飞机的纵向静稳定性及其试飞技术研究

袁广田 张聪 岳耀斌

摘  要：文章通过理论推导，给出飞机按速度的纵向静稳定性和按过载的纵向静稳定性的影响因素;并给出两者之间的区别与联系，进而给出纵向静稳定性的试飞方法及关键参数，供在实际试飞中借鉴。分析表明：飞机按速度的纵向静稳定性一般弱于按过载的纵向静稳定性;前者试飞中一般使用平飞加减速法能较高效的判断飞机是否满足要求;后者一般使用纵向阶跃法判断飞机是否满足要求。

关键词：飞行试验;静稳定性;试飞技术

中图分类号：V217.1        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）14-0143-03

Abstract： In this paper， through theoretical derivation， the influencing factors of longitudinal static stability according to velocity and longitudinal static stability of the aircraft according to overload are given， the difference and relation between them are given， and then the flight test method and key parameters of longitudinal static stability are given for reference in practical flight test. The analysis shows that the longitudinal static stability of the aircraft according to the velocity is generally weaker than that of the longitudinal static stability according to the overload， and the flat flight acceleration and deceleration method can be used to judge whether the aircraft meets the requirements more efficiently in the former flight test. The latter generally uses the longitudinal step method to judge whether the aircraft meets the requirements.

Keywords： flight test; static stability; flight test technology

飛机在大气中飞行的过程中，经常会受到各种不可预测的运动，如大气扰动、发动机推力脉动、飞行员无意识的动杆等。这些扰动都会使飞机的飞行状态发生改变。因此，必须研究学习飞机在受到扰动后，自动恢复原状态的能力，即飞机的稳定性问题。通常称飞机飞行状态及受扰前飞机平衡状态为配平状态，因此稳定性问题就是研究飞机在配平状态受到外界扰动而偏离平衡状态时，飞机自身能否有力矩产生使之回到原配平状态的能力。通常为了研究问题方便，在飞机飞行动力学中常将稳定性分为静稳定性与动稳定性两大类[1]。

动稳定性实质是真正的飞机稳定性。它是指飞机在配平状态下受到扰动，扰动消失后，飞机自身能恢复原平衡状态的能力。所谓静稳定性则是指飞机在配平状态下受到扰动，扰动消失瞬间，飞机自动恢复原平衡状态的趋势。因此静稳定性不是真正的稳定性，具有静稳定性的飞机，不一定具有动稳定性，但是通常静稳定性是飞机动稳定性的前提，特别是静稳定性与相应的飞机静操纵性具有密不可分的关系。因此，讨论飞机的静稳定性，亦具有非常重要的意义。而飞机的三向静稳定性中，纵向静稳定性是最为重要的，因此，本文重点对于飞机的纵向静稳定性及其试飞技术进行讨论。

1 纵向静稳定性

飞机的纵向静稳定性主要研究飞机在配平状态下的纵向俯仰力矩特性问题。飞机的纵向静稳性包括按过载的静稳定性和按速度的静稳定性。

1.1 按过载静稳定性

按过载静稳定性是指飞机在配平状态下受到扰动，在扰动过程中，飞机速度始终保持不变，过载随迎角偏离原配平状态而变化，在扰动消失瞬间，飞机自动恢复原平衡状态的趋势。如果有自动恢复原配平迎角的趋势，则称飞机具有按过载的静稳定性。因为按过载静稳定性的条件是速度不变，因此按过载的静稳定性又称为定速稳定性。

虽然定速是一种理想情况，迎角变化，引起过载变化后，势必影响阻力变化，但扰动初期，速度变化不大可以忽略。

飞机是否具有按过载的静稳定性，决定于飞机纵向力矩系数mz随迎角α的变化特性，当mzα<0时，飞机具有按过载的静稳定性;mzα>0时，飞机为按过载静不稳定的;而mzα=0时，飞机为中立稳定。

1.2 按过载静稳定性的影响因素

1.2.1 在飞机飞行过程中，对重心位置的变化，必须引起足够重视。特别是轰炸机，由于机身较长，携带的燃料、弹药较多，所以飞行中重心位置变化往往较大。例如，某型轰炸机的重心位置变化范围为20.7%Ca～33.7%Ca（Ca，平均气动弦）。33.7%Ca重心位置已相当靠后，如果在飞机后部装载过多，就会使按过载静稳定性降低过多，从而会使飞行员不易掌握操纵量。燃油系统工作不正常，用油顺序遭到破坏时也会出现类似的问题。

