在重心之前静稳定度为负，飞机是静不稳定的。

打个比方，静稳定飞机的重心就像翘翘板的支点，机头是一端的话，升力作用点就在另一端。当气流使飞机抬头时，仰角增大，升力增加，升力这一端就会向上，从而使飞机低头。当飞机被气流压低头时，仰角减小，升力减小，升力这端就向下了，使飞机抬头。这样一来，飞机总是能够通过自身的调整来修正外来的影响，飞的更加平稳，但代价是飞机的机动性不佳。而静不稳定飞机由于气动中心在重心之前，所以非常灵活，但是却是传统机械操控方式无法操纵的，因为这需要每时每刻不间断的对舵面进行大量的细微调整。对人而言这是无法做到的。所以，要设计一架放宽静稳定度的飞机（Relaxed Static Stability）,就必须借助计算机来辅助驾驶。

飞行员输入操纵指令，计算机将之转变成相应的信号，驱动机身各舵面处的操纵装置，完成对飞机平稳准确的控制，实现主动控制（Active Control Technology）。这就是为什么要设计放宽静稳定度的飞机就必须先发展电传飞行控制技术的原因。 在亚音速飞行状态，静稳定的飞机的翼身组合体的升力中心在重心稍后的某个距离，这时翼身组合体的升力所产生的负俯仰力矩（机头向下的力矩），由平尾的下偏，以产生向下的升力来平衡。由于飞机的静稳定特性，飞机有保持原有飞行状态的趋势，使飞机的操纵也不灵活。而放宽静稳定度的飞机，稳定度变得很小甚至不稳定，飞行中主要靠主动控制系统控制相应舵面，保证飞机的稳定性。这时为保持平衡只需要较小的甚至向上的平尾升力去平衡翼身组合体的正俯仰力矩（机头向上的力矩）。而在超音速状态，因为放宽静稳定度的飞机的重心比普通飞机的重心更靠后，这样为配平由于翼身组合体升力升起的负俯仰力矩所需要的尾翼向下载荷比普通飞机要小，因而就可以大大减少尾翼足寸和重量，使其在超音速状态也具有较高的升力。

研究表明，放宽静稳定度为战斗机带来的效益是当静稳定裕度取为-12%平均气动弦长时，飞机的起飞总重可减少8%，所需发动机推力可减少20%，如果再加上控制机动载荷的效果可使设计总重减少18%。 所以，第三代战斗机普遍采用了放宽静稳定度的设计，机动性大为提高。

静稳定性改善在飞机的设计过程中，飞机的静稳定性一直是一个十分重要且必需面对的问题。在三代以前的飞机均设计为三轴静稳定性的，而且在使用飞行包线以内均保持有一定的、必要的静稳定性裕度。随着主动控制技术的不断发展与成熟，在三代飞机上开始采用主动控制技术，出现了静稳定性放宽的飞机与纵向局部静不 稳定的飞机，但对于机动飞机横航向还是基本设计为静稳定的，只是对 飞机的静稳定性要求有所放宽。比如苏27 就是纵向局部静不稳定的，横航向正常使用时均在静稳定性范围内，尽管它能作象眼镜蛇那样的过失速机动，但那只是短暂的，在过失速范围只有几秒钟，如果采用 了矢量推力技术，飞机也不可能长时间在过失速范围内机动，因为飞机翼面等的气流分离使飞机严重晃动与抖振，飞行员难以承受。因此，到目前为止飞机在使用范围内横航向基本上均设计为静稳定的，F一22采用了十分先进的主动控制技术也不例外。

横向临界攻角α的值越大表示飞机横向静稳 定范 围越大，横向临界攻角比纵向与航向临界攻角小时，横向临界攻角的大小就决定了飞机可用攻角的大小，因此，在飞机气动布局设计时应使纵向、横向、航向临界攻角中的最小临界攻角值尽量增大，以便增加飞机的可用攻角范围和可用飞行包线。

由于机翼的后掠，使侧滑时迎风翼低，迎风面的升力增加，而背风面的升力降低，背风翼面后掠效应降低，背风翼面后掠效应增加，飞机带中小攻角飞行时，会产生部分稳定的滚转力矩。另外，由于机翼内外翼的上反与 下反，当飞机带侧滑角飞行时，气流速度的侧向流动分量与左右翼面的夹角不一样，上反时使迎风面的局部迎角 增加，背风面的局部迎角降增加一静稳定的滚转力矩。1

横向不稳定性评定在某型飞机的翼下冲试飞中，首要的挑战是在不断制定决策和改进后试飞效果的评估，两者上工程技术资料很有限。没有确定的参数量化横向不稳定性程度、识别重大横向不稳定性的飞行条件和证实飞行员的评论。在试验期间应用的该项技术不仅足以识别严重的翼下冲现象，而且还能正确评估更轻微的横向不稳定性。

横向不稳定性工程分析依靠飞机 4 个关键参数的测量：滚转速度、滚转加速度、横向驾驶杆位置和倾斜角。 滚转速度、滚转加速度和倾斜角测量量化了与横向不稳定现象有关的飞机运动。横向驾驶杆位置量化了飞行员对 该现象的响应。评估的其他参数包括侧滑角、横向载荷系数、滚转加速度变化率和控制面偏差，但不使之与飞行员的评论和评定等级有关系。

对于规定的攻角和马赫数范围，轮廓图综合数据允许在配置之间进行定量比较。为了综合轮廓图数据，在从最小马赫数界限M0到最大马赫数界限Mf和从最小迎角界限到α0最大迎角界限αf的马赫数和攻角范围内总计了每个格点的均方根值。通过简单地比较综合结果，相对于另一个配置可以判定一个特定配置的横向不稳定效果。也就是说，通过另一个配置的结果可以规范一个特定配置的综合结果以判定相对效果。2

静不稳定性最大的飞机苏-47金雕前掠翼战斗机曾经被视为战斗机领域的神话之一，其实它也有同类，即美国的X-29验证机。这种验证机总共仅改装了2架，也是军迷们津津乐道的飞机之一。

X-29验证机的尾部特写。从这个角度看上去，科幻度十足。它是世界上静不稳定性最强的飞机，飞机的攻角度甚至可以达到67度，而且据说还有可能增加。众所周知，静不稳定性强，意味着飞机的操控难度极大。该型飞机配备了3套数字电传系统和3套备用的模拟电传系统，确保对飞机的稳定控制。X-29是在两架F-5战斗机的基础之上研制而来的，这两架F-5战斗机的机身编号为63-8372和65-10573，完成之后的编号为82-0003和82-0049。X-29验证机的垂尾同F-16战斗机有几分类似之处。该型飞机的最大起飞重量为8吨，最大飞行速度为1.2马赫，航程为560千米。

该型验证机采用的是通用电力公司的F404型发动机，使用这种发动机的飞机有F-117、F/A-18和X-45C等等。在前掠翼的根部，还增加了大边条。通过X-29验证机，美国获得了关于前掠翼飞机的大量数据。两架飞机在完成试验任务之后，都被保存下来，一架在美国空军国家博物馆，另一架在国家空天博物馆。