【固定翼6】飞机的稳定性1

飞机飞行状态的变化，归根到底，都是力和力矩作用的结果。飞机的平衡、稳定性和操纵性是阐述飞机在力和力矩的作用下，飞机状态的保持和改变的基本原理。

飞机的稳定性

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。

就像你骑自行车时松开车把，车子自己还能保持平衡一样——如果飞机原本平稳飞行时突然被一阵风吹歪了（比如机头抬高或机身倾斜），好的飞机不需要飞行员拼命操作，它自己就会慢慢“摆正”，重新回到原来的飞行姿态。

横向失衡（左右不平衡）

表现为左右机翼油箱燃油量不均（一侧标记为"空"，另一侧为"满"）

会导致机翼沉重：飞机在飞行中会向较重的一侧机翼倾斜，需要飞行员持续施加反向操纵力保持平衡。

如同你上学时骑车去打热水，单手拎着热水瓶，单手扶着自行车龙头。

（注：前一段时间回到南邮三牌楼校区，发现集中供热水的地方都没有了。）

纵向失衡（前后不平衡）

表现为前后舱载重分配不当（例如"超额行李"集中在机头或机尾）

会导致机头沉重或机尾沉重：

机头过重

时，飞机容易低头俯冲，升降舵需要更大偏转角度维持平飞；

机尾过重

时，飞机有抬头趋势，可能引发失速风险。

如同骑自行车，后排坐了一个很重的女生，重心偏移，会导致需要更大的升力来维持平衡。

有时，我们会用配重实现更优的重心，避免纵向失衡。如同自行车前后各坐一位女生，这样整体就平衡了。

有时无人机由于有多重情况，各种配置，例如装载不同的外设，不同的云台相机，则会导致不同的重心位置。有时为了不同配置，无人机会故意加配重。

这种情况，会牺牲载重和续航，如同一个人挑担子，前面100斤，后面100斤。但是如果，前面空的，后面是200斤。则需要用手在前面压住，用手产生200斤相当的力矩，等同于挑400斤，还需要力大无穷。如果这样不平衡的挑担子，就是自；找麻烦，自加压力。

对于民航客机来说：飞机各部件、燃料、乘员、货物等重力的合力，叫飞机的重力。飞机重力的着力点叫做飞机重心。

对于无人机来说：脚架，吊舱，电机，电调，电池，飞控，等等相关组件都会影响飞机的重心。

所以很多固定翼飞行前，都需要吊重心。

中性点原理
当飞机重心（CG）与气动中心（AC）重合时，飞行器具有中性静稳定性。若重心前移（CG→），需持续配平升降舵来维持姿态；若重心后移（CG←），则会引发俯仰发散。

力矩平衡方程

当AC=CG时气动力矩归零，此时飞行器无需舵面偏转即可维持平衡，极大降低操纵能耗。

三点悬挂法（以模型飞机为例）：

在机翼前缘25%-30%弦长位置标记悬挂点A、B

机身尾部预设配重区标记悬挂点C

悬挂后观察机身姿态：

机头下沉→需尾部配重

机尾下沉→需电池/设备前移

调整至机身呈水平状态时，三悬挂点形成的平面即为重心平面

飞机在空中的运动，总可分解成飞机各部分随飞机重心一起的移动和飞机各部分绕重心的转动。

飞机重心所在的位置(左右对称、前后位置)，常用重心在飞机某一特定翼弦（平均空气动力弦或标准平均弦）上的投影到该翼弦前端的距离，占该翼弦长度的百分数来表示。

•飞机的平衡：所有作用在飞机上的力之和等于零，各力绕重心构成的诸力矩之和也等于零的飞行状态。

•飞机的平衡包括作用力平衡和力矩平衡两个方面。本节只分析各力矩的平衡。

稳定性概念及条件

稳定性是指一个系统在受到扰动后，恢复到或接近其原始状态的能力。根据恢复情况的不同，可以分为以下几类：

静态稳定性(StaticStability):

指的是系统在静止状态下抵抗扰动的能力。静态稳定性取决于系统的几何形状和质量分布，以及作用在其上的力。

动态稳定性(DynamicStability):

指的是系统在运动状态下抵抗扰动的能力。动态稳定性不仅取决于静态稳定性，还取决于系统的运动状态（例如速度、加速度）和阻尼特性。

正静态稳定性(PositiveStaticStability):

描述:

小球位于一个凹陷的底部。

扰动后的行为:

当受到扰动时，小球会偏离平衡位置，但在重力的作用下，它会倾向于滚回原来的平衡位置。

条件:

系统的势能在一个局部区域内达到最小值，或者说，系统的重心位置最低。

特点:

具有很强的恢复力，即使受到较大的扰动，也能恢复到平衡状态。

例子:

吊灯，船的龙骨设计。

中性静态稳定性(NeutralStaticStability):

描述:

小球位于一个水平面上。

扰动后的行为:

当受到扰动时，小球会移动到一个新的位置，但不会倾向于回到原来的位置，也不会倾向于远离。它在新位置保持平衡。

条件:

系统的势能保持不变，或者说，系统的重心位置没有改变。

特点:

