第四章飞机的平衡稳定性操纵性
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飞机的机动性、稳定性、操纵性
飞机的操纵性
一、飞机的纵向（俯仰）操纵
飞机的纵向（俯仰）操纵是指飞行员前后推拉 驾驶盘偏转升降舵后，飞机绕横轴转动而改变其迎 角等飞行状态。 横轴
下俯
全动式高低平尾升降舵
平尾大致分为普通平尾和全动平尾两大类： 1.普通平尾：升降舵可偏转，安定面不可偏转； 2.全动平尾：整个水平尾翼均可偏转。
2.机翼后掠角： 飞机受干扰右倾斜 → 升力随其倾斜 → 而后 掠角→流过右翼的垂直分速大于左翼→V右＞V左 → Y右＞ Y左 → 产生向左的反力矩 → 恢复横向
稳定。 （见图2—46）
3.垂 直 尾 翼：
飞机受干扰右倾斜 →垂尾右侧受空气动力 →产生左滚力矩→恢复横向稳定。 （见图2—47）
§2-8
平衡，而在扰动消失后又自 动恢复原平衡状态的特性。
附加升力对重心形成力矩
1.△Y： 迎角变化时，机 翼、平尾上附加 升力的和。 2.△M： △Y对飞机的重 心形成稳定与不 稳定力矩。
△Y
飞机纵向静稳定性的条件：焦点在重心之后
只有焦点的位置在飞机的重心之后飞机才具有俯 仰稳定性，焦点距离重心越远，俯仰稳定性越强。
低平尾升降舵
全动式平尾 高平尾升降舵
二、飞机的横侧操纵
飞机的横侧操纵是指飞行员左右压驾驶盘操纵副翼 以后，飞机绕纵轴横滚的飞行状态。
三 、 飞机的方向操纵
飞机的方向操纵是指飞行员前后蹬脚蹬操纵方向舵 以后，飞机绕立轴偏转而改变其侧滑角等飞行状态的 特性。
§2-6、7、8作业
1.什么是飞机的盘旋、筋斗和横滚？ 2. 飞机的稳定性包括哪三方面？ 3.飞机的纵向稳定中，为什么焦点要在重心之后？ 4.什么是侧滑？飞机是如何恢复方向平衡的？ 5.飞机通过什么装置恢复其横侧平衡？ 6.飞行员如何操纵飞机的俯仰、方向、横侧平衡？
飞行力学第四章
解出
dV / dt, d / dt, d / dt
在、 不大的快速机动中，可近似认为速度不变，且
u V const v V w V
从而有
T cos Z b g d q p cos cos dt mV V Yb d g p r sin cos dt mV V
3、重力
2、气动力
Ax D Ay C L Az a
W x 0 W y m 0 g W z
g
航迹轴 系 ,
(无风时)
气流轴 系 ,
,, dVb Vb b Vb dt t Tb Lba Aa LbgW g
引言
研究内容
性能
飞行品质
质点动力学系统
质点系动力学系统
操纵性与稳定性：研究飞机在外力和外 力矩作用下运动参数的变化特性。
稳定性
指飞行器在受到外界瞬时扰动后，是否具有自动地恢复到原来平 衡状态的能力。
操纵性
指飞行器对驾驶员操纵或舵面指令输入的响应，即从一种飞行 状态过渡到另一种飞行状态的能力.
