静稳定性超音速飞机的不足及应对措施

朱倪瑶　张波

摘  要：采用常规气动布局的战机具有静稳定性，但操纵性较差，在超音速飞行时更为严重。文章阐述了静稳定性的概念，分析了静稳定性超音速飞机的受力特点和不足，并重点研究了采用鸭翼布局的新型战机的结构特点，最后举例分析新型战机因为采用了放宽静稳定度技术，而具有了很高的机动性，更能适应战场环境。

关键词：静稳定性;超音速飞机;鸭翼布局;放宽静稳定度

中图分类号：V212         文献标志码：A         文章编号：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 静稳定性的概念

静稳定性指处于某一基准飞行状态的飞机，受微小扰动偏离平衡状态后，在扰动停止的最初瞬间，具有恢复到原来基准飞行状态的趋势，可用静稳定度衡量[1]。

静稳定度表征飞机的焦点与其重心的相对位置，定义为重心与焦点的距离除以平均气动弦长。焦点在重心之后则静稳定度为正，飞机是静稳定的;焦点在重心之前则静稳定度为负，飞机是静不稳定的[2]。

采用常规气动布局的战机，焦点在重心之后，飞机平衡状态时的受力如图1所示，机翼部分的气动中心在重心稍后的某个位置，这时由机翼升力所产生的力矩使飞机总是具有低头的趋势，因此需要平尾的上偏，以产生使飞机抬头的力矩来保证绕飞机横轴的合力矩为零，即飞机处于俯仰平衡状态。此时，如果飞机因受到俯仰力矩的扰动而抬头时，起初迎角增大，升力也发生变化，产生初始附加升力，作用于飞机的焦点处，如图2所示;由于焦点在重心之后，则产生使飞机低头的力矩，与扰动方向相反，具有削弱扰动影响的趋势，故称飞机是静稳定的。反之，不难看出，新型战机的气动布局设计使焦点在重心之前，便不具有这样的特性，是静不稳定的。

2 静稳定性飞机的不足

由于静稳定性飞机尾翼产生的气动力与机翼产生的升力方向相反，因而使总的升力减小。而且由于飞机的静稳定特性，飞机具有恢复受外力作用前原有飞行状态的趋势，操纵性较差，这使得飞机在空战中的机动性降低，影响作战性能[3]。

在超音速飞行状态，焦点后移导致静稳定性显著增强，静稳定性飞机本身的静稳定度为正，则在超音速飞行时静稳定度更高，飞机操纵性大幅下降。而且由于焦点大幅后移，由此带来的稳定力矩变大，此时平尾必须提供很大的配平力矩（如图3所示），故需要设计面积较大的平尾或平尾配平角;当飞机在升限上飞时，平尾配平角几乎到极限位置，可用于机动飞行的平尾偏转范围大幅减小。又由于平尾偏角增大，导致尾翼负载增大，结构重量也随之增加。另外，机翼升力除了平衡重力以外，还需克服尾翼产生的向下升力，因而可用的法向升力减小，影响飞机的机动能力。此时，为了增加机动性，就必须增大迎角，又会导致诱导阻力骤增，明显减小了升阻比。

3 应对措施

静稳定性飞机超音速飞行时焦点急剧后移，导致飞机操纵性变差，操纵响应变慢，因此飞行员驾驶飞机时操纵动作应柔和，驾驶杆和方向舵应协调操纵。由于水平尾翼、垂直尾翼效率降低，铰链力矩增大，飞行操纵效率不高，需要采用全动平尾设计和助力器补偿。尾翼效率的降低使飞机的航向稳定性和横向稳定性都会随马赫数的增加而下降，在高空飞行时，航向稳定性更差，故需加大垂尾面积或采用飞行控制增稳系统来补偿[4]。

由于静稳定性飞机的上述不足，难以满足现代空战对于战斗机机动性的要求，所以新型战机采用了放宽静稳定度技术，这种飞机亚音速飞行时气动中心可以很靠近全机重心也可以重合，甚至在重心之前，飞机的静稳定度变得很小甚至为负，成为静不稳定的飞机，在飞行时主要依靠自动增稳系统主动控制相应舵面，保证飞机的稳定性。这时为保持平衡只需较小的甚至向上的平尾升力去平衡因机翼升力的作用点在重心之前而产生的使飞机抬头的力矩，如图4所示。

无论是采用常规布局的飞机还是放宽静稳定度的飞机，在超音速飞行时，全机焦点后移，机翼升力的作用点都位于重心之后。此时，静不稳定的飞机也具有了一定的静稳定性，而且静稳定度并不是很大，这样既获得了稳定性，又不会损失太多的操纵性。此外，因为放宽静稳定度的飞机的重心比常规布局的飞机靠后，这样为了配平由机翼升力而引起的低头力矩所需要的尾翼上的配平力矩比常规布局的飞机要小，因而可以大大减少尾翼尺寸和重量，增大升力，增加机动性。

由此可以看出，采用放宽静稳定度的气动构型设计，可以大幅提高飞机的性能。首先，飞机平尾的配平力矩减小，所以平尾的面积可以减小，重量可以减轻，阻力得以减小[5]。另外对于静不稳定的飞机，尾翼的升力和机翼升力方向一致，这样使飞机的总升力也得到了补充。譬如，静稳定的F-14“雄猫”战斗机，在着舰进场的过程中平尾偏转角可达到20°。此时，作用在飞机尾翼上的气动力向下，抵消了部分机翼提供的升力，导致需要的进场速度很大。因此，为改变这种情况，可以在设计飞机时，将机体重心后移，使飞机变得静不稳定，于是要求尾翼向下偏转，产生低头力矩，以保持飞机纵向力矩平衡。这样，尾翼产生的升力方向向上，补充了全机升力，可使飞机的进场速度减小。如F-18E/F超级“大黄蜂”的进场速度大约减少了18km/h。

4 结束语

鉴于静稳定性飞机上述不足，现代超音速战斗机通常采用静不稳定的气动布局，并通过放宽静稳定度技术（加入增稳与控制增稳系统）使得静不稳定布局的战机在具有高机动性的同时，也能具备良好的操纵安全性。这类战机在超音速飞行时，不仅具备了一定的稳定性，同时还保留有很好的操纵性;在亚音速飞行时，也具有重量轻、升阻比高的优点，比静稳定布局的战机更易适应战场环境。

参考文献：

[1]吴文海.飞行综合控制系统[M].航空工业出版社，2007.

[2]柯林森.飞行综合驾驶系统导论[M].航空工业出版社，2009.

[3]彭润艳，王正平，王和平.基于总体布局参数的飞机静稳定性研究[J].飛机设计，2006（3）：31-34.

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

[5]周慧钟，李忠应.放宽飞行器纵向静稳定度问题的分析研究[J].飞航导弹，1998（2）：8-13.