飛機(jī)的穩(wěn)定性、操縱性和機(jī)動(dòng)性

杜　賓

航空工程中有一門學(xué)科，是把力學(xué)主要是空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)，具體應(yīng)用到飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)上去。這就是一般所稱的飛機(jī)力學(xué)或飛機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)。這門學(xué)科大致包括了三個(gè)基本內(nèi)容：飛機(jī)氣動(dòng)力計(jì)算，飛行動(dòng)力學(xué)及飛機(jī)的穩(wěn)定性及操縱性。本文只簡(jiǎn)單地介紹一下飛機(jī)的穩(wěn)定性、操縱性及機(jī)動(dòng)性。

一架飛機(jī)上了天以后，大家關(guān)心的問題不外乎是想知道，飛機(jī)的飛行情況是否理想？是不是達(dá)到了設(shè)計(jì)時(shí)提出的一些飛行質(zhì)量要求？

那么什么是飛機(jī)的飛行質(zhì)量要求呢？就是為了使飛機(jī)能夠在空中自如地(當(dāng)然只是在一定程度下)飛行，所歸納出來的一些具體要求，包括了穩(wěn)定性、操縱性及機(jī)動(dòng)性等幾個(gè)方面。我們不打算在這兒詳細(xì)地來分析這些具體要求，只準(zhǔn)備介紹一些一般性的概念。

首先談?wù)劮€(wěn)定性這一概念。大家在物理中學(xué)到過，所謂物體的平衡大致可分三類：穩(wěn)定平衡、不穩(wěn)定平衡及隨遇(中立)平衡。這三種平衡可以用一個(gè)小球在三種不同的支承面上的情況來說明。圖1a)代表穩(wěn)定平衡狀態(tài)，因?yàn)樾∏虮煌饨缭蚺搽x平衡點(diǎn)以后，在重力分量T的作用下，仍然要回到原來的平衡點(diǎn)去。圖1b)則相反，在外界原因的擾動(dòng)下，重力分量T使小球愈加遠(yuǎn)離原來的平衡點(diǎn)，所以A點(diǎn)處的平衡狀態(tài)是不穩(wěn)定的。圖1c)所示的情況，則為隨遇(中立)平衡，因?yàn)樾∏虿还芤苿?dòng)到那里，重力的作用始終被支承面的反作用力所平衡，故小球可在任一位置下，保持新的平衡，而無返回原先位置的能力。飛機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)中所講的穩(wěn)定性，就是將此靜態(tài)平衡的穩(wěn)定性概念，推廣到動(dòng)態(tài)的物體上去。設(shè)想飛機(jī)原在一個(gè)飛行狀態(tài)下平衡，受到外界的擾動(dòng)——這種擾動(dòng)的來源，可以是不平靜的氣流作用(陣風(fēng))或駕駛員疏忽所引起的舵面偏轉(zhuǎn)等，使飛機(jī)偏離了原來的飛行狀態(tài)，當(dāng)擾動(dòng)源除去后，飛機(jī)有無最終回到原狀的能力，就稱之為穩(wěn)定性問題。飛機(jī)能回到原位，則稱具有穩(wěn)定性，否則為不穩(wěn)定或中立穩(wěn)定。

飛機(jī)的穩(wěn)定性，應(yīng)該包括了一個(gè)運(yùn)動(dòng)的過程：飛機(jī)受到了外界的擾動(dòng)，偏離原位一擾動(dòng)除去后，飛機(jī)開始作受擾運(yùn)動(dòng)→受擾運(yùn)動(dòng)最終情況i)消失偏離、ii)保持偏離不變、iii)偏離繼續(xù)擴(kuò)展。

一般地講，受擾運(yùn)動(dòng)大概有四種主要運(yùn)動(dòng)方式(不考慮中立穩(wěn)定情況)：即振動(dòng)性和非振動(dòng)性，每種中又包括阻尼和非阻尼二類。

但在工程實(shí)踐上往往也使用所謂靜穩(wěn)定性的概念。它的定義是說：當(dāng)擾動(dòng)除去后，飛機(jī)有無恢復(fù)原狀的趨勢(shì)，如有，就稱為具有靜穩(wěn)定性。所謂“趨勢(shì)”的意義并不包括運(yùn)動(dòng)過程，只是說有沒有想向某個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的意思。例如說飛機(jī)具有靜穩(wěn)定性，那是指受擾運(yùn)動(dòng)的最初瞬間，有向原狀回來的趨勢(shì)。但是回來以后可能又過頭了，甚至最后愈偏愈遠(yuǎn)了，這樣就形成不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。但是實(shí)踐表明，只要靜穩(wěn)定性在一定范圍內(nèi)，飛機(jī)的受擾運(yùn)動(dòng)大體上總能保持穩(wěn)定的。這里順便要提一下，研究飛機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，往往把運(yùn)動(dòng)分成縱向和橫側(cè)向二大類，所謂縱向運(yùn)動(dòng)，就是指沿著飛機(jī)對(duì)稱面內(nèi)的移動(dòng)，和繞垂直于此對(duì)稱面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)。飛機(jī)的其余的運(yùn)動(dòng)則歸之于橫側(cè)向運(yùn)動(dòng)，對(duì)于縱向運(yùn)動(dòng)來說，具有靜穩(wěn)定性的話，絕大多數(shù)情形下，受擾運(yùn)動(dòng)也一定穩(wěn)定，對(duì)橫側(cè)向來說，限制就要嚴(yán)格些。

