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飞行小知识:飞机会不会被大风吹翻?

莱特兄弟制造出世界上第一个重于空气的飞行器,他们重要的贡献之一是指出了一个飞行器需要具备的三个性能:

1.升力

2.推力

3.操控性

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然而对前两个性能的研究,George Cayley, Otto Lilienthal, Octave Chanute, Samuel Langley和其他一些前辈已经做了很多工作,至于控制方面,早期并没有去大量研究。莱特兄弟自己建造了一个小型风洞来测试不同的翼型(改进升力),还为他们的飞机制造了一台轻质量发动机(推力得到了改进),但是他们更大的贡献在于他们在飞行器上安置的控制系统。

从根本上讲,飞行器以自身重心为基准,可以绕三个坐标轴进行旋转:

1.纵轴从机鼻到机尾,也叫滚动轴,比如:侧滚使一边机翼抬起,一边机翼落下;

2.横轴从一边翼尖到另一边翼尖,也叫俯仰轴,比如:机头抬起或落下;

3.垂直轴从机舱顶到起落架底部,也叫偏向轴,比如:机头向左/右偏转。

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通常飞行器的水平尾翼上有水平的升降舵可以控制飞机做出俯仰动作。垂直尾翼上有一方向舵控制飞机偏航。机翼上的副翼可以控制飞机做侧滚动作。上述飞机的每一个动作都是通过改变控制面上的升力完成的。

比如:

1.升降舵下偏,增加水平尾翼的有效外弧度,从而增加飞机尾部的气动升力,使机头低下,低于重心。相反,升降舵上偏,机头会抬起;

2.对于垂直尾翼上的方向舵,方向舵往一侧偏,会导致反向升力的增加,从而使机头向升降舵偏转侧偏转;

3.至于副翼,其一侧下偏,另一侧就会上偏,进而分别产生向上和向下的力是飞机做出滚转动作。

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二十世纪早期,飞行器设计先驱就提出了用升降舵和方向舵来控制飞机做俯仰与偏转动作的理念。然而,通过倾斜使飞机偏航的理念相对比较新颖。但早期莱特兄弟就已经从根本上理解了这一概念。观察1903年莱特兄弟的飞行器,在其前面机翼和垂直尾翼上清晰可见升降舵和水平舵来控制其俯仰和偏转。但是最大胆的创新在于控制机翼卷曲,从而使飞行器向一侧滚转。查看录像可见其升降舵,方向舵和机翼卷曲的机械原理。

如今,更多的控制系统被研究出来替换上述传统的控制系统,比如:

1.升降副翼—将副翼和升降舵结合起来;

2.尾部升降副翼—两个不同的水平尾翼;

3.前缘缝翼和后缘襟翼—多用来起飞和着陆时增加升力。

但是这些操作的原理是相同的,即飞机某一处的升力的改变,使飞机绕重心做出相应的动作。

操作副翼的特殊情况

在操作副翼时有两个特殊情况。

一个是反向偏航。副翼偏转时,会一个上抬,一个下落,下落的副翼比上抬的副翼产生更大的气动阻力。这个空气阻力也是机翼产生的升力的一部分。简单来说,升力增加导致更多的涡脱落,使前后压差阻力增加,作为飞机的制动力。下落的副翼产生更多的升力,相应产生的阻力也较大,这会使飞机朝这一侧偏转,所以此时要用方向舵来平衡这个力。方向舵产生的空气动力可以阻止反向偏航的发生。此外,阻力副翼的前缘过度的圆角增加了上抬副翼的阻力,从而也可以抵消下沉一侧副翼产生的阻力。但阻力副翼的使用可能会导致危险的机翼振动,所以副翼的偏转动作不宜过大。

二是副翼反转,以下两种条件下会出现这类情况。

① 攻角较大,飞行速度较低时,比如:起飞或降落时,攻角会增加,副翼下偏,攻角增加到跨过稳定区以后(边界层分离),机翼上的升力会降低,甚至造成失速。这种情况下,下偏的副翼会产生相反的效果。

② 飞行速度很高时,副翼上偏或下偏会在机翼上产生大的扭矩,造成整个机翼的弯扭。比如:下偏的副翼会造成机翼尾缘上扭和前缘下扭,进而导致攻角的减小和升力的降低。这种情况下,结构设计师需要确定机翼的抗扭刚度足够抵抗扭转载荷造成的影响,或者使飞机的最大速度低于发生这种情况的临界速度。

稳定性

什么是飞机的稳定性呢?最基本的我们要了解有和无飞行员对扰动做调整情况下飞机飞行稳定性的区别。我们这里仅讨论飞机固有稳定性。如果飞机在小扰动过后,不需飞行员调整,就可以恢复到原有的平稳状态,则可以说飞机是稳定的。因此,飞机对扰动的响应纯粹取决于研究人员的设计。水平飞行时,我们定义稳定性为静态稳定性。事实上,飞机小扰动之后恢复到原始稳定态,则飞机是静态稳定的;如果飞机总是无法保持稳定状态,则称它是静态不稳定的;如果经过一个扰动后,飞机稳定在一个新的水平上,则称它是中性稳定的。动态稳定是有害的。飞机可能不断地往原始静态稳定水平调整,但可能会调整过度,最终导致飞机不断在稳定的边缘徘徊;甚至飞机完全偏离其稳定区域而不得控制,这时候飞行员必须通过适当的操作来进行纠正。有静态不稳定就意味着动态不稳定也存在,但是静态稳定时也会存在动态稳定。

