橫向穩定性

橫向穩定性是飛機抵抗滾轉角擾動的固有能力。在水平飛行中，兩側機翼均處於水平面內，滾轉角為0。如果飛機在受到一些擾動後，發生滾轉但是非常緩慢，則滾轉速度可以忽略，從而不會產生恢復滾轉力矩，除非有側滑產生。因此，在沒有側滑時，在受到滾轉擾動後，飛機是中立穩定的。一旦發生滾轉，飛機就會由於重力的展向分量而在滾轉的方向產生側滑。如果這一側滑產生恢復滾轉力矩，則該飛機是橫向穩定的。一旦機翼回到水平狀態，滾轉角擾動與側滑是可以消除的，飛機將回到初始的定直平飛狀態。由滾轉角引起的側滑另一方面，如果側滑導致的滾轉力矩導致滾轉角進一步增大，則該飛機是橫向不穩定的。如果側滑導致的滾轉力矩為0，飛機將保持恆定的滾轉角並持續側滑，則該飛機橫向中立穩定。

基本介紹

• 中文名：橫向穩定性
• 外文名：lateral stability

穩定性判據

由側滑導致滾轉力矩的產生，被稱為上反效應；如果飛機由於側滑而產生恢復滾轉力矩，則稱該飛機具有正的或穩定的上反效應。因此，橫向穩定的飛機具有正的上反效應，反之亦然。需要注意的是，上反效應與上反角是有區別的。上反角是機翼平面與水平面的夾角，如果翼梢位於翼根之上，上反角為正；如果翼梢位於翼根之下，則上反角為負（下反）。而上反效應，則是飛機由於側滑產生的滾轉力矩，取決於很多因素，包括機翼上反角。

由上面的討論，我們可以看出，對於橫向穩定的飛機，正側滑產生恢復滾轉力矩，根據通常的符號規定，該力矩為負。類似地，如果穩定的飛機向左側滑，即側滑為負，產生的恢復滾轉力矩將為正。因此，橫向穩定性的判據可以表示為

或係數形式

其中

這裡，L為滾轉力矩（注意，符號L同樣也用於表示升力）。因此， <0的飛機是橫向穩定的；>0的飛機是橫向不穩定的；而 =0的飛機則是橫向中立穩定的。橫向不穩定或中立穩定的飛機仍是可以飛行的，只是始終需要駕駛員介入以抵抗滾轉擾動，這是非常討厭的。通常，這樣的飛機可以通過反饋控制系統達到閉環穩定性。

穩定性估算

我們可以假設由參數衡量的飛機橫向穩定性，等於機身、機翼與尾翼等幾個獨立部件的貢獻之和。動力對橫向穩定性的影響很小，通常可以忽略。

(1)機身貢獻

機身對橫向穩定性的直接影響是可以忽略的。不過，由於其對機翼的顯著干擾，機身會對橫向穩定性造成間接影響，我們將在下文中對這一間接影響進行討論。

(2)機翼貢獻

機翼對橫向穩定性的影響主要取決於：①翼身相互干擾；②機翼上反角及③機翼前緣後掠角。這些影響將在下文進行簡單討論。

(3)翼身相互干擾

該相互干擾取決於機翼的位置。上單翼會產生增穩效果，而下單翼則會產生不穩定或失穩效果。

側滑中流經機身的氣流，總的來說，類似於流經旋轉體的橫向流動。對於上單翼飛機，正側滑會使右側機翼的內側受到上洗，使得迎角增大；飛機的性能、穩定性、動力學與控制而左側機翼的內側則會受到下洗，從而使迎角減小。升力的不平衡導致上單翼構型產生穩定或恢復滾轉力矩。類似地，我們可以看出，對於下單翼構型，側滑誘發的滾轉力矩是不穩定的。如果機翼位於機身中部，則干擾效果很小，誘發的滾轉力矩基本為0。

(4)機翼上反的影響
通常，機翼上反對橫向穩定性來說起的是增穩的作用。機翼上反的作用是增加橫向穩定性的，且直接正比於機翼上反角及二維升力線斜率的大小。不過，上反角過大對於乘客來說可能是不舒服的，因為飛機在滾轉方向會對大氣湍流及突風非常敏感。此外，過大的上反角對於側風起飛與著陸、不對稱動力飛行也是不利的。