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
第四章
刚性飞行器运动方程
内容
引言 4.1 刚性飞行器动力学方程 4.2 刚性飞行器运动学方程 4.3 刚性飞行器运动方程讨论＊ 4.4 运动方程组线性化 4.5 纵向小扰动运动方程组 4.6 横航向小扰动运动方程组 小结
矩阵 形式
hx I x hy I xy h z I zx
飞行动力学飞行器的纵向平衡、静稳定性和静操纵性
内内容容绪言绪言7.1 静稳定力矩7.3 定常直线飞行时的飞机平衡特性7.6 定常拉升飞行时的飞机平衡特性小结研究的问题研究的问题::飞机作对称定直对称定直曲线曲线飞行飞行时作用在飞机上的纵向力矩及其如何实纵向力矩及其如何实现平衡。
现平衡。
1 纵向力矩的计算、如何来实现配平:2 平衡状态由于外界扰动外界扰动而被破坏时飞机恢复原状态的趋势3 从一平衡状态到另一平衡状态操纵面操纵面偏转偏转和驾驶杆力的驾驶杆力的最终变化最终变化平衡平衡::指状态参数不随时间变化的飞行。
如定常直线飞行、正常盘旋等。
稳定性稳定性::飞机受到外界扰动后自动恢复原来平衡状态的能力。
操纵性操纵性::飞机在驾驶员的操纵下从一种飞行状态过渡到另一种飞行状态的能力。
包括稳态增量和瞬态过程。
稳定性与操纵性的概念静稳定静稳定假定飞机初始作定常直线飞行外力、外力矩平衡若受到某种外界瞬瞬时扰动时扰动作用后具有自动恢复自动恢复到原来平衡状态的初始趋势初始趋势则称飞机是静稳定静稳定的静不稳定静不稳定在外界瞬时扰动作用后若飞机存在力图扩大偏离平衡状态的初始趋势则称飞机是静不稳定静不稳定的中立静稳定中立静稳定若外界瞬时扰动作用后既无扩大无扩大、又无恢复无恢复原来平衡状态的初始趋势则称为中立静稳定中立静稳定。
静稳定性的概念内内容容绪言7.1 7.1 静稳定力矩静稳定力矩7.3 定常直线飞行时的飞机平衡特性7.6 定常拉升飞行时的飞机平衡特性小结内内容容7.1 静稳定力矩7.1.1 7.1.1 静稳定力矩的组成静稳定力矩的组成7.1.2 定速静稳定性7.1.3 速度静稳定性7.1.4 定载静稳定性静稳定力矩静稳定力矩::指飞行迎角所引起的那部分俯仰力矩。
静稳定力矩的组成静稳定力矩的组成::1.1. 机翼部分机翼部分压心压心气动合力的作用点随迎角而变它不通过机翼的质心焦点焦点机翼上存在的特殊点当迎角变化时气动力对该点的力矩零升力矩始终保持不变。
它是迎角变化时升力增量升力增量的作用点。
第四章 飞机操纵系统设计与分析
在随控布局技术的项目中，已经在飞机上应用的有：放宽静稳定性、 机动载荷控制和飞行边界控制等,已经进行飞行试验的有：直接力控制、 阵风减载、乘座品质控制和机动增强等；仍在研究中的有：颤振主动抑 制。除直接力控制外，其它各项均属于“主动控制技术(ACT)” 。由此可 见，随控布局技术包含了主动控制技术，但其内容更广泛一些.
一般来说，IFPC技术包括系统功能综合和系统物理综合。前 者是提高飞机武器系统整体性能的有效途径；后者可改善系统有 效性(SE)和全寿命费用(LCC)。
下面以某型歼击机为例，说明带推力矢量综合飞行／推进控 制系统的组成和功能。某歼击机具有水平鸭翼的三翼面气动布局； 该机装有两
4.5 综合飞行控制系统
所有的高速飞机的品质变差是飞机绕所有三个轴的固有振荡阻尼
恶化。
对于所有飞机，纵向操纵舵面的偏转和相应的单位过载所需操纵
杆的位移，随飞行速度的增大而减小的量是固定的。
4.2 现代高速飞机稳定性和操纵性的基本特 点与操纵系统设计
