飛機的靜穩定度和靜不穩定度

靜穩就是指static margin 靜穩定裕度。飛機的縱向靜穩定度實際上就是全機焦點(或者叫中性點)跟重心之間的前後位置關係和距離。比如f4全機焦點在重心後面,這就是靜穩定的設計。f16在亞音速的時候,全機焦點在重心前面,這就是靜不穩定的設計。

焦點指氣動中心,可以認為其是升力的作用點。需要指出的一點是氣動中心的位置是隨Ma數變化的,通常超音速比較亞音速時氣動中心的位置會更加靠後。這也是蘇式戰機著名的跨音速陷阱的來歷之一。

飛機的靜穩定度和靜不穩定度

​這圖很直觀,看這圖就明白了。橫軸是攻角,向右逐漸增大攻角。縱軸是俯仰力矩係數,橫軸以上是抬頭。這圖是平尾或鴨翼等舵面都不偏轉的情況。圖中4條斜線代表不同的縱向靜穩定度,你可以想象成4種不同飛機。

在αe這個攻角是平衡點,俯仰力矩是0。1和2這兩條線,從αe這個攻角開始,假如攻角增大,低頭力矩會增大,如果攻角減小,則抬頭力矩會增大。這就是因為焦點在重心後面。所以在飛機攻角偏離αe時,用不著推拉操作杆,飛機會自動恢復到αe,這就是靜穩定的。

斜線1比2更穩定,因為斜率更大。4這條線正相反。從αe增大攻角,抬頭力矩增大。從αe減小攻角,低頭力矩增大。這就是因為焦點在重心前面。攻角偏離αe時,飛機天然的趨勢不但不會恢復到αe,還會進一步遠離αe這個平衡攻角。這就是靜不穩定的。這樣的飛機只能用電傳操縱,就是靠飛控及時快速的操縱舵面來恢復到平衡攻角。靠人類神經的反應速度是來不及的。

3這條線是中性穩定的。不管攻角增大減小,俯仰力矩始終是0。焦點是跟重心重合的。

但是我要指出的是,氣動中心一般情況下是無法與質心也就是重心重合的,因為只有各個氣動力不經過質心,才會產生繞質心的力矩,這是俯仰偏航滾轉力矩來源的原因。

其次,有些人可能沒有看懂,我再次指出一點,當氣動中心位於重心之前,會產生一個抬頭力矩,而增大攻角的同時再次產生一個抬頭力矩的話,這就是靜不穩定。