内容发布更新时间 : 2024/11/16 21:24:21星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。
沿机头到尾部的纵轴的稳定性称为飞机的横向稳定性。当一边的机翼比另一边的机翼低时，这可以帮助稳定侧面倾斜或者侧滚效果。有四个主要的因素使飞机保持横向稳定：上反角，倾覆效应，后掠角和重力分布。
引起横向稳定性的最通常步骤是构造机翼有1－3度的上反角。换句话说，飞机每一边的机翼和机身形成一个窄的V字型，或者叫上反角。它是通过位于平行于横轴的直线之上的机翼形成的角度来度量。
当然，侧滚稳定性的基础是机翼产生力的横向平衡。升力的任何不平衡都导致飞机纵轴侧滚的趋势。也就是说，上反角引起升力的平衡，这些升力由飞机纵轴两边的机翼产生。
如果短暂的阵风使飞机的一个机翼上升，另外一个机翼较低，飞机就会倾斜。当飞机不是转弯的倾斜时，它会侧滑或者超机翼较低的侧面下滑。图3－17
因为机翼有上反角，空气冲击较低一侧的机翼的迎角比较高一侧的机翼大得多。这样，较低一侧的机翼的升力就增加，高一侧的机翼升力就降低，飞机趋于恢复到最初的横向平衡状态(机翼水平)－即两个机翼的迎角和升力又一次相等。 上反角的效果是产生一个侧滚力矩，在发生侧滑时这个力矩趋于使飞机恢复到横向平衡飞行条件。恢复力会把较低一侧的机翼向上移动很多，导致另一侧的机翼向下。如果这样的话，这个过程会重复下去，每一次横向摆动幅度降低，直到最终达到了机翼水平飞行的平衡。
相反地，过大的上反角对横向机动特性是不利的。飞机会横向非常稳定，以至于它会阻抗任何有意识的侧滚运动。出于这个原因，要求快速侧滚或者倾斜特性的飞机通常其上反角比那些较少机动性设计的飞机上反角小。
由于后掠角影响的本性，它对上反角效果的影响是重要的。在侧滑时，风中的机翼后掠角实际减小，而外侧的机翼后掠角实际增大。掠翼只对垂直于机翼前缘的风分量敏感。从而，如果机翼工作在正升力系数，风中的机翼升力增加，风外的
机翼升力降低。如此，后掠翼会促进正上反角效果，而前掠翼会促进负上反角效果。
飞行中，机身的侧面区域和垂直尾翼对气流的反作用非常类似于船的龙骨。它对飞机的纵轴施加一个稳定的横向影响。
建造如此横向稳定的飞机，以至于龙骨区域的绝大部分在重心的后面上方。图3－18
这样，当飞机朝一边侧滑时，飞机的重量和反抗龙骨区域上部的气流压力(都作用于重心)的合力趋于使飞机侧滚回到机翼水平的飞行状态中。
垂直稳定性(偏航)
飞机的垂直轴(侧向力矩)稳定性称为偏航或者方向稳定性。偏航或者方向稳定性在飞机设计中是更加容易实现的稳定性。垂直尾翼的面积和重心之后的侧面起主要的作用，它使得飞机就向熟悉的风向标或者箭一样使机头指向相对风方向。 在考查风向标时，可以看到如果支点的前后迎风的面积大小是相同的，那么结果是前后的力平衡，指向运动很小或者基本没有。所以，就必须让支点后面的面积比前面的面积大得多。在飞机中也类似，设计者必须确保正的方向稳定性，方法是适重心之后的侧面积比重心之前的侧面积大得多。如图3－19
为了在机身之外提供更多得正稳定性，增加了一个垂直尾翼。垂直尾翼得作用类似于箭上维持直飞的羽毛。和风向标和箭一样，垂直尾翼的位置越靠后，面积越大，飞机的方向稳定性就越强。
如果飞机以直线飞行，一个侧向阵风就会让飞机绕垂直轴发生轻微的转动(假定是右侧)，那么运动会被垂直尾翼阻止并停止，因为当飞机往右旋转时，空气会以一个角度冲击垂直尾翼的左侧。在垂直尾翼的左侧就产生一个压力，它阻止飞机向右转动，使偏航慢慢的降低下来。在这样做时，飞机向相对风方向旋转 有点象风向标。飞机航迹方向的最初变化通常在飞机机头朝向的变化之后。因此，当飞机向右稍微偏航后，有一个短暂的时间，这段时间内飞机继续沿原来的航迹方向移动，但是它的纵轴稍微指向右侧。
然后飞机有短暂的侧滑，在这个时刻(因为假设尽管偏航运动停止，垂直尾翼左侧的额外压力仍然存在)飞机必定有朝左侧回转的趋势。即，垂直尾翼导致了一个短暂的恢复趋势。
这个恢复趋势反展的相对较慢，当飞机停止侧滑时它也停止。在停止后，飞机就在稍微不同于原来方向的新方向上飞行。也就是说，它不会自己协调返回到原来的航向；飞行员必须重新确立最初的航向。
方向稳定性的一个小的改进可以通过后掠角实现。机翼设计中使用后略角主要是为了延迟高速飞行中压缩性的开始。在较轻和慢速的飞机上，后掠角对压力中心和重心建立正确的关系有帮助。压力中心在中心之后这样制造的飞机具备纵向稳定性。