横向静态稳定性实质上取决于飞行迎角和M数。 对所有超音速飞机，保证侧向稳定性的困难很大（Cn.β>0）。 高速飞机横向操纵性的特点之一是，在高速飞行时横向操纵效
统，代替不可逆的助力机械操纵系时，出现了一种用附加在电传(主)操 纵系统上的某些飞行控制系统来提高飞行品质的飞机，称之为随控布局 飞机(CCV)。
随控布局飞机设计思想是根据控制的需要，在飞机上设置一些操纵 面，利用其偏转，或利用原有操纵面的偏转来改变飞机的气动力布局和 结构上的载荷分布，以减小飞机的阻力和减轻飞机结构的重量。
IFFC系统的效益，必须考虑到IFFC系统的特殊性，针对不同的武 器模态对飞行控制系统的不同要求分别设计相应的飞行控制系统。 下面以美国AFTI／F-16先进战斗机技术综合计划为例加以说明。
一般来说，IFPC技术包括系统功能综合和系统物理综合。前 者是提高飞机武器系统整体性能的有效途径；后者可改善系统有 效性(SE)和全寿命费用(LCC)。
下面以某型歼击机为例，说明带推力矢量综合飞行／推进控 制系统的组成和功能。某歼击机具有水平鸭翼的三翼面气动布局； 该机装有两
4.5 综合飞行控制系统
所有的高速飞机的品质变差是飞机绕所有三个轴的固有振荡阻尼
恶化。
对于所有飞机，纵向操纵舵面的偏转和相应的单位过载所需操纵
杆的位移，随飞行速度的增大而减小的量是固定的。
4.2 现代高速飞机稳定性和操纵性的基本特 点与操纵系统设计
横向静态稳定性实质上取决于飞行迎角和M数。 对所有超音速飞机，保证侧向稳定性的困难很大（Cn.β>0）。 高速飞机横向操纵性的特点之一是，在高速飞行时横向操纵效
统，代替不可逆的助力机械操纵系时，出现了一种用附加在电传(主)操 纵系统上的某些飞行控制系统来提高飞行品质的飞机，称之为随控布局 飞机(CCV)。
随控布局飞机设计思想是根据控制的需要，在飞机上设置一些操纵 面，利用其偏转，或利用原有操纵面的偏转来改变飞机的气动力布局和 结构上的载荷分布，以减小飞机的阻力和减轻飞机结构的重量。
IFFC系统的效益，必须考虑到IFFC系统的特殊性，针对不同的武 器模态对飞行控制系统的不同要求分别设计相应的飞行控制系统。 下面以美国AFTI／F-16先进战斗机技术综合计划为例加以说明。
飞机稳定性和操纵性的概念
必要的
动稳定性
外界扰动消失后，物体回到原 平衡位置的运动过程，若扰动 运动是收敛的，物体最终回到 原始平衡位置，具有动稳定性， 否则就是动不稳定的
哪个是具有动稳定、中立动稳定和动不稳定？
综上所述：具有静稳定性是平衡状态具 有稳定性的必要条件，但不充分；只有具有 动稳定性的平衡状态才是真正稳定的。
飞机的侧向稳定性
飞机受到扰动 ，产生绕纵轴 O x t 的滚转 ，扰动消失 后，不经驾驶员操 纵，飞机能自动恢复原飞行姿态的 能力叫侧向稳定性，也称为滚转稳定性，即绕纵轴的稳 定性飞机的侧向稳定性是指飞机绕纵轴的稳定性。
讨论
1.飞机纵向受到哪些力矩的作用？ 2.飞机侧向受到哪些力矩的作用？ 3.飞机方向受到哪些力矩的作用？ 4.飞机的稳定性是越强越好吗？
飞机的操纵性
操纵性的定义
操纵性是指飞机在驾驶员操纵下，从一种飞 行状态过渡到另一种飞行状态的特性。
➢ 俯仰操纵性 ➢ 方向操纵性 ➢ 横侧操纵性
操纵性的主要研究内容：
飞行状态的改变与杆舵行程和杆舵力大小之间 的基本关系，飞机反应快慢以及影响因素等。
对于驾驶员的操纵反应过于灵敏或过于迟钝的飞 机都会给飞机操纵带来困难；
飞 机 的 稳 定 性 和 操 纵 性
飞机的稳定性
