纵向稳定性,又叫俯仰稳定性,是指飞机在飞行中,由于外界的干扰,使它改变了原来的飞行
迎角;当干扰消除后,飞机自动恢复到原来的迎角的能力。一般来说,飞机的纵向稳定性主要是靠
水平尾翼起作用,除此之外,机翼本身的性能、
重心位置的前后和高低对飞机的纵向稳定性都有影响。
简介
纵向稳定性是指飞机受扰动后绕横轴保持稳定的趋势。飞机在受到扰动而产生俯仰运动时,会自动产生抑制俯仰运动的力,该力使飞机恢复到原来的飞行姿态。纵向稳定性的作用是保持
迎角不变,如右图1。
为了使飞机具有纵向稳定性,飞机的
重心必须位于焦点之前。飞机的焦点是飞机迎角改变时,飞机附加升力的作力点。在
亚音速情况下,飞机焦点位置不随迎角变化而变化。对目前常用的翼型来说,亚音速时焦点位于离翼型前缘22%~25%弦长处,而在
超音速时焦点的位置离翼型前缘则增加到40%~50%弦长处。焦点在重心之后,是飞机平尾的贡献,因此,飞机的纵向稳定性主要由平尾提供。
飞机的重心位置对飞机纵向稳定性的影响也很大。重心越靠前,纵向稳定性越强。但重心靠前,飞机的配平阻力增大,同时要求机翼产生更大的升力。
常规布局的飞机,飞机重心位于机翼压力中心之前,这样,机翼升力俯仰力矩为低头力矩,平尾升力俯仰力矩为抬头力矩。
飞机重心及焦点相互位置影响
飞机重心和飞机焦点之间的相互位置,决定了飞机是否具有纵向稳定性,如右图2。若飞机重心位于其焦点之前,则在飞机受到外界扰动后,例如迎角增加了 ,那么在飞机的焦点上,就会产生一个向上的
升力增量 ,它对飞机重心形成使机头下俯的稳定力矩,使飞机具有逐渐消除 而自动回复到原来平衡迎角的情况,即飞机是稳定的。
反之,若飞机重心位于其焦点之后,升力增量对飞机重心所形成的是不稳定的上仰力矩,使飞机迎角越来越大而没有恢复到原来平衡迎角的情况,因此飞机是不稳定的。由此,可以得出一个重要结论:飞机的重心若位于飞机焦点之前,飞机具有纵向稳定性,飞机重心位于飞机焦点之后,则飞机便失去纵向稳定性。
提高纵向稳定性
对滑翔机来说,影响其纵向稳定性的因素很多,主要有以下几个方面
水平尾翼面积和尾力臂
增大水平尾翼面积和增长尾力臂,有利于提高
滑翔机的纵向稳定性。
式中: 代表纵向稳定系数(俯仰稳定系数), 代表水平尾翼面积, 代表机翼面积, 代表尾力臂, 代表机翼平均翼弦。
尾力臂一般指从重心到水平尾翼距前缘1/4翼弦的距离。国际级牵引模型滑翔机的纵向稳定系数在0.7~0.8。从上面公式便可看出,在机翼面积及机翼平均
翼弦不变情况下,增大水平尾翼面积以及增长尾力臂都可以增大纵向稳定系数,即提高飞机纵向稳定性。
纵向稳定度
纵向稳定度是指滑翔机单位升力系数变化时俯仰力矩系数的变化量,能比较全面地衡量滑翔机的纵向稳定性。
式中:代表纵向稳定度(俯仰稳定度);代表俯仰力矩系数的变化量;代表升力系数的变化量。
近似计算公式为
式中:表示俯仰稳定度,负值表示稳定;表示重心到焦点的距离,重心在焦点前为正值,在焦点后为负值,单位:cm;表示机翼弦长,单位:cm;表示重心与焦点在垂直方向上的距离,重心在焦点下面为正值,在焦点上面为负值,单位:cm;表示升力系数;表示为无升力迎角,不对称翼型通常是负值。
从上式中可以看到,它比用俯仰稳定系数要全面得多,例如重心位置前,俯仰稳定性好等。
由于牵引模型滑翔机大多数不采用高单翼,可以近似地认为重心与焦点在一个平面上,为0,因此上式也可以改写成。
这样可以大大地方便牵引模型滑翔机作俯仰稳定度的升降。
一般牵引模型滑翔机的大约是-0.4,临界值为-0.15。