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纵向/横向稳定性

通常我们把飞机相对俯仰轴的稳定性叫做纵向稳定性。飞机的纵向稳定性会受三个因素的影响:

1.中心的位置。一般来说,飞机重心越靠近机头,其抗颠簸的能力越强。然而,重心偏离太多会导致难以操控,而且空速较低时机头会明显发沉,尤其是飞机在着陆时候。飞机重心偏后会降低其本身的静态稳定性,而且任何重心后移的操作都会使飞机难以控制。

2.压力中心的位置。压力中心是指将飞机各点的升力整合到一处的点。因此,如果压力中心与重心不吻合的话,重力就会产生俯仰力矩。飞机的压力中心是不稳定的,如何通过控制机翼的角度来控制压力中心是一个难点。

3.水平尾翼,尤其是升降舵的设计。如之前所说,升降舵的作用是使飞机做出俯仰动作。所以,升降舵也可以用来避免任何非人为的俯仰动作。在水平尾翼和飞机一体化设计过程中,工程师需要认真考虑如何利用升降舵固有的被动恢复的能力。比如:假设飞机飞行过程中吹过一阵强风,使飞机机翼的入射角增加(机头抬起),这使机翼得到更大的升力,压力中心后移。因此,此时由于重力引起的俯仰力矩也会增加,由于机头抬起/机尾下沉,所以升降舵的攻角也会增加。因此,设计师需要保证升降舵增加的升力乘以其到重心的距离要大于机翼产生的影响。

由于压力中心与重心之间的相互影响,水平位移的设计会对飞机俯仰静态稳定性造成极大的影响。一般来说,由于通常机身成泪珠状,压力中心会明显高于重心。因此,升力作用会导致重力在一定程度上产生相对于压力中心的不稳定力矩。垂直尾翼主要用来保持方向稳定性,如果没有这个结构,飞机将无法完成飞行。

横向稳定性

横向稳定性通常指飞机做出一侧机翼抬起/下降动作时飞机的稳定性。当飞机做滚转时,其机翼将不再垂直于重力加速度的方向,所以,垂直作用于机翼表面的升力也不再与重力平行。因此,飞机滚转会产生竖直方向平行于重力的升力和水平的测向载荷,所以会使飞机侧滑。如果侧向载荷可以使飞机恢复到原始飞行状态,那么飞机就是横向稳定的。有两种很有效的方法可以做到这一点:

1.利用上反角效应的上偏机翼。如果飞机受到侧向干扰,滚转面向一侧时会导致向下的机翼的迎角大于向上的机翼。发生这种现象是因为机翼向前和向下的动作等同于净攻角的增加,相反,机翼向前和向上的动作等同于净攻角的减小。所以,作用在下方机翼上的升力要高于上方的机翼。这表明飞机向一侧侧滚时,升力差产生的力矩促使飞机回归到最开始水平飞行的状态。这事实上是遵循飞机被动控制机理,不需要飞行员或任何电子稳定控制系统对飞机进行修正。下方上偏机翼不仅不会产生不稳定影响,相反他会提供一定的机动性。

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2.后掠机翼。飞机侧滑时,下方的机翼在沿气流方向的有效弦长比上方的机翼要短。下方机翼较短的弦长会增加有效的弧度,从而比上方机翼产生更多的升力。这种结构与前述的上偏机翼都会产生使飞机恢复到水平飞行状态的力矩。

需要注意的是,上偏和后掠机翼可以组合起来使用,是飞机处于可控稳定的范围内。比如,一架飞机的机翼设计得过度后掠,这是适当的上偏机翼可以提高它的可操控性,进而提高飞机的稳定性。

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纵向/方向和横向稳定性的相互作用

如前面所说,飞机的一个动作通常会伴随有另一个动作。飞机的偏航会导致一侧机翼向前,一侧机翼向后,从而使机翼上表面控诉发生变化,导致两侧机翼产生不同的升力。结果就是,飞机偏转的同时会伴随着侧滚。这些相互作用和偶合反应会导致另一种不稳定性。

比如,盘旋状态下偏航的方向稳定性和侧滚的横向稳定性。当我们讨论横向稳定性问题时,我们注意到侧滚引起的侧滑会产生恢复力矩来抵消侧滚。然而,由于方向稳定性,这种动作也会产生偏转效应使倾斜加重。侧向和方向的恢复效应的相对量级将决定飞机接下来会发生什么。多数飞机的方向稳定性都较好,所以侧滚时有小小的扰动也会导致很大的侧倾。如果此时飞行员或电控系统不做出相应的调整,飞机将进入翻转俯冲的状态。

另一个例子是横滚,偏转和侧滚之间的一种复杂反复的动作。如果后掠机翼因偏转的扰动而发生振动,那么靠前机翼会产生较大的升力,这和在侧滑情况下较短有效弦长对应较大气流流通面积的原理是一样的。所以,飞机会向机翼位置靠后的一侧测滚。然而,靠前的机翼在产生升力的同时也产生较大的阻力,阻止飞机发生偏转,在一定条件下,这种现象会迫使飞机进入不舒适的震动阶段。当今多数的飞机,都会安有自动控制系统防止此类震动不稳定现象的发生。

本文中,我只介绍了工程师在设计飞机时会面临到的一小部分有关飞机控制方面的问题。当今多数的飞机由很复杂的计算机软件进行控制,所以控制和稳定性方面的问题必不可少。全自动的飞行越来越少,多数仅限于起飞和着陆阶段。事实上,很有可能人机交互的控制方式会使得很多系统失效。(来源:航空制造网微信公号)

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