处于平衡状态的物体，受到外界扰动，偏离了 平衡位置，当扰动消失后，物体能否自动恢复 到原来的平衡位置，取决于物体的平衡状态是 否具有稳定性。
单摆是稳定的吗？
飞机的稳定性
静稳定性
外界扰动消失后, 物体 具有回到原始平衡位置 的趋势，也就是扰动消 失后，物体的瞬间运动
飞机稳定性的定义
飞机的稳定性是指：飞机受到小扰动（包括阵风扰 动和操纵扰动）后，偏离原平衡状态，并在扰动消失后， 飞行员不给于任何操纵，飞机自动恢复原平衡状态（包 括最初响应—静稳定性问题，最终响应—动稳定性问题） 的特性。
动稳定性
外界扰动消失后，物体回到原 平衡位置的运动过程，若扰动 运动是收敛的，物体最终回到 原始平衡位置，具有动稳定性， 否则就是动不稳定的
哪个是具有动稳定、中立动稳定和动不稳定？
综上所述：具有静稳定性是平衡状态具 有稳定性的必要条件，但不充分；只有具有 动稳定性的平衡状态才是真正稳定的。
飞机的侧向稳定性
飞机受到扰动 ，产生绕纵轴 O x t 的滚转 ，扰动消失 后，不经驾驶员操 纵，飞机能自动恢复原飞行姿态的 能力叫侧向稳定性，也称为滚转稳定性，即绕纵轴的稳 定性飞机的侧向稳定性是指飞机绕纵轴的稳定性。
讨论
1.飞机纵向受到哪些力矩的作用？ 2.飞机侧向受到哪些力矩的作用？ 3.飞机方向受到哪些力矩的作用？ 4.飞机的稳定性是越强越好吗？
飞机的操纵性
操纵性的定义
操纵性是指飞机在驾驶员操纵下，从一种飞 行状态过渡到另一种飞行状态的特性。
➢ 俯仰操纵性 ➢ 方向操纵性 ➢ 横侧操纵性
操纵性的主要研究内容：
飞行状态的改变与杆舵行程和杆舵力大小之间 的基本关系，飞机反应快慢以及影响因素等。
对于驾驶员的操纵反应过于灵敏或过于迟钝的飞 机都会给飞机操纵带来困难；
飞 机 的 稳 定 性 和 操 纵 性
飞机的稳定性
处于平衡状态的物体，受到外界扰动，偏离了 平衡位置，当扰动消失后，物体能否自动恢复 到原来的平衡位置，取决于物体的平衡状态是 否具有稳定性。
单摆是稳定的吗？
飞机的稳定性
静稳定性
外界扰动消失后, 物体 具有回到原始平衡位置 的趋势，也就是扰动消 失后，物体的瞬间运动
飞机稳定性的定义
飞机的稳定性是指：飞机受到小扰动（包括阵风扰 动和操纵扰动）后，偏离原平衡状态，并在扰动消失后， 飞行员不给于任何操纵，飞机自动恢复原平衡状态（包 括最初响应—静稳定性问题，最终响应—动稳定性问题） 的特性。
2.2.3飞机的平衡与操纵
稳定性的概念
结论：欲使物体具有稳定性
① 物体在受到扰动后能够产生稳定力矩，使物体具有 自身恢复到平衡状态的趋势 ② 在恢复过程中同时产生阻力力矩，保证物体最终恢 复到平衡状态
飞机的稳定性是指，飞机受扰偏离原平衡状态， 偏离后飞机能自动恢复到原平衡状态的能力。
四、飞机的飞行控制
• 飞机的稳定性
俯仰稳定性
2.飞机的方向操纵性
飞机的方向操纵性是指飞行员操纵方向舵以后，飞 机绕立轴偏转而改变飞行状态的特性。
3.飞机的横侧操纵性
飞机的横侧操纵性是指飞行员操纵副翼以后，飞机 绕纵轴转动而改变其滚转角速度、坡度等飞行状态的 特性。
作业
1.对流层和平流层的特点分别是？民航客机飞 在哪些层？
2.升力是怎么产生的？什么是迎角？
3.飞机飞行时有哪四个作用力？
4.飞机有哪些操纵？分别通过什么来操纵的？
EXIT
四、飞机的飞行控制
1. 飞机的平衡之：飞机的运动
I. 绕横轴（OZ轴）的转动称为俯仰转动
四、飞机的飞行控制
1. 飞机的平衡之：飞机的运动
II.绕立轴（OY轴）的转动称为偏航运动
四、飞机的飞行控制
1. 飞机的平衡之：飞机的运动
II.绕纵轴（OX轴）的转动称为横滚运动
四、飞机的飞行控制
