靜穩(wěn)定性超音速飛機(jī)的不足及應(yīng)對措施

朱倪瑤　張波

摘? 要：采用常規(guī)氣動(dòng)布局的戰(zhàn)機(jī)具有靜穩(wěn)定性，但操縱性較差，在超音速飛行時(shí)更為嚴(yán)重。文章闡述了靜穩(wěn)定性的概念，分析了靜穩(wěn)定性超音速飛機(jī)的受力特點(diǎn)和不足，并重點(diǎn)研究了采用鴨翼布局的新型戰(zhàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，最后舉例分析新型戰(zhàn)機(jī)因?yàn)椴捎昧朔艑掛o穩(wěn)定度技術(shù)，而具有了很高的機(jī)動(dòng)性，更能適應(yīng)戰(zhàn)場環(huán)境。

關(guān)鍵詞：靜穩(wěn)定性;超音速飛機(jī);鴨翼布局;放寬靜穩(wěn)定度

中圖分類號：V212? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）31-0135-02

Abstract： The aircraft with the conventional aerodynamic layout has static stability， but the maneuverability is poor， and it's more serious when flying at supersonic speed. This paper expounds the concept of static stability， analyzes the characteristics and disadvantages of the static stability supersonic aircraft， and focuses on the structural characteristics of the new fighter aircraft using the duck wing layout. Finally， it points out that the new fighter with high mobility is more adaptable to the battlefield environment because of the stability relaxation technology.

Keywords： static stability; supersonic aircraft; duck wing layout; relaxed static stability

1 靜穩(wěn)定性的概念

靜穩(wěn)定性指處于某一基準(zhǔn)飛行狀態(tài)的飛機(jī)，受微小擾動(dòng)偏離平衡狀態(tài)后，在擾動(dòng)停止的最初瞬間，具有恢復(fù)到原來基準(zhǔn)飛行狀態(tài)的趨勢，可用靜穩(wěn)定度衡量[1]。

靜穩(wěn)定度表征飛機(jī)的焦點(diǎn)與其重心的相對位置，定義為重心與焦點(diǎn)的距離除以平均氣動(dòng)弦長。焦點(diǎn)在重心之后則靜穩(wěn)定度為正，飛機(jī)是靜穩(wěn)定的;焦點(diǎn)在重心之前則靜穩(wěn)定度為負(fù)，飛機(jī)是靜不穩(wěn)定的[2]。

采用常規(guī)氣動(dòng)布局的戰(zhàn)機(jī)，焦點(diǎn)在重心之后，飛機(jī)平衡狀態(tài)時(shí)的受力如圖1所示，機(jī)翼部分的氣動(dòng)中心在重心稍后的某個(gè)位置，這時(shí)由機(jī)翼升力所產(chǎn)生的力矩使飛機(jī)總是具有低頭的趨勢，因此需要平尾的上偏，以產(chǎn)生使飛機(jī)抬頭的力矩來保證繞飛機(jī)橫軸的合力矩為零，即飛機(jī)處于俯仰平衡狀態(tài)。此時(shí)，如果飛機(jī)因受到俯仰力矩的擾動(dòng)而抬頭時(shí)，起初迎角增大，升力也發(fā)生變化，產(chǎn)生初始附加升力，作用于飛機(jī)的焦點(diǎn)處，如圖2所示;由于焦點(diǎn)在重心之后，則產(chǎn)生使飛機(jī)低頭的力矩，與擾動(dòng)方向相反，具有削弱擾動(dòng)影響的趨勢，故稱飛機(jī)是靜穩(wěn)定的。反之，不難看出，新型戰(zhàn)機(jī)的氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)使焦點(diǎn)在重心之前，便不具有這樣的特性，是靜不穩(wěn)定的。

2 靜穩(wěn)定性飛機(jī)的不足

由于靜穩(wěn)定性飛機(jī)尾翼產(chǎn)生的氣動(dòng)力與機(jī)翼產(chǎn)生的升力方向相反，因而使總的升力減小。而且由于飛機(jī)的靜穩(wěn)定特性，飛機(jī)具有恢復(fù)受外力作用前原有飛行狀態(tài)的趨勢，操縱性較差，這使得飛機(jī)在空戰(zhàn)中的機(jī)動(dòng)性降低，影響作戰(zhàn)性能[3]。

在超音速飛行狀態(tài)，焦點(diǎn)后移導(dǎo)致靜穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)，靜穩(wěn)定性飛機(jī)本身的靜穩(wěn)定度為正，則在超音速飛行時(shí)靜穩(wěn)定度更高，飛機(jī)操縱性大幅下降。而且由于焦點(diǎn)大幅后移，由此帶來的穩(wěn)定力矩變大，此時(shí)平尾必須提供很大的配平力矩（如圖3所示），故需要設(shè)計(jì)面積較大的平尾或平尾配平角;當(dāng)飛機(jī)在升限上飛時(shí)，平尾配平角幾乎到極限位置，可用于機(jī)動(dòng)飛行的平尾偏轉(zhuǎn)范圍大幅減小。又由于平尾偏角增大，導(dǎo)致尾翼負(fù)載增大，結(jié)構(gòu)重量也隨之增加。另外，機(jī)翼升力除了平衡重力以外，還需克服尾翼產(chǎn)生的向下升力，因而可用的法向升力減小，影響飛機(jī)的機(jī)動(dòng)能力。此時(shí)，為了增加機(jī)動(dòng)性，就必須增大迎角，又會導(dǎo)致誘導(dǎo)阻力驟增，明顯減小了升阻比。

