垂直穩定性

垂直穩定性

飛機的垂直軸(側向力矩)穩定性稱為偏航或者方向穩定性。偏航或者方向穩定性在飛機設計中是更加容易實現的穩定性。垂直尾翼的面積和重心之後的側面起主要的作用,它使得飛機就向熟悉的風向標或者箭一樣使機頭指向相對風方向。

相關知識簡介

在飛行中,飛機受微小擾動而使航向平衡狀態遭到破壞,並在擾動消失瞬間,飛機能不經駕駛員操縱就有自動地恢復到原來航向平衡狀態的趨勢,則稱飛機具有航向靜穩定性。

飛機的方向穩定力矩是在側滑中產生的。所謂側滑是指飛機的對稱面與相對氣流方向不一致的飛行。它是一種既向前、又向側方的運動。
飛機帶有側滑時,空氣則從飛機側方吹來。這時,相對氣流方向與飛機對稱面之間的夾角稱為“側滑角”,也稱“偏航角”。
對飛機垂直穩定性影響最大的是垂直尾翼。另外,飛機機身的側面迎風面積也起相當大的作用。其它如機翼的後掠角、發動機短艙等也有一定的影響。

垂直穩定性 垂直穩定性

在考查風向標時,可以看到如果支點的前後迎風的面積大小是相同的,那么結果是前後的力平衡,指向運動很小或者基本沒有。所以,就必須讓支點後面的面積比前面的面積大得多。在飛機中也類似,設計者必須確保正的垂直穩定性,方法是適重心之後的側面積比重心之前的側面積大得多。

垂直尾翼

為了在機身之外提供更多得正穩定性,增加了一個垂直尾翼。垂直尾翼得作用類似於箭上維持直飛的羽毛。和風向標和箭一樣,垂直尾翼的位置越靠後,面積越大,飛機的垂直穩定性就越強。

如果飛機以直線飛行,一個側向陣風就會讓飛機繞垂直軸發生輕微的轉動(假定是右側),那么運動會被垂直尾翼阻止並停止,因為當飛機往右旋轉時,空氣會以一個角度衝擊垂直尾翼的左側。在垂直尾翼的左側就產生一個壓力,它阻止飛機向右轉動,使偏航慢慢的降低下來。在這樣做時,飛機向相對風方向旋轉有點象風向標。飛機航跡方向的最初變化通常在飛機機頭朝向的變化之後。因此,當飛機向右稍微偏航後,有一個短暫的時間,這段時間內飛機繼續沿原來的航跡方向移動,但是它的縱軸稍微指向右側。

然後飛機有短暫的側滑,在這個時刻(因為假設儘管偏航運動停止,垂直尾翼左側的額外壓力仍然存在)飛機必定有朝左側迴轉的趨勢。即,垂直尾翼導致了一個短暫的恢復趨勢。
這個恢復趨勢反展的相對較慢,當飛機停止側滑時它也停止。在停止後,飛機就在稍微不同於原來方向的新方向上飛行。也就是說,它不會自己協調返回到原來的航向;飛行員必須重新確立最初的航向。

垂直穩定性的改進

垂直穩定性的一個小的改進可以通過後掠角實現。機翼設計中使用後略角主要是為了延遲高速飛行中壓縮性的開始。在較輕和慢速的飛機上,後掠角對壓力中心和重心建立正確的關係有幫助。壓力中心在中心之後這樣製造的飛機具備縱向穩定性。
由於結果的原因,飛機設計者有時候不能把機翼安裝在恰好需要的位置。如果它們必須把機翼安裝的太向前,且和機身成恰當的角度,那么壓力中心就不會足夠靠後,達不到要求的縱向穩定度。但是,通過增加機翼後掠角,設計者可以向後移動壓力中心。後掠角的大小和機翼的位置使壓力中心置於正確的位置。
機翼對靜態方向穩定性的貢獻通常很小。掠翼提供的穩定性作用依賴於後掠角的大小,但是這個貢獻和其它部分相比就相對較小了。

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