飞机的稳定性、操纵性和机动性

杜　宾

航空工程中有一门学科，是把力学主要是空气动力学知识，具体应用到飞机的运动上去。这就是一般所称的飞机力学或飞机空气动力学。这门学科大致包括了三个基本内容：飞机气动力计算，飞行动力学及飞机的稳定性及操纵性。本文只简单地介绍一下飞机的稳定性、操纵性及机动性。

一架飞机上了天以后，大家关心的问题不外乎是想知道，飞机的飞行情况是否理想？是不是达到了设计时提出的一些飞行质量要求？

那么什么是飞机的飞行质量要求呢？就是为了使飞机能够在空中自如地(当然只是在一定程度下)飞行，所归纳出来的一些具体要求，包括了稳定性、操纵性及机动性等几个方面。我们不打算在这儿详细地来分析这些具体要求，只准备介绍一些一般性的概念。

首先谈谈稳定性这一概念。大家在物理中学到过，所谓物体的平衡大致可分三类：稳定平衡、不稳定平衡及随遇(中立)平衡。这三种平衡可以用一个小球在三种不同的支承面上的情况来说明。图1a)代表稳定平衡状态，因为小球被外界原因挪离平衡点以后，在重力分量T的作用下，仍然要回到原来的平衡点去。图1b)则相反，在外界原因的扰动下，重力分量T使小球愈加远离原来的平衡点，所以A点处的平衡状态是不稳定的。图1c)所示的情况，则为随遇(中立)平衡，因为小球不管移动到那里，重力的作用始终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，而无返回原先位置的能力。飞机空气动力学中所讲的稳定性，就是将此静态平衡的稳定性概念，推广到动态的物体上去。设想飞机原在一个飞行状态下平衡，受到外界的扰动——这种扰动的来源，可以是不平静的气流作用(阵风)或驾驶员疏忽所引起的舵面偏转等，使飞机偏离了原来的飞行状态，当扰动源除去后，飞机有无最终回到原状的能力，就称之为稳定性问题。飞机能回到原位，则称具有稳定性，否则为不稳定或中立稳定。

飞机的稳定性，应该包括了一个运动的过程：飞机受到了外界的扰动，偏离原位一扰动除去后，飞机开始作受扰运动→受扰运动最终情况i)消失偏离、ii)保持偏离不变、iii)偏离继续扩展。

一般地讲，受扰运动大概有四种主要运动方式(不考虑中立稳定情况)：即振动性和非振动性，每种中又包括阻尼和非阻尼二类。

但在工程实践上往往也使用所谓静稳定性的概念。它的定义是说：当扰动除去后，飞机有无恢复原状的趋势，如有，就称为具有静稳定性。所谓“趋势”的意义并不包括运动过程，只是说有没有想向某个方向运动的意思。例如说飞机具有静稳定性，那是指受扰运动的最初瞬间，有向原状回来的趋势。但是回来以后可能又过头了，甚至最后愈偏愈远了，这样就形成不稳定运动。但是实践表明，只要静稳定性在一定范围内，飞机的受扰运动大体上总能保持稳定的。这里顺便要提一下，研究飞机运动时，往往把运动分成纵向和横侧向二大类，所谓纵向运动，就是指沿着飞机对称面内的移动，和绕垂直于此对称面的轴转动。飞机的其余的运动则归之于横侧向运动，对于纵向运动来说，具有静稳定性的话，绝大多数情形下，受扰运动也一定稳定，对横侧向来说，限制就要严格些。

现在我们大体上了解了稳定性的概念，还留下这么一个问题：飞机稳定不稳定究竟有多大关系呢？我们说关系很大，它对飞机运动的作用是多方面的。就主要之点来讲，如果飞机不稳定，那就是说在外界扰动作用下，受扰运动的结果会愈来愈偏离原有的状态，驾驶员想依旧保持原有状态，就得对飞机进行操纵，这样就需要驾驶员付出极大的精力，集中注意进行操纵，对于长途飞行的飞机驾驶员来说，就会感到十分疲劳。所以稳定性不好的飞机虽然也能飞，但操纵比较麻烦(这点我们没有说明其原因)，而且得随时纠正偏离，故一般是不允许飞行的。

飞机具有良好的稳定性，只表明飞机对外加扰动的作用，具有足够的抵抗能力，使飞机仍然保持原状飞行。对一架好飞机来说，这当然是十分必要的。但是光稳定性好还不够，驾驶员想从一个飞行状态换到另一个飞行状态是否容易？飞机反应是否恰当？也应该是评定好坏的主要标准。这类问题就属于操纵性范畴，说简单些，所谓操纵好就是说很容易控制飞机的飞行状态，或者说，飞机非常听驾驶员的话，从驾驶员角度来说就是操纵起来不花很大的力气，操纵动作简单而飞机反应恰当。

包含在操纵性问题里的具体内容是非常广泛的，但总括起来，不出上面所讲的二个方面，即驾驶员劳动强度和飞机的反应(也称之为飞机的跟随性)。飞机设计时注意到减轻驾驶员劳动强度，并且使飞机具有适当的跟随性便是处理操纵性的主要关键。现代飞机采用自动驾驶仪，也是改善操纵性的重要措施。操纵过于灵敏和操纵过于迟钝的飞机都是驾驶员所不欢迎的。前者驾驶员偶一疏忽，飞机就会有很大的反应，而后者是费尽力气，反应还是不合适。至于无法操纵的飞机则根本不能飞行。

最后要谈的是机动性问题。这是指飞机能否在最短时间内改变飞行速度、飞行高度和飞行方向。机动性对军用机(尤其是对歼击机、拦击机等机种)来说特别重要。空战时占有高度及速度优势，和飞机灵巧敏捷都是制胜敌人的重要因素，因此对某些机种来说机动性的好坏有时就成为主要的指标，设计时甚至可以牺牲或者放宽一些稳定性和操纵性方面的要求，力求达到良好的机动性指标。所谓机动性的指标是非常之多的。我们只能列举一二，例如对歼击机来说爬升得快，爬升得高，盘旋的转弯半径小，盘旋一周的时间短、最大平飞速度大等等就是其机动性良好的指标。此外如最大速度和最小平飞速度的比值(象征飞行速度范围)，飞机的着陆速度，起飞降陆的距离和时间，乃至于开动发动机滑跑时的可能转弯半径等等都可作为机动性指标。要改善机动性时往往可以利用特殊的装置，例如想缩短起飞时间和爬升时间就可以采用起飞火箭或附加推力装置等等，想减速快，就可利用减速板或阻力伞等等。

末了还想谈一点稳定性操纵性之间的关系。显然可见，在其他条件不变之下，稳定性大的飞机操纵起来就一定费力些，从费力这点来说就只能说操纵性差了，但是稳定性好，可以改善飞机跟随驾驶员操纵的能力，简化操作步骤(相对不稳定飞机来说)因而，从这些方面来说，又是改善了操纵性。这类又矛盾又有利的例子在飞机设计中是不胜枚举的。只有经过再三权衡，确定各类指标的要求程度，去掉一些次要的，以便能够最大可能的满足一些主要的要求，使新设计的飞机能在某几方面达到较高的水平。不过这就不是本文所要讲述的内容了。