現(xiàn)在我們大體上了解了穩(wěn)定性的概念，還留下這么一個(gè)問題：飛機(jī)穩(wěn)定不穩(wěn)定究竟有多大關(guān)系呢？我們說關(guān)系很大，它對(duì)飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的作用是多方面的。就主要之點(diǎn)來講，如果飛機(jī)不穩(wěn)定，那就是說在外界擾動(dòng)作用下，受擾運(yùn)動(dòng)的結(jié)果會(huì)愈來愈偏離原有的狀態(tài)，駕駛員想依舊保持原有狀態(tài)，就得對(duì)飛機(jī)進(jìn)行操縱，這樣就需要駕駛員付出極大的精力，集中注意進(jìn)行操縱，對(duì)于長(zhǎng)途飛行的飛機(jī)駕駛員來說，就會(huì)感到十分疲勞。所以穩(wěn)定性不好的飛機(jī)雖然也能飛，但操縱比較麻煩(這點(diǎn)我們沒有說明其原因)，而且得隨時(shí)糾正偏離，故一般是不允許飛行的。

飛機(jī)具有良好的穩(wěn)定性，只表明飛機(jī)對(duì)外加擾動(dòng)的作用，具有足夠的抵抗能力，使飛機(jī)仍然保持原狀飛行。對(duì)一架好飛機(jī)來說，這當(dāng)然是十分必要的。但是光穩(wěn)定性好還不夠，駕駛員想從一個(gè)飛行狀態(tài)換到另一個(gè)飛行狀態(tài)是否容易？飛機(jī)反應(yīng)是否恰當(dāng)？也應(yīng)該是評(píng)定好壞的主要標(biāo)準(zhǔn)。這類問題就屬于操縱性范疇，說簡(jiǎn)單些，所謂操縱好就是說很容易控制飛機(jī)的飛行狀態(tài)，或者說，飛機(jī)非常聽駕駛員的話，從駕駛員角度來說就是操縱起來不花很大的力氣，操縱動(dòng)作簡(jiǎn)單而飛機(jī)反應(yīng)恰當(dāng)。

包含在操縱性問題里的具體內(nèi)容是非常廣泛的，但總括起來，不出上面所講的二個(gè)方面，即駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度和飛機(jī)的反應(yīng)(也稱之為飛機(jī)的跟隨性)。飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)注意到減輕駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度，并且使飛機(jī)具有適當(dāng)?shù)母S性便是處理操縱性的主要關(guān)鍵?，F(xiàn)代飛機(jī)采用自動(dòng)駕駛儀，也是改善操縱性的重要措施。操縱過于靈敏和操縱過于遲鈍的飛機(jī)都是駕駛員所不歡迎的。前者駕駛員偶一疏忽，飛機(jī)就會(huì)有很大的反應(yīng)，而后者是費(fèi)盡力氣，反應(yīng)還是不合適。至于無法操縱的飛機(jī)則根本不能飛行。

最后要談的是機(jī)動(dòng)性問題。這是指飛機(jī)能否在最短時(shí)間內(nèi)改變飛行速度、飛行高度和飛行方向。機(jī)動(dòng)性對(duì)軍用機(jī)(尤其是對(duì)殲擊機(jī)、攔擊機(jī)等機(jī)種)來說特別重要?？諔?zhàn)時(shí)占有高度及速度優(yōu)勢(shì)，和飛機(jī)靈巧敏捷都是制勝敵人的重要因素，因此對(duì)某些機(jī)種來說機(jī)動(dòng)性的好壞有時(shí)就成為主要的指標(biāo)，設(shè)計(jì)時(shí)甚至可以犧牲或者放寬一些穩(wěn)定性和操縱性方面的要求，力求達(dá)到良好的機(jī)動(dòng)性指標(biāo)。所謂機(jī)動(dòng)性的指標(biāo)是非常之多的。我們只能列舉一二，例如對(duì)殲擊機(jī)來說爬升得快，爬升得高，盤旋的轉(zhuǎn)彎半徑小，盤旋一周的時(shí)間短、最大平飛速度大等等就是其機(jī)動(dòng)性良好的指標(biāo)。此外如最大速度和最小平飛速度的比值(象征飛行速度范圍)，飛機(jī)的著陸速度，起飛降陸的距離和時(shí)間，乃至于開動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)滑跑時(shí)的可能轉(zhuǎn)彎半徑等等都可作為機(jī)動(dòng)性指標(biāo)。要改善機(jī)動(dòng)性時(shí)往往可以利用特殊的裝置，例如想縮短起飛時(shí)間和爬升時(shí)間就可以采用起飛火箭或附加推力裝置等等，想減速快，就可利用減速板或阻力傘等等。

末了還想談一點(diǎn)穩(wěn)定性操縱性之間的關(guān)系。顯然可見，在其他條件不變之下，穩(wěn)定性大的飛機(jī)操縱起來就一定費(fèi)力些，從費(fèi)力這點(diǎn)來說就只能說操縱性差了，但是穩(wěn)定性好，可以改善飛機(jī)跟隨駕駛員操縱的能力，簡(jiǎn)化操作步驟(相對(duì)不穩(wěn)定飛機(jī)來說)因而，從這些方面來說，又是改善了操縱性。這類又矛盾又有利的例子在飛機(jī)設(shè)計(jì)中是不勝枚舉的。只有經(jīng)過再三權(quán)衡，確定各類指標(biāo)的要求程度，去掉一些次要的，以便能夠最大可能的滿足一些主要的要求，使新設(shè)計(jì)的飛機(jī)能在某幾方面達(dá)到較高的水平。不過這就不是本文所要講述的內(nèi)容了。