[科普中国]-惯性耦合

研究历程

惯性耦合问题对航空工程师来说直到二战结束还是完全陌生的。在1944年底的一次航展中，德国战斗机亨克尔162在高速急滚机动中解体。亨克尔162是一架小型单发喷气战斗机。凑巧的是，很多摄影机记录了这一事件，这有助于对整个事故的重建。然而，根据已有的知识和经验，没有人能拿出一个令人信服的解释，为何亨克尔162飞机有这样的表现。第二个例子是，范堡罗航展期间英国的费尔雷三角(Fairey Delta)飞机。这架飞机500°的滚转速率令人印象深刻。滚转中，飞行员无法控制飞机了，或者更准确地说，飞机失控了。幸运的是，这件事没有造成死亡或飞机严重损坏。该Fairey Delta飞机携带了大量飞行测试仪器，它记录了这个事故。这个事故再次令人困扰，因为关于Fairey Delta飞机的运动没有可计算的响应，即使是关于这种不正常气动力的假设都没有。而当滚转角速率较小时，在同一时间同样的方法却给出了非常完美的结果。

这两个例子生动地说明了这个问题的基本特征，现在叫做惯性耦合或急滚惯性交感。众所周知，惯性耦合发生在具有细长的机身和小展弦比机翼的飞机上，这样的飞机其大部分质量集中在机身。这样的飞机绕纵(石)轴的转动惯量较低，而绕Y轴和z轴的转动惯量相当大。此外，无论是纵向(俯仰)稳定性或者航向稳定性的不足都将进一步加剧这一问题。这种类型的质量/惯量分布和稳定性恰好是典型现代高速战斗机的特点。

惯性耦合的基础分析是由菲利浦(Philips)在1948年提出的。他研究了一个稳定滚转飞机的稳定性。他假设除了滚转角速度之外的所有扰动变量都是小量，他还忽略了在俯仰和偏航阻尼。在此基础上，他证明了一个俯仰稳定性不足的飞机在稳定滚转中产生俯仰发散，而航向稳定性不足的飞机产生偏航或侧滑发散。尽管这个简单的分析实际上并没有针对像亨克尔162(Henkel 162)或Fairey Delta飞机这样的真正滚转机动，它还是帮助飞行动力学家找出了问题的根源。自那以后，惯性耦合问题得到了相当的重视。2

发生条件飞机上的惯性耦合是指，由于惯性造成的飞机偏转力矩、滚转力矩和抬头力矩的增加。惯性耦合在下面条件下易于发生：

一是较高的高度（空气密度低）；

二是高马赫数时尾翼的升力效率降低。惯性耦合只有在惯性引起的力矩超过气动恢复力矩（静稳定力矩）时才会成为问题。

事故举例此现象始见于第二次世界大战末期。表现为弋机快速横滚时迎角或侧滑角迅速增大，使得水平尾翼或垂直尾翼载荷过大，以致于结构损坏造成书故。随着机体结构的逐渐细长化，以及高速飞机航向静稳定性和气动阻尼力矩的相对减小，其惯性耦合问题日趋严重。在超音速飞机的发展中，在这个问题上曾有过沉痛教训，如X-1研究机在探索超音速飞行的过程中就因此而出现过严重事故，美国北美飞机公司研制的F-100的事故还曾引起广泛的注意，并为此付出了非常昂贵的代价(进行改进)。1954年10月，北美公司的试飞员乔治·韦尔奇在对F-100A进行了一系列飞行试验后进行最后一个项目，即从13700米俯冲至最大允许速度(严格来说是最大动压)，紧接着以7．59的过载改出俯冲。实际上，飞机在改出俯冲时过载达到了89以上。这时飞机突然偏航，机头向右偏转15度，然后便断裂。事故发生以后，F-100及其他飞机均停飞以查找故障。经过仔细调查，发现在改出高速俯冲时其航向稳定性不足以使飞机保持航向稳定。于是人们对这种质量分布比较集中、航向稳定性差的飞机进行了改进，包括增大翼展和垂尾面积。1955年中期，北美公司对已经服役、即将交付或仍在生产线的所有F-100飞机，全部进行了改进，达到了新的标准。这么大的改进工作，其花费之巨大是可想而知。3

预防方法通常，采用大的垂直尾翼以增加航向稳定性或利用背鳍和腹鳍增加阻尼力矩，能有效地避免或减轻惯性耦合现象。现代飞机也可以用自动飞行控制系统(AFCS)来解决，它可以根据横向速度变化自动使方向舵偏转，以克服滚转时出现的惯性力矩，避免惯性耦合现象。3