由于结果的原因，飞机设计者有时候不能把机翼安装在恰好需要的位置。如果他们必须把机翼安装的太向前，且和机身成恰当的角度，那么压力中心就不会足够靠后，达不到要求的纵向稳定度。但是，通过增加机翼后掠角，设计者可以向后移动压力中心。后掠角的大小和机翼的位置使压力中心置于正确的位置。 机翼对静态方向稳定性的贡献通常很小。掠翼提供的稳定性作用依赖于后掠角的大小，但是这个贡献和其他部分相比就相对较小了。
自由向摆动(荷兰轨辊)
荷兰轨辊是耦合的侧向/方向摆动，它通常是动态稳定的，由于摆动的特性，在飞机中这是要不得的。摆动模式的阻尼可能很弱或者很强，这依赖于具体飞机的特性。
不幸的是所有空气都不是平稳的。并发的上升气流和下降气流产生颠簸和下降，以及飞机前后和两边的阵风。
飞机对平衡的破坏的反应是复合的侧滚/偏航摆动，其中侧滚运动发生在偏航运动之前。偏航运动不是很严重，但是侧滚运动要显而易见得多。当飞机响应上反角效应而侧滚回到水平飞行时，它会侧滚得太远而朝另一个方向侧滑。这样，由于强烈的上反角效应飞机每次侧滑过头。当上反角效应比静态方向稳定性大时，荷兰轨辊运动是弱阻尼的，也是要不得的。当静态方向稳定性比上反角效应强时，荷兰轨辊运动具有强阻尼，也不是要不得的了。但是这些特性趋于螺旋不稳定性。 那么选择只能是两个不利中的次要因素－荷兰轨辊运动是要不得的，而如果发散率低的话螺旋不稳定性是可以容忍的。所以更重要的操控品质是高静态方向稳定性和最小化必要的上反角的结果，大多数飞机显示出轻微的螺旋倾向。这个倾向向飞行员显示了一个事实：飞机不能无限期的以无手操控方式飞行。
除高速掠翼设计之外，大多数现代飞机， 这些自由向摆动通常在很少的几个周期后自动消失，除非空气持续的是阵风或者湍流。具有持续荷兰轨辊倾向的飞机通常配备了陀螺稳定的偏航阻尼器。退一步说，荷兰轨辊倾向的飞机很让人不安。所以，制造商试图在过大和过小方向稳定性之间寻找折中。对于飞机制造商来说，他们更愿意有螺旋不稳定性也不想要荷兰轨辊倾向，大多数飞机设计有这样的特性。
螺旋不稳定性
当飞机的静态方向稳定性和维持横向平衡的上反角效应相比很强时，就会出现螺旋不稳定性。当飞机的横向平衡被阵风打破后，就会产生侧滑，强烈的方向稳定性趋于使机头偏向合成的相对风方向，而相对弱的上反角在横向平衡的恢复中滞后。由于这个偏航，转弯运动外测的机翼比内侧的机翼速度要快，因此它的升力变的更大。这产生一个过分倾斜的倾向，如果飞行员不纠正的话，会导致倾斜角
变的越来越陡峭。同时，使飞机偏航到相对风方向强烈方向稳定性实际上迫使机头向更低的姿态倾斜。然后向下的螺旋慢慢开始，如果飞行员不纠正，会逐渐增强为更陡峭的螺旋俯冲。通常，螺旋运动的发散率是慢慢增加的，飞行员可以毫不费力的控制这个趋势。
所有的飞机在某种程度上都受到这个特性的影响，尽管所有其他普通参数可能是固有稳定的。这个倾向通过一个事实告诉飞行员：飞机不能无限期以无手操控飞行。
为消除或者至少纠正这个不稳定性，在控制设备(机翼校平器)的开发上付出了大量的研究和努力。螺旋条件的前期阶段要求飞行员非常仔细的应用恢复控制，或者可能引起结构上的过量载荷。发生在通用航空飞机飞行中的结构化失效，这种条件下的不适当恢复可能是更多不幸的根本原因，而不是其他任何单一因素。原因是螺旋条件下的空速快速的增大，降低这个速度的后升降舵力和拉高机头的力的应用使转弯加紧，载荷因子持续增加。不受控螺旋的拖延结果总是一样的；要么飞行的结构化失效，或者坠落到地面，要不就是两者。根据记录最通常的原因是：飞行员失去视野参考，不能参考仪表来控制飞机，或者是同时发生这两者。
飞行机动中的空气动力学受力
介绍飞行机动如转弯，爬升和降落时的飞机受力情况。
转弯受力
如果从后面看一个平直飞行的飞机，如图3－20，而且如果作用于飞机的力可以看见的话，两个力(升力和重力)是显然的，如果飞机处于倾斜状态，可以明显的看到升力不再正好和重力方向相反，升力作用在倾斜的方向上。实际情况是，当飞机倾斜时，升力作用方向是朝转弯的中心且向上的，这是在考虑飞机转弯时要记住的一个基本事实。
一个物体如果静止或者沿直线匀速运动会一直保持静止或匀速直线运动，直到某个其他的力作用于这个物体。飞机和任何其他运动物体类似，需要有一个侧向力使它转弯。在一个正常的转弯中，这个是通过飞机的倾斜得到的，这时升力是向上和向内作用的。转弯时候的升力被分解为两个分力，这两个分力成合适的角度。