2. 飞机的稳定性
方向稳定性
横侧稳定性
●如何保证俯仰稳定？
• 如何保证方向的稳定？
如何保证横滚方向的稳定？
二.飞机的操纵 （一杆两舵）
• 操纵性的定义
飞机的操纵性是指飞机在飞行员操纵升降舵、方 向舵和副翼改变飞机飞行状态的特性。
俯仰操纵性 方向操纵性 横侧操纵性
1.飞机的俯仰操纵性
结论：欲使物体具有稳定性
① 物体在受到扰动后能够产生稳定力矩，使物体具有 自身恢复到平衡状态的趋势 ② 在恢复过程中同时产生阻力力矩，保证物体最终恢 复到平衡状态
飞机的稳定性是指，飞机受扰偏离原平衡状态， 偏离后飞机能自动恢复到原平衡状态的能力。
四、飞机的飞行控制
• 飞机的稳定性
俯仰稳定性
2.飞机的方向操纵性
飞机的方向操纵性是指飞行员操纵方向舵以后，飞 机绕立轴偏转而改变飞行状态的特性。
3.飞机的横侧操纵性
飞机的横侧操纵性是指飞行员操纵副翼以后，飞机 绕纵轴转动而改变其滚转角速度、坡度等飞行状态的 特性。
作业
1.对流层和平流层的特点分别是？民航客机飞 在哪些层？
2.升力是怎么产生的？什么是迎角？
3.飞机飞行时有哪四个作用力？
4.飞机有哪些操纵？分别通过什么来操纵的？
EXIT
四、飞机的飞行控制
1. 飞机的平衡之：飞机的运动
I. 绕横轴（OZ轴）的转动称为俯仰转动
四、飞机的飞行控制
1. 飞机的平衡之：飞机的运动
II.绕立轴（OY轴）的转动称为偏航运动
四、飞机的飞行控制
1. 飞机的平衡之：飞机的运动
II.绕纵轴（OX轴）的转动称为横滚运动
四、飞机的飞行控制
2. 飞机的稳定性
方向稳定性
横侧稳定性
●如何保证俯仰稳定？
• 如何保证方向的稳定？
如何保证横滚方向的稳定？
二.飞机的操纵 （一杆两舵）
• 操纵性的定义
飞机的操纵性是指飞机在飞行员操纵升降舵、方 向舵和副翼改变飞机飞行状态的特性。
俯仰操纵性 方向操纵性 横侧操纵性
1.飞机的俯仰操纵性
航空概论2-14_飞机的平衡、安定性和操纵性
使飞机绕机体纵轴旋转的操纵称为横向操纵，主要 由偏转飞机的副翼来实现。
当驾驶员向右压驾驶杆时右副翼上偏、左副翼下偏， 使右翼升力减小、左翼升力增大，从而产生向右滚转的 力矩，飞机向右滚；向左压杆时，情况完全相反，飞机 向左滚转。
（三）飞机的横侧操纵性 当驾驶员操纵驾驶杆偏转副翼之后，飞机
绕纵轴滚转而改变其滚转角速度、坡度（倾斜 角）等的飞行状态的特性。
二。飞机的平衡 飞机处于平衡状态时，飞行速度的大小和
方向都保持不变，也不绕重心转动。飞机平衡 包括以下两种平衡：
(一) 作用力平衡 包括升力和重力平衡、拉力和阻力平衡。
若飞机的升力、重力不平衡，则飞机的高度会 发生变化；若飞机的拉力、阻力不平衡，则飞 机的飞行速度会发生变化
平衡条件：Y＝G P＝X
飞机的平衡、安定性和操纵性
主要内容
★ 飞机的平衡 ★ 飞机的安定性 ★ 飞机的操纵性
第三节飞机的平衡、安定性和操纵性 一．飞机的重心和机体轴 1、飞机重心
飞机各部分重力的合力着用点，称为飞机 的重心。
重力作用力点所在的位置，叫重心位置。 重心具有以下特性： (1)飞行中，重心位置不随姿态改变。 (2)飞机在空中的一切运动，无论怎样错综复杂， 总可以分解为：飞机各部分随飞机重心一道的移 动和飞机各部分绕着飞机重心的转动。
三．飞机的安定性 飞机的安定性就是在飞行中，当飞机受微
小扰动（如气流波动）而偏离原来状态，并在 扰动消失以后，不经飞行员操纵，飞机能自动 恢复原来平衡状态的特性。 1、飞机的俯仰安定性（迎角安定性）:
