第五节　飞机的稳定性

飞机在飞行过程中，经常会受到各种各样的干扰，这些干扰会使飞机偏离原来的平衡状态，而在干扰消失后，飞机能否自动恢复到原来的平衡状态，这就涉及飞机的稳定性或不稳定的问题。

所谓飞机的稳定性，是指在飞行过程中，如果飞机受到某种扰动而偏离原来的平衡状态，在扰动消失后，不经飞行员操作，飞机能自动恢复到原来平衡状态的特性。如果能恢复，则说明飞机是稳定的；如果不能恢复或者更加偏离原来的平衡状态，则说明飞机不是稳定的。

飞机在空中飞行，可以产生俯仰运动、偏航运动和滚转运动，飞机绕横轴的运动为俯仰运动；绕立轴的运动为偏航运动；绕纵轴的转动为滚转运动。根据飞机绕机体轴的运动形式，飞机飞行时的稳定性可分为纵向稳定性、航向稳定性和横向稳定性。

一、飞机的纵向稳定性

当飞机受微小扰动而偏离原来的纵向平衡状态（俯仰方向），并在扰动消失以后，飞机能自动恢复到原来纵向平衡状态的特性，叫作飞机的纵向稳定性。

在飞行过程中，作用于飞机的俯仰力矩主要是机翼力矩和水平尾翼力矩。当飞机的迎角发生变化时，在机翼和尾翼上都会产生一定的附加升力，这个附加升力的合力作用点称为飞机的焦点。当飞机受到扰动而机头上仰时，机翼和水平尾翼的迎角增大，产生一个向上附加升力，如果飞机重心位于焦点位置的前面，则此向上的附加升力会对飞机产生一个下俯的稳定力矩，使飞机趋向于恢复原来的飞行状态。反之，当飞机受扰动而机头向下俯时，机翼和水平尾翼的迎角减小，会产生向下的附加升力，此附加升力重心形成一个上仰的稳定力矩，也使飞机趋向于恢复原来的稳定状态。

因此，飞机的纵向稳定性主要取决于飞机重心的位置，只有当飞机的重心位于焦点前面时，飞机才是纵向稳定的；如果飞机的重心位于焦点之后，飞机则是纵向不稳定的。重心前移可以增加飞机的纵向静稳定性，但并不是静稳定性越大越好。例如，静稳定性过大，升降舵的操纵力矩就难以使飞机抬头。因此，重心前移使稳定性过大，会导致飞机的操纵性变差。

飞机重心位置会随飞机载重的分布情况不同发生变化。当重心位置后移时，将削弱飞机的纵向稳定性。所以在配置飞机载重时，应注意妥善安排各项载重的位置，不使飞机重心后移过多，以保证重心位于所要求的范围以内。

二、飞机的航向稳定性

飞机受到扰动以致航向平衡状态遭到破坏，而在扰动消失后，飞机如能趋向于恢复原来的平衡状态，就具有航向稳定性。

飞机主要靠垂直尾翼的作用来保证航向稳定性。航向稳定力矩是在侧滑中产生的。飞机的侧滑飞行是一种既向前又向侧方的运动，此时，飞机的对称面和相对气流方向不一致。飞机产生侧滑时，空气从飞机侧方吹来，这时，相对气流方向和飞机对称面之间就有一个侧滑角β。相对气流从左前方吹来叫左侧滑；相对气流从右前方吹来叫右侧滑。

飞机在飞行过程中，飞机受微小扰动，机头右偏，出现左侧滑，空气从飞机的左前方吹来作用在垂直尾翼上，产生向右的附加侧力Z。此力对飞机重心形成一个航向稳定力矩，力图使机头左偏，消除侧滑，使飞机恢复航向平衡状态，因此飞机具有航向稳定性。

相反，飞机出现右侧滑时，就形成使飞机向右偏转的航向稳定力矩。由此可见，只要有侧滑，飞机就会产生航向稳定力矩，并使飞机消除侧滑恢复到原来的平衡状态。

随着飞行马赫数的增大，特别是在超过声速以后，立尾的侧力系数迅速减小，产生侧力的能力急速下降，使得飞机的航向稳定性降低。因此在设计超声速战斗机时，为了保证在最大平飞马赫数下仍具有足够的航向稳定性，往往必须把立尾的面积做得很大，有时还需要选用腹鳍以及采用双立尾的形式来增大航向稳定性。