需要重申的是，片條理論忽略了相鄰機翼剖面間的相互干擾作用，即展向的下洗變化與誘導阻力在片條理論里是被忽略的。

(5)機翼後掠的影響

通常，後掠起的是增加橫向穩定性的作用，而前掠起的是相反的失穩作用。機翼後掠對橫向靜穩定性來說起的是增穩的作用。該作用的大小取決於機翼的後掠角與升力係數或迎角。類似地，我們可以看出前掠對橫向靜穩定性來說起的是失穩的作用。

(6)綜合機翼貢獻

對於大展弦比上反後掠機翼，對橫向靜穩定性的綜合貢獻可假設等於後掠角與上反角的獨立貢獻之和，且可以使用片條理論方法。不過，需要注意的是，片條理論忽略了相鄰機翼剖面間的相互干擾作用，即展向的下洗變化與誘導阻力在片條理論里是被忽略的。

為了更精確地估算綜合考慮了翼身干擾、上反、後掠等因素的機翼貢獻，可以使用以下經驗關係。該方法適用於任意展弦比、梢根比的無扭轉、梯形機翼。

影響因素

機翼上反角

上反角是影響橫向穩定性的主要因素。不同形式的上反角對橫向穩定性的作用也不同，在上反角高度相同的情況下，三折形式恢復力矩最大，圓弧形式的橢圓形上反角從氣動力角度來看效果最好，但因製作困難，很少採用。

機翼後掠角

機翼的後掠角可增大飛機的橫向穩定性。一般來說8～100的後掠角相當於10上反角的作用。因橡筋模型飛機機翼一般都不採用後掠角設計，此處不作詳細討論。

重心的位置

當飛機側滑時，機身垂直尾翼等部件都會產生側向氣動力，如果這些側向氣動力的壓力中心位置高於模型的重心，將產生使模型恢復原先平衡的力矩。重心位置越低，恢復力矩越大。飛機大多都採用高翼台，垂直尾翼的高度相對較高，都能起到改善橫向穩定性的作用。

提高方法

通常，飛機只需要很小的正橫向穩定性。這是因為側滑引起過多的滾轉會使側風起飛和著陸變得複雜，此過程需要側滑。過強的橫向穩定性會增加滾轉一偏航的耦合現象，這在飛機執行某些規定航向的任務時是不希望發生的，如儀表進場和對地掃射飛行。

鑒於上述情況，用什麼辦法來提高或降低橫向穩定性呢?一旦飛機進入飛行試驗階段，可採用的辦法就會變得很少。設計者在飛機設計階段會有幾種方案供選擇，為了評估這些方案，要研究飛機的各個部件對橫向穩定性的貢獻。

機翼對橫向穩定性做出較大的貢獻。帶上反角的機翼，當飛機側滑時遭遇側滑的升力增大，另一側機翼迎角減小，升力減小，從而使飛機產生趨於穩定的滾轉力矩。因此，飛機的橫向穩定性也叫做上反效應。

後掠機翼也會在側滑時產生有利的滾轉力矩。這也是由於側滑時兩側機翼的有效迎角不同引起的，遭遇側滑一側機翼的有效後掠角減小，另一側機翼的有效後掠角增加。這一效應隨著迎角的增加變得更加明顯，高性能、大後掠角的飛機會表現出嚴重的滾轉一偏航耦合問題。

機身或者機身機翼組合體對橫向穩定性做出了較大的貢獻。實質上也是由於機身的影響導致迎角的變化。上單翼飛機產生正的橫向穩定性，下單翼飛機產生負的橫向穩定性。這一影響非常顯著，以至於下單翼飛機比上單翼需要多3°-4°的上反角。

垂直尾翼對橫向穩定性也有貢獻。側滑飛行時在垂直尾翼上產生的側力與縱軸有一段距離，因而常規飛機產生有利的滾轉力矩。通過將垂直尾翼部分或全部布置在縱軸下面可以使有利的滾轉力矩變為0，甚至產生不利的滾轉力矩。

螺旋槳產生的滑流對橫向穩定性也有貢獻。側滑飛行時，滑流大都流過背離來流的一側機翼，因而產生不利於穩定的滾轉力矩。當襟翼放下時這一滾轉力矩更大，因此螺旋槳式發動機的構型通常由橫向穩定性來決定。