指飞机受微小扰动迎角发生变化，自动恢复 原来迎角的特性。飞机是通过水平尾翼产生的附 加升力，对飞机重心形成机头下俯或上仰的安定 力矩来获得迎角安定性的。此外，飞机的重心位 置对迎角安定性有较大影响，所以，飞机的配载 是很重要的。
当驾驶员向右压驾驶杆时右副翼上偏、左副翼下偏， 使右翼升力减小、左翼升力增大，从而产生向右滚转的 力矩，飞机向右滚；向左压杆时，情况完全相反，飞机 向左滚转。
（三）飞机的横侧操纵性 当驾驶员操纵驾驶杆偏转副翼之后，飞机
绕纵轴滚转而改变其滚转角速度、坡度（倾斜 角）等的飞行状态的特性。
二。飞机的平衡 飞机处于平衡状态时，飞行速度的大小和
方向都保持不变，也不绕重心转动。飞机平衡 包括以下两种平衡：
(一) 作用力平衡 包括升力和重力平衡、拉力和阻力平衡。
若飞机的升力、重力不平衡，则飞机的高度会 发生变化；若飞机的拉力、阻力不平衡，则飞 机的飞行速度会发生变化
平衡条件：Y＝G P＝X
飞机的平衡、安定性和操纵性
主要内容
★ 飞机的平衡 ★ 飞机的安定性 ★ 飞机的操纵性
第三节飞机的平衡、安定性和操纵性 一．飞机的重心和机体轴 1、飞机重心
飞机各部分重力的合力着用点，称为飞机 的重心。
重力作用力点所在的位置，叫重心位置。 重心具有以下特性： (1)飞行中，重心位置不随姿态改变。 (2)飞机在空中的一切运动，无论怎样错综复杂， 总可以分解为：飞机各部分随飞机重心一道的移 动和飞机各部分绕着飞机重心的转动。
三．飞机的安定性 飞机的安定性就是在飞行中，当飞机受微
小扰动（如气流波动）而偏离原来状态，并在 扰动消失以后，不经飞行员操纵，飞机能自动 恢复原来平衡状态的特性。 1、飞机的俯仰安定性（迎角安定性）:
指飞机受微小扰动迎角发生变化，自动恢复 原来迎角的特性。飞机是通过水平尾翼产生的附 加升力，对飞机重心形成机头下俯或上仰的安定 力矩来获得迎角安定性的。此外，飞机的重心位 置对迎角安定性有较大影响，所以，飞机的配载 是很重要的。
飞机横航向平衡和静稳定性和操操纵
翼身干扰
结论与分析
➢机身作用
C y 0, Cl 0, Cn 0 — 机身为航向静不稳部件 (正常重心情况)
➢机翼后掠作用
0:
C y 0 Cl 0, Cn 0 机翼后掠产生横向和航向静稳定作用。 但后掠角一般由升阻要求决定。
➢翼端的作用
机翼迎风一侧的直边缘变成了前缘， 另一侧变成了后缘。 迎风直边缘上部存在侧缘吸力， 升力增加。
侧滑
侧滑角：飞行速度矢量和纵
向对称面的夹角：β；
当Vy为正时，侧滑角为正。
即右侧滑为正。
V
s
in
V ＝
y
V
图:飞机着陆的侧滑飞行
• 绕OX轴的运动称为横向运动或滚转运动； • 绕Z轴的运动称为航向运动 • 凡出现侧滑、横向或航向运动这三者之一，或其组
合统称为横侧运动。 • 典型的横侧运动：
－定常直线侧滑飞行 －定常曲线飞行
本节内容
1、横侧向运动的定义 2、典型的横侧向运动时飞机上的横侧向气动力和
力矩（定常直线侧滑和定常盘旋） 3、横航向静稳定性及横航向静稳定导数 4、如何操纵飞机实现横侧力与力矩的平衡
飞机横侧运动的基本概念
非对称的飞行运动，称为横侧运动，或横航向运动。
• 横向运动（滚转运动）； • 航向运动； • 侧滑； • 三者之一或其组合统称为横侧运动。
• 定常侧滑直线飞行中，飞机上同时作用有侧力、滚转力矩 和偏航力矩。
• 偏航力矩和滚转力矩随β的变化规律，可以通过吹风实验 得出，或者采用工程估算求得。
1定常直线侧滑飞行，作用在飞机上的侧力、横侧力矩
定常侧滑直线飞行中，飞机上同时作用有侧 力、滚转力矩和偏航力矩，力和力矩系数与 β成线性关系。