第八章平衡与安定性 【空气动力学连载】

An追求

第一节平衡与安定性 力的平衡条件有六个，分别是X、Y、Z三个轴力的平衡及绕X、Y、Z三个轴弯矩的平衡，轴力不平衡则会在合力的方向產生加速度，弯矩不平衡则会產生旋转加速度。飞机平衡后才能维持稳定的飞行，但平衡不一定具安定性，安定性是指当平衡因阵风或其他因素被破坏时，飞机要有自行恢復平衡的能力，安定性好的飞机平衡被破坏后能迅速修正回来，安定性不好的飞机平衡被破坏后產生波状飞行或左右摇晃甚至根本不能恢復，大部分自由飞飞机因效率的关係只在一个固定速度及姿态下才能平衡，所以手掷飞机比赛时投掷的技巧佔很大的的比例，当飞机掷出后在最高点衝力消失的一剎那，这时飞机就要摆好滑翔的姿态开始滑翔，否则高度掉了一大半才恢復平衡开始滑翔，那就不要比了。   第二节重心上下位置 飞机依主翼的位置可分为高翼机机、中翼机及低翼机，主要的考量在於安定性，飞机的升力作用点与重心位置 高翼机重心在压力中心下，当飞机倾斜时，升力与重力有一自动回復的力矩，很适合遥控练习机，当然也很适合自由飞的飞机，低翼机重心在压力中心之上，当飞机倾斜时，升力与重力造成的力矩不但不会使飞机回復反而会加速侧滚，这正是特技机要的特性，如此反应敏捷的飞机当然不很适合练习机，但如果低翼机上反角大的话，压力中心也相对提高，安定性也提高，所以有很多实机的初级练习机也是低翼机，至於为什麼有些教练机要採用低翼而不用较稳定的高翼则是因为起落架，高翼机的机翼离地太高起落架只能装在机身上，两个轮子的宽度就很窄，降落时一个不小心翼端就擦到地面，低翼机起落架分别装在机翼两边，这样就够宽了，低翼机加装水脚变成水上飞机时，因重心降低也有助於稳定。中翼机压力中心与重心几乎重合，飞机由正飞转倒飞或由倒飞转正飞感觉都一样，所以很多特技机採用中翼设计，但中翼设计採用最多的不是特技机，而是竞速机及高级滑翔机，原因不是为了安定性，反而是为了减少寄生阻力，主翼与机身接合处有严重的寄生阻力必须予以整型，由﹝图8-2﹞可以看出，中翼机所需要的代价最少，不过中翼机主翼与机身接合处是一个结构弱点，滑翔机机翼比较长，採用左右插梢方式不会破坏机身完整性，特技机因为要作激烈动作无法採用插梢方式，机身开口处结构要特别加强。 第三节纵轴平衡 飞机重心的前后位置同样影响飞机的安定性，飞机的安定与平衡有三种型式﹝如图8-3﹞： １不安定、平衡：如﹝图8-3a﹞重心在压力中心之后，当飞机受阵风或其他外力影响產生抬头时，主翼攻角增大，升力增加，焦点弯矩不变，升力与重力產生的力矩会增加抬头的趋势，所以是平衡但不安定。 ２中性安定、不平衡：如﹝图8-3b﹞重心与压力中心在同一线上，没有修正力矩来平衡焦点弯矩，所以称中性安定但不平衡。 ３安定、不平衡：如﹝图8-3c﹞重心在压力中心之前，当飞机受阵风或其他外力影响產生抬头时，主翼攻角增大，升力增加，升力与重力產生的力矩会减少抬头的趋势，所以称安定但不平衡。 由以上可看出没有水平尾翼的飞机无法保持俯仰安定与平衡﹝S型翼除外﹞，故水平尾翼有其必要性。 四节重心前后位置 实际上飞机重心前后位置安排必须与水平平尾翼配平力等一併考虑，我们知道机翼產生升力同时亦產生一弯矩，我们也知道当速度固定时升力对於机翼前缘算来1/4距离的位置產生的弯矩是固定的，所以实际升力產生的作用可以以作用在焦点的力及一个弯矩来替代，现在我们将飞机装上尾翼后再分析一次飞机的安定与平衡，以下五种配置，作用於飞机的力都是平衡的，向上力的和等於向下的力的和，顺时针弯矩的和等於反时针弯矩的和： １重心在压力中心之后、尾翼升力向上﹝如图8-4﹞：这是自由飞模型最常採用的配置，重心在机翼偏后位置，自由飞模型一般重心在前缘算起50%~90%位置，主翼升力对重心產生的弯矩无法抵销焦点弯矩，尾翼须一个向上的升力，以便產生一个反时针弯矩，这时飞机的重量W等於主翼升力L1加尾翼升力L2﹝W=L1+L2﹞，即尾翼分担部分主翼的负担，事情好像不错，但我们不要忘了，尾翼既然有升力就多了一组诱导阻力，另外当飞行中碰到阵风或飞机加速，因升力与速度平方成正比，主翼与尾翼升力同时增加，飞机就不由自主往上升，这在自由飞模型固然可以争取高度，但在遥控特技飞机就不是件好事了。 ２重心在压力中心之后、尾翼无升力﹝如图8-5﹞：一般内凹翼型重心约在前缘算起33%位置，很多遥控模型飞机採用此种配置，这是因为压力中心原在25%位置，再加上焦点弯矩化为升力对重心的位移约8%，故假设把压力中心移至33%位置时刚好无弯矩作用，此时主翼升力等於飞机重量﹝W=L1；L2=0﹞，所以尾翼的配平力为零，尾翼没有升力就没有尾翼的诱导阻力是最大优点。 ３重心与压力中心同一线之前、尾翼升力向下﹝如图8-6﹞：这种配置重心在压力中心同一线上，主翼升力对重心未產生任何弯矩，焦点弯矩无法抵销，尾翼须一个向下的力，以便產生一个顺时针弯矩以取得平衡，这时飞机的主翼升力L1等於重量W加尾翼向下升力L2﹝L1= W +L2﹞，即尾翼消耗部分主翼的升力。 ４重心在压力中心之前、尾翼升力向下﹝如图8-7﹞：这种配置有天生的安定性，是像真机、遥控练习机最常採用的配置，主翼升力对重心產生的弯矩及焦点弯矩需由尾翼向下升力產生的顺时针弯矩予以配平，这时飞机的主翼升力L1等於重量W加尾翼向下升力L2﹝L1= W +L2﹞，即尾翼消耗部分主翼的升力。 ５前翼机﹝如图8-8﹞：重心在压力中心之前，主翼升力对重心產生的弯矩及焦点弯矩需由前翼来配平，因前翼在主翼前方，所以前翼升力向上產生顺时针弯矩以便配平，飞机的重量W等於主翼升力L1加前翼升力L2﹝W=L1+L2﹞。 重心在压力中心之后尾翼產生向上的升力分担部分主翼的负担，好像是不错的方法，如此主翼面积可以缩小，节省重量及阻力，但这种配置方式飞机只在一个速度下平衡，当飞行中碰到阵风或飞机加速，飞机就不由自主往上升，遥控飞机还有另一个问题，当操纵者打升舵欲往上飞时，尾翼攻角改变升力改为向下產生顺时针弯矩﹝如图8-9﹞，主翼攻角增大升力增加，增加的升力对重心的顺时针弯矩把机头抬得更高，使主翼攻角进一步增大，结果使升力再增加，恶性循环使飞机反应过度，变得非常”神经质”，严重时根本无法操纵。 自由飞模型通常只有一种飞行速度就是滑降，所以採用如﹝图8-4﹞配置是很自然的事，遥控模型就比较复杂，练习机的场合初学者希望当飞行姿势乱掉时，只要把手离开摇桿，飞机会自动恢復水平飞行，飞机对舵的反应不要太敏感，特技机的场合则刚好相反，希望飞机对舵的反应灵敏，当你爬升或俯衝时不希望有慢慢回復平飞的倾向，所以重心的位置非常重要，但重心的位置并没有一个明确的分界点，如在某一点则安全，在另一点则敏感，一般遥控模型飞机重心约在前缘25%~33%都可以，像真机还可以再前一点，市售遥控飞机的设计图，上面标示的重心大部分都不是固定一点，而是一个范围，总之重心越偏前面纵向越安定，越后面越敏感。另外一个要注意的地方是，量重心位置时油箱不要有油，如连燃油一起量，因一般飞机油箱都在机头，量起来重心偏前，我在飞行场看过好几次重心太后的飞机，刚起飞时还好，当燃油越用越少重心会越偏越后，最后就陷入无法操纵而摔机。 重心在压力中心之后的配置，尾翼產生向上的升力分担部分主翼的负担，如此主翼面积可以缩小，节省重量及阻力，前面已提过这种配置方式飞机只在一个速度下平衡，但因为现在电脑发达，於是发展出线传飞控(Fly By Wire)，使这种配置大为流行，方法为使用各种感测器取得飞机速度、姿态等资料，经电脑计算后每秒发出几十次修正命令给操纵面，使飞机保持平衡，现在新一代战机如f16、幻象2000、F22都是线传飞控，民航机如Airbus的飞机也是FBW，读者可以注意电视上F16起飞时的影片，当飞机由停机坪往跑道滑行时，因此时电脑已开啟，地上任何不平整使飞机颠簸一下，飞机的电脑就认为姿态改变了，於是发出修正命令给升降舵，结果我们就看到升降舵猛上下修正，以前因为电脑程式问题，法国的空中巴士曾在航空展眾目睽睽下发生电脑与人抢操纵权的事情，结果当然是很凄惨

An追求

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飞天

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Zzk-rc

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Zzk-rc

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twototoo

挺好的，但是怎么没有图呢，不够形象啊

fahai2002

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抓螃蟹的猫

学习学习！！！！赞一个