1.2.2 飞行马赫数

超声速飞机比亚声速飞机的按过载稳定性有明显增强。这是因为超过临界马赫数后，随着马赫数增大，焦点位置急剧后移。在重心位置不变的情况下，飞机的按过载静稳定性增加。

1.2.3 大迎角

在中小迎角，飞机的气动焦点位置变化范围较小，所以一般在进行分析和工程中，认为其位置是不变的。但在大迎角，由于飞机机翼表面存在较大区域的流动分离，飞机的气动焦点位置会产生较大的前移量，导致飞机的纵向力矩曲线向上弯曲（如图1所示），使mzα>0，飞机失去按过载的纵向静稳定性。某些后掠翼飞机，因为采用翼刀等措施，延缓了飞机机翼上表面的流动分离，使这种情况有所改善。但是，有些飞机因为采取措施不够有力，例如轰某型飞机，后掠角较大，翼刀却较低，这种现象仍然严重存在。除了上述因素外，影响飞机按过载静稳定性的还有飞机的弹性变形、地面效应、发动机工作状态等因素。

1.3 按速度的纵向静稳定性

在扰动过程中，如果飞机在迎角变化的同时，速度也发生变化，但法向过载保持常数（通常取为1），这种扰动称为定载扰动。

按速度的静稳定性是指飞机在配平状态下受到定载扰动，扰动消失瞬间飞机自动恢复原平衡状态的趋势。由于按速度静稳定性是在定载扰动下的静稳定性，因此也称为定载静稳定性[1]。

假定定载扰动使飞机速度增大，为了保持定载，飞机的Cy下降（dCy<0）。如果，飞机具有按速度的纵向静稳定性，即（■）■<0，则dmz>0，该力矩力图使飞机增大迎角，减小速度，飞机具有恢复原平衡状态的趋势，即具有速度稳定性。反之，如果飞机是按速度静不稳定的，即（■）■>0，则dmz<0，该力矩力图使飞机迎角减小，速度继续增加，没有回到原配平速度点的趋势，所以该飞机不具有按速度的静稳定性。

1.4 两种静稳定性的关系

即一般情况下，飞机的按速度静稳定性比按过载静稳定性弱。

2 飞机纵向静稳定性试飞方法

2.1 按过载的纵向静稳定性

按过载的纵向静稳定性最常用的试飞方法为纵向阶跃法和稳定盘旋法。

纵向阶跃法要求飞行员快速拉杆或推杆，使飞机具有一定的纵向输入，并且保持该纵向输入3～5s，使飞机法向过载稳定在某一数值，如图2，图3所示。若飞机具有按过载的静稳定性，则飞行员为保持稳定的法向过载，必须具有一个持续稳定的杆力输入以保持杆位移不变。完成试飞后，试飞工程师选出试飞中阶跃动作初始参数与过载稳定时刻的参数（图2，图3中虚线所示），计算出ΔFe/Δny、ΔDe/Δny以测定飞机按过载的纵向稳定性，其中，Fe为纵向操纵杆力，De为纵向操纵位移。因此，该试飞动作执行过程中，稳定的法向过载和纵向输入是关键。稳定盘旋法与縱向阶跃法执行过程不同，但是对于参数的要求是相同的，同样要求稳定的纵向输入和法向过载，试飞工程师的数据处理方法也相同，因此，此处不再赘述。

2.2 按速度的纵向静稳定性

按速度的纵向静稳定性，要求在过载恒定（通常为1）的条件下测定，所以试飞中常采用的方法是平飞加减速法和分段稳定平飞法。

2.2.1 平飞加减速法

该方法要求飞行员从飞机飞行包线左边界稳定平飞，加速到飞机包线右边界，再从飞机右边界稳定平飞，减速到飞机左边界。试飞过程中尽量保持法向过载为1，且加减速过程中，不能改变飞机调效机构位置。飞行品质试飞中，平飞加减速对于发动机的状态没有要求，其他试飞科目如飞行性能，会对发动机状态有所要求。在飞机加速过程中，飞行员推杆;减速过程中，飞行员拉杆则说明飞机具有按速度的静稳定性。试飞工程师通过绘制纵向杆力、纵向杆位移、飞机迎角随速度的变化曲线判断飞机是否具有按速度的纵向静稳定性（如图4所示）。

2.2.2 分段稳定平飞法

分段稳定平飞法就是在某一飞行高度，从飞机的左边界到飞机的右边界选择5～8个速度点，每个速度点稳定平飞一段时间。使飞机的法向过载、迎角、纵向杆位移、纵向杆力保持稳定。试飞工程师选取每个平飞段稳定数据，绘制出图3，判断飞机是否具有按速度的纵向静稳定性。

3 结束语

本文首先介绍了飞机两种纵向静稳定性的概念，分析了按过载纵向静稳定性的影响因素，并分析两种纵向静稳定性的关系，进而给出两种纵向静稳定性的试飞方法及试飞过程中需注意的关键参数，以供参考。

参考文献：

[1]高浩，等.飞行动力学飞机的稳定性与操纵性[D].西北工业大学，1991.

[2]陈廷楠，等.飞机飞行性能品质与控制[M].国防工业出版社，2010.

[3]方振平.飞机飞行动力学[M].北京航空航天大学出版社，2005.