3 應(yīng)對措施

靜穩(wěn)定性飛機(jī)超音速飛行時(shí)焦點(diǎn)急劇后移，導(dǎo)致飛機(jī)操縱性變差，操縱響應(yīng)變慢，因此飛行員駕駛飛機(jī)時(shí)操縱動(dòng)作應(yīng)柔和，駕駛桿和方向舵應(yīng)協(xié)調(diào)操縱。由于水平尾翼、垂直尾翼效率降低，鉸鏈力矩增大，飛行操縱效率不高，需要采用全動(dòng)平尾設(shè)計(jì)和助力器補(bǔ)償。尾翼效率的降低使飛機(jī)的航向穩(wěn)定性和橫向穩(wěn)定性都會隨馬赫數(shù)的增加而下降，在高空飛行時(shí)，航向穩(wěn)定性更差，故需加大垂尾面積或采用飛行控制增穩(wěn)系統(tǒng)來補(bǔ)償[4]。

由于靜穩(wěn)定性飛機(jī)的上述不足，難以滿足現(xiàn)代空戰(zhàn)對于戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)動(dòng)性的要求，所以新型戰(zhàn)機(jī)采用了放寬靜穩(wěn)定度技術(shù)，這種飛機(jī)亞音速飛行時(shí)氣動(dòng)中心可以很靠近全機(jī)重心也可以重合，甚至在重心之前，飛機(jī)的靜穩(wěn)定度變得很小甚至為負(fù)，成為靜不穩(wěn)定的飛機(jī)，在飛行時(shí)主要依靠自動(dòng)增穩(wěn)系統(tǒng)主動(dòng)控制相應(yīng)舵面，保證飛機(jī)的穩(wěn)定性。這時(shí)為保持平衡只需較小的甚至向上的平尾升力去平衡因機(jī)翼升力的作用點(diǎn)在重心之前而產(chǎn)生的使飛機(jī)抬頭的力矩，如圖4所示。

無論是采用常規(guī)布局的飛機(jī)還是放寬靜穩(wěn)定度的飛機(jī)，在超音速飛行時(shí)，全機(jī)焦點(diǎn)后移，機(jī)翼升力的作用點(diǎn)都位于重心之后。此時(shí)，靜不穩(wěn)定的飛機(jī)也具有了一定的靜穩(wěn)定性，而且靜穩(wěn)定度并不是很大，這樣既獲得了穩(wěn)定性，又不會損失太多的操縱性。此外，因?yàn)榉艑掛o穩(wěn)定度的飛機(jī)的重心比常規(guī)布局的飛機(jī)靠后，這樣為了配平由機(jī)翼升力而引起的低頭力矩所需要的尾翼上的配平力矩比常規(guī)布局的飛機(jī)要小，因而可以大大減少尾翼尺寸和重量，增大升力，增加機(jī)動(dòng)性。

由此可以看出，采用放寬靜穩(wěn)定度的氣動(dòng)構(gòu)型設(shè)計(jì)，可以大幅提高飛機(jī)的性能。首先，飛機(jī)平尾的配平力矩減小，所以平尾的面積可以減小，重量可以減輕，阻力得以減小[5]。另外對于靜不穩(wěn)定的飛機(jī)，尾翼的升力和機(jī)翼升力方向一致，這樣使飛機(jī)的總升力也得到了補(bǔ)充。譬如，靜穩(wěn)定的F-14“雄貓”戰(zhàn)斗機(jī)，在著艦進(jìn)場的過程中平尾偏轉(zhuǎn)角可達(dá)到20°。此時(shí)，作用在飛機(jī)尾翼上的氣動(dòng)力向下，抵消了部分機(jī)翼提供的升力，導(dǎo)致需要的進(jìn)場速度很大。因此，為改變這種情況，可以在設(shè)計(jì)飛機(jī)時(shí)，將機(jī)體重心后移，使飛機(jī)變得靜不穩(wěn)定，于是要求尾翼向下偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生低頭力矩，以保持飛機(jī)縱向力矩平衡。這樣，尾翼產(chǎn)生的升力方向向上，補(bǔ)充了全機(jī)升力，可使飛機(jī)的進(jìn)場速度減小。如F-18E/F超級“大黃蜂”的進(jìn)場速度大約減少了18km/h。

4 結(jié)束語

鑒于靜穩(wěn)定性飛機(jī)上述不足，現(xiàn)代超音速戰(zhàn)斗機(jī)通常采用靜不穩(wěn)定的氣動(dòng)布局，并通過放寬靜穩(wěn)定度技術(shù)（加入增穩(wěn)與控制增穩(wěn)系統(tǒng)）使得靜不穩(wěn)定布局的戰(zhàn)機(jī)在具有高機(jī)動(dòng)性的同時(shí)，也能具備良好的操縱安全性。這類戰(zhàn)機(jī)在超音速飛行時(shí)，不僅具備了一定的穩(wěn)定性，同時(shí)還保留有很好的操縱性;在亞音速飛行時(shí)，也具有重量輕、升阻比高的優(yōu)點(diǎn)，比靜穩(wěn)定布局的戰(zhàn)機(jī)更易適應(yīng)戰(zhàn)場環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳文海.飛行綜合控制系統(tǒng)[M].航空工業(yè)出版社，2007.

[2]柯林森.飛行綜合駕駛系統(tǒng)導(dǎo)論[M].航空工業(yè)出版社，2009.

[3]彭潤艷，王正平，王和平.基于總體布局參數(shù)的飛機(jī)靜穩(wěn)定性研究[J].飛機(jī)設(shè)計(jì)，2006（3）：31-34.

[4]Bellur L Nagabhushan.Directional control of an advanced airship[J]. Journal of Aircraft， 1996，33（5）：895-900.

[5]周慧鐘，李忠應(yīng).放寬飛行器縱向靜穩(wěn)定度問題的分析研究[J].飛航導(dǎo)彈，1998（2）：8-13.