5.飞机纵向气动力和力矩(4学时).ppt

飞机的纵向气动力和力矩 1.飞机纵向的气动力 2.飞机的俯仰力矩 3.飞机的纵向静稳定导数 飞机机翼产生的升力 机翼升力 满足 机翼升力系数斜率 升力的两部分 升力方向：沿垂直于速度方向。 机身升力 机身的升力很小，在大攻角时，有少许升力，满足 ，这里 机身的横截面，且 平尾升力 平尾与机翼类似，但是存在气流下洗和尾涡的影响。 形成原因：外侧流场压力大，上部流场压力小，气体沿机翼表面分离 安定面（平尾）升力组成 安定面本身和舵偏角产生的升力 飞机的升力（主要组成，常规布局） 总升力=机翼升力+机身升力+平尾升力 2 纵向力矩（俯仰力矩） 发动机推力产生的力矩 发动机推力产生的力矩 设发动机推力向量与机体 轴 的距离为 （发动机推力向量处在飞机质心之下），推力为 。由于发动机处在飞机腹部，产生的力矩会使飞机抬头，方向沿 轴，因此 气动俯仰力矩 空气动力产生的俯仰力矩与飞机的速度 、高度 、迎角 、升降舵偏角 有关。机体的俯仰角速度运动会影响翼面与流场的瞬时相对速度和角度，从而改变气动力，进而改变作用力矩，因此沿俯仰轴的角速度也会影响作用在飞机上的力矩，产生动态附加力矩。动态附加力矩主要包括由迎角变化率 、俯仰角速度 、升降舵偏转速率 产生的力矩。因此，俯仰气动力矩可以表示为 用力矩系数表示 这里： 机翼面积， 机翼平均气动弦长， 。 2.1定常直线飞行的俯仰力矩 飞机作定常直线飞行时，速度不变，高度不变，且 因此，俯仰力矩可以表示为 在这种情况下，我们只要研究迎角、升降舵偏角产生的俯仰力矩，按力矩产生的来源，分为机翼产生的俯仰力矩、机身产生的俯仰力矩和平尾产生的俯仰力矩。 2.1.1机翼产生的俯仰力矩 作用于翼型表面的流场压力在翼面不但会产生升力和阻力，而且也会产生力矩。力矩的大小与取矩点有关。取矩点不同，力矩大小不同，但翼型的升力不变。 实验表明，翼型气动力对前缘取矩时的力矩是迎角的函数，在临界迎角内，表现为近似线性关系，且该力矩使得机翼低头。 二维机翼（宽度有限、展长为无限大的直机翼）的升力系数和力矩系数定义为 这里 为二维机翼的弦长， 为某段机翼的面积， 和 分别表示该段翼型的升力和力矩。 设 （即 ，气动升力为零）时，机翼的力矩系数为 ，称为零升力矩系数对正弯度的机翼，一般 为负值。 当迎角增加时，升力增加，对机翼前缘的力矩更负，在范围 内，不但 与 成正比， 与 也成正比，可表示 下标0表示对机翼前缘取矩 我们知道，对于二维翼型，升力系数可表示为 当迎角一定时，升力系数 和力矩系数 都是常数。如果改变取矩点，则气动力矩大小随取矩点变化。 全机气动焦点 将取矩点后移到机翼的中间某处 点，其到前缘的距离为 这时气动力矩系数 满足 为力矩变化量。 令 ，代入升力系数和力矩系数的表达式后有 显然，当 气动力对 点的力矩系数满足 即 点的力矩系数为常数，不随攻角变化。 2.1.2焦点特性 力矩系数 为常数。攻角增加，机翼升力必然增加，但由于总空气动力对焦点的气动力矩不变，即增加的升力和阻力作用在焦点（升力和阻力增量对该点取矩为零）。 推理1：升力作用在焦点上。 推理2：升致阻力作用在焦点上。 推理3：由于为 常数，气动合力对焦点的力矩不随迎角变化，因此，气动合力作用点不在焦点（否则总气动力矩为零）。 焦点的位置： 亚音速临界马赫数内， ； 超音速情况， 。 注意，气动焦点的概念仅适用于线性范畴；在大迎角时，不适用 三维机翼情况 对于三维翼型，气动力矩系数 中翼型的气动弦长应该取平均气动弦长 ，平均气动弦长的计算公式为 2.1.3机翼气动力对飞机质心的力矩系数 设飞机质心（ ）到机翼前缘的距离为 （从机翼前缘向后到飞机质心的距离），机翼力矩对飞机质心取矩时，力矩系数 为 代入 表达式得到 考虑到焦点满足 ，即 所以 考虑到升力系数满足关系 代入后得 对三维机翼， ，令 ，则机翼对飞机质心的力矩系数为 2.1.4机身产生的俯仰力矩