縱向穩定性

縱向穩定性

縱向穩定性,又叫俯仰穩定性,是指飛機在飛行中,由於外界的干擾,使它改變了原來的飛行迎角;當干擾消除後,飛機自動恢復到原來的迎角的能力。一般來說,飛機的縱向穩定性主要是靠水平尾翼起作用,除此之外,機翼本身的性能、重心位置的前後和高低對飛機的縱向穩定性都有影響。

簡介

飛機縱向穩定性的產生 飛機縱向穩定性的產生

縱向穩定性是指飛機受擾動後繞橫軸保持穩定的趨勢。飛機在受到擾動而產生俯仰運動時,會自動產生抑制俯仰運動的力,該力使飛機恢復到原來的飛行姿態。縱向穩定性的作用是保持迎角不變,如右圖。

為了使飛機具有縱向穩定性,飛機的重心必須位於焦點之前。飛機的焦點是飛機迎角改變時,飛機附加升力的作力點。在亞音速情況下,飛機焦點位置不隨迎角變化而變化 。對目前常用的翼型來說,亞音速時焦點位於離翼型前緣22%~25%弦長處,而在超音速時焦點的位置離翼型前緣則增加到40%~50%弦長處 。焦點在重心之後,是飛機平尾的貢獻,因此,飛機的縱向穩定性主要由平尾提供。

飛機的重心位置對飛機縱向穩定性的影響也很大。重心越靠前,縱向穩定性越強。但重心靠前,飛機的配平阻力增大,同時要求機翼產生更大的升力。

常規布局的飛機,飛機重心位於機翼壓力中心之前,這樣,機翼升力俯仰力矩為低頭力矩,平尾升力俯仰力矩為抬頭力矩。

飛機重心及焦點相互位置影響

飛機各部分的附加升力 飛機各部分的附加升力
縱向穩定性 縱向穩定性
縱向穩定性 縱向穩定性
縱向穩定性 縱向穩定性

飛機重心和飛機焦點之間的相互位置,決定了飛機是否具有縱向穩定性,如右圖。若飛機重心位於其焦點之前,則在飛機受到外界擾動後,例如迎角增加了 ,那么在飛機的焦點上,就會產生一個向上的升力增量 ,它對飛機重心形成使機頭下俯的穩定力矩,使飛機具有逐漸消除 而自動回復到原來平衡迎角的情況,即飛機是穩定的。

反之,若飛機重心位於其焦點之後,升力增量對飛機重心所形成的是不穩定的上仰力矩,使飛機迎角越來越大而沒有恢復到原來平衡迎角的情況,因此飛機是不穩定的。由此,可以得出一個重要結論:飛機的重心若位於飛機焦點之前,飛機具有縱向穩定性,飛機重心位於飛機焦點之後,則飛機便失去縱向穩定性。

提高縱向穩定性

對滑翔機來說,影響其縱向穩定性的因素很多,主要有以下幾個方面

水平尾翼面積和尾力臂

增大水平尾翼面積和增長尾力臂,有利於提高滑翔機的縱向穩定性。

縱向穩定性 縱向穩定性
縱向穩定性 縱向穩定性
縱向穩定性 縱向穩定性
縱向穩定性 縱向穩定性
縱向穩定性 縱向穩定性
縱向穩定性 縱向穩定性

式中: 代表縱向穩定係數(俯仰穩定係數), 代表水平尾翼面積, 代表機翼面積, 代表尾力臂, 代表機翼平均翼弦。

尾力臂一般指從重心到水平尾翼距前緣1/4翼弦的距離。國際級牽引模型滑翔機的縱向穩定係數在0.7~0.8。從上面公式便可看出,在機翼面積及機翼平均翼弦不變情況下,增大水平尾翼面積以及增長尾力臂都可以增大縱向穩定係數,即提高飛機縱向穩定性。

縱向穩定度

縱向穩定度是指滑翔機單位升力係數變化時俯仰力矩係數的變化量,能比較全面地衡量滑翔機的縱向穩定性。

縱向穩定性 縱向穩定性
縱向穩定性 縱向穩定性
縱向穩定性 縱向穩定性
縱向穩定性 縱向穩定性

式中:代表縱向穩定度(俯仰穩定度);代表俯仰力矩係數的變化量;代表升力係數的變化量。

近似計算公式為

縱向穩定性 縱向穩定性
縱向穩定性 縱向穩定性
縱向穩定性 縱向穩定性
縱向穩定性 縱向穩定性
縱向穩定性 縱向穩定性
縱向穩定性 縱向穩定性
縱向穩定性 縱向穩定性
縱向穩定性 縱向穩定性

式中:表示俯仰穩定度,負值表示穩定;表示重心到焦點的距離,重心在焦點前為正值,在焦點後為負值,單位:cm;表示機翼弦長,單位:cm;表示重心與焦點在垂直方向上的距離,重心在焦點下面為正值,在焦點上面為負值,單位:cm;表示升力係數;表示為無升力迎角,不對稱翼型通常是負值。

從上式中可以看到,它比用俯仰穩定係數要全面得多,例如重心位置前,俯仰穩定性好等。

縱向穩定性 縱向穩定性
縱向穩定性 縱向穩定性

由於牽引模型滑翔機大多數不採用高單翼,可以近似地認為重心與焦點在一個平面上,為0,因此上式也可以改寫成。

這樣可以大大地方便牽引模型滑翔機作俯仰穩定度的升降。

縱向穩定性 縱向穩定性

一般牽引模型滑翔機的大約是-0.4,臨界值為-0.15。

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