没有恢复力，对扰动不敏感，但也不会因为扰动而变得不稳定。

例子:

一个在完全水平的桌子上的球，理想状态下的旋转轴承。

负静态稳定性(NegativeStaticStability):

描述:

扰动后的行为:

当受到扰动时，小球会偏离平衡位置，并且会倾向于继续滚离原来的位置，最终会达到一个新的、更稳定的状态（例如滚到地面上）。

条件:

系统的势能在一个局部区域内达到最大值，或者说，系统的重心位置最高。

特点:

非常脆弱，极小的扰动都会导致系统偏离平衡状态，并且难以恢复。

例子:

试图让一个鸡蛋竖直立起来，摇摇欲坠的建筑。

除了上述的静态稳定性，还有一些其他的因素会影响系统的稳定性：

阻尼:

阻尼是指系统在运动过程中能量耗散的特性。阻尼可以抑制振荡，使系统更快地达到平衡状态，从而提高系统的稳定性。

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，和最终响应—动稳定性问题）的特性。

Ø俯仰稳定性（纵向稳定性）

Ø方向稳定性

Ø横侧稳定性

飞机的俯仰稳定性

飞机的俯仰稳定性，指的是飞行中，飞机受微小扰动以至俯仰平衡遭到破坏，在扰动消失后，飞机自动趋向恢复原平衡状态的特性。

●俯仰稳定力矩主要由平尾产生

正常布局的飞机的平尾的安装角通常要比机翼的安装角更小。

三角翼通常采用无尾布局，所以控制方式可能和传统飞机不同。可能需要利用机翼本身的可动部分，比如升降副翼（elevons）。升降副翼结合了升降舵和副翼的功能，既能控制滚转，也能控制俯仰。当左右升降副翼同时向下偏转时，可能会增加机翼的升力，导致机头抬起，反之亦然。不过这可能要看具体的设计，比如后缘的控制面如何布置。

三角翼如下图，硬十的2米5翼展无人机，会亮相深圳无人机展。

常规固定翼，如硬十3米6固定翼型号X36

平尾通常包括水平安定面和升降舵，负责俯仰控制。

使用尾部水平尾翼（平尾）控制俯仰是传统飞机设计的核心方式，其优势源于气动布局的物理特性和工程设计的成熟性。以下是平尾在俯仰控制中的主要好处及原理：

力臂长，力矩大：
平尾位于飞机尾部，远离重心，形成较长的力臂。较小的升降舵偏转即可产生较大的俯仰力矩（力矩=力×力臂），控制更灵敏且能耗低。
对比：三角翼依赖升降副翼，力臂较短，需更大偏转角度才能达到相同力矩，可能增加阻力。

配平能力：
平尾可通过调整水平安定面的迎角（或整体角度），在飞行中灵活配平飞机，抵消因燃油消耗、载荷变化或速度改变导致的力矩不平衡。
应用场景：客机巡航时通过平尾配平，减少飞行员操作负担。

纵向静稳定性：
传统布局中，平尾产生的气动力方向通常与主翼相反（主翼升力向上，平尾升力向下）。当飞机因扰动抬头时，平尾下洗流增强，产生更大的向下力，使机头恢复平衡，形成“自稳定”特性。
对比：无平尾三角翼需依赖电传系统主动增稳，天然静稳定性较弱。

气动中心与重心的匹配：
平尾可通过设计调整气动中心（主翼+平尾的综合气动焦点）与重心的相对位置，优化稳定性与操控性的平衡。

低速控制效率：
平尾处于相对干净的气流中（远离主翼涡流干扰），在低速或大迎角时仍能提供稳定控制力。
典型应用：客机起飞/降落阶段依赖平尾精确控制俯仰姿态。

失速特性可控：
平尾可主动抑制主翼失速后的俯仰失控（如深失速），通过升降舵下偏强制低头，帮助飞机改出失速。

模块化设计：
平尾与主翼分离，便于独立制造、维修或更换（如客机平尾检修无需拆卸主翼）。
对比：三角翼的升降副翼与主翼一体化，损伤后维修成本更高。

技术风险低：
平尾设计经过百年验证，气动特性、载荷计算和材料选择均有成熟标准，适合对安全性要求高的飞机（如民航客机、运输机）。

俯仰阻尼力矩是飞机在绕横轴（俯仰轴）旋转时，因气动效应产生的抵抗旋转的力矩，类似“气动刹车”。这一力矩主要由平尾（水平尾翼）产生。

客机（如A320）：
平尾在起飞、降落时通过升降舵大幅偏转提供强阻尼，抑制俯仰振荡；巡航时微调配平，减少飞行员操作。

战斗机（如F-16）：
采用全动平尾（无独立升降舵），通过整体偏转快速响应俯仰角速度变化，提升机动中的动态稳定性。

力臂长

→气动力矩放大。

迎角敏感

→快速响应俯仰旋转。

气动设计专一性

→优化俯仰控制与稳定性。

工程成熟性

→传统布局的核心气动部件。

俯仰阻尼力矩的存在使飞机在机动中不易失控

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