三、飞机的横向稳定性

飞机受扰动以致横向平衡状态遭到破坏，而在扰动消失后，如飞机自身产生一个恢复力矩，使飞机趋向于恢复原来的平衡状态，就具有横向稳定性；反之，就没有横向稳定性。在飞行过程中，使飞机自动恢复原来横向平衡状态的滚转力矩，主要是由机翼上反角、机翼后掠角和垂直尾翼的作用产生的。

飞机在平飞过程中，当一阵风吹到飞机的左翼上时，飞机的左翼抬起，右翼下沉，飞机受扰动而产生向右的倾斜，使飞机沿着合力的方向沿右下方产生侧滑。此时，空气从右前方吹来，因上反角的作用，右翼有效迎角增大，升力也增大；左翼则相反，有效迎角和升力都减小。左右机翼升力之差形成的滚转力矩，力图减小或消除倾斜，进而消除侧滑，使飞机具有自动恢复横向平衡状态的趋势。也就是说，飞机具有横向稳定性。

机翼后掠角也使飞机具有横向稳定性。一旦因外界干扰，飞机产生了向右的倾斜，飞机的升力也跟着倾斜，飞机将沿着合力R的方向产生侧滑。由于后掠角的作用，飞机右翼的有效速度v₁大于左翼的有效速度v₃，所以，在右边机翼上产生的升力将大于左边机翼上产生的升力，两边机翼升力之差，形成滚转力矩，力图减小或消除倾斜，使飞机具有横向稳
定性。

跨声速或超声速飞机，为了减小激波阻力，大都采用了后掠角比较大的机翼。因此，后掠角的横向稳定作用可能过大，以至于当飞机倾斜到左边后，在滚转力矩的作用下，又会倾斜到右边来。于是，飞机左右往复摆动，形成飘摆现象（荷兰滚）。为了克服这种不正常现象，可以采用下反角的外形来削弱后掠机翼的横向稳定性。

低、亚声速飞机大都为梯形直机翼，为了保证飞机的横向稳定性要求，或多或少都有几度大小的上反角。此外，如果机翼和机身组合采用上单翼布局形式，也会起到横向稳定作用；相反，若采用下单翼布局形式，则会起到横向不稳定作用。这一点在选择上反角时也应综合考虑。

四、荷兰滚

如果垂尾面积太小，且机翼上反角较大，就会发生荷兰滚或侧向振荡。飞行器如果受到侧风干扰，就会有侧滑趋势。上反角做出的响应，使飞行器滚转来阻止侧滑，抬高了「朝向侧滑一边」的机翼。然而如果垂尾面积过小，则机身会有侧面对着气流的趋势。因此最初的小侧滑转化为偏航，使侧滑加大，同时伴随着滚转，直到机翼几乎被滚转到垂直位置。此后上反角使机翼向反方向滚转，机身试图转向新的侧滑方向，于是飞行器陷入剧烈的从一侧到另一侧的滚转加偏航的耦合振荡，垂尾以一定弧度猛烈摆动。解决方法是增大垂尾面积或者减小上反角，或两者同时进行。具有足够垂尾效率的飞行器在偏航时进入侧滑，称之为风标稳定性。对于稳定的飞行器来说，上反角对侧滑机翼的抬升作用就不是很显著了。飞行器受侧风干扰时会适度地向风向侧滑，并伴随轻微滚转。因此侧向振荡稳定的必要条件是大垂尾、小上反角。

五、尾旋不稳定

不幸的是，上述综合考虑可能会导致与荷兰滚相反的不稳定，即尾旋不稳定。如果垂尾面积相对于上反角过大，就会发生此类情况。开始的小侧滑产生较强的风标偏航。上反角很小，产生很小或是根本不产生阻止滚转的力，偏航的内侧机翼空速的减小使机翼下沉。采用方向舵控制使飞行器偏航时，会产生类似的影响。对于尾旋不稳定的飞行器，由偏航所导致的机翼下沉足以加剧侧滑。而后垂尾尝试使飞行器产生风标运动，机翼再次下沉，继续侧滑，由于倾斜角度增大，飞行器进入尾旋旋转。随着倾斜角增大，相对地面的偏航在低头方向上加剧，尾旋滚转在空速增加时变为尾旋俯冲，倾斜角接近垂直，机翼上的惯性载荷成倍增加，以至于即使飞行器还没有撞地，机翼或尾翼可能已被破坏。