005：航空力学基础、无人机操纵、飞机性能

摘要：本文详细介绍无人机稳定性、操控性、飞机性能等概念。

一、飞机的稳定性

概念：
飞机的稳定性（安定性），是指在飞机受到扰动后，不经飞行员操纵，能恢复到受扰动前的原始状态（即原来平衡状态）的特性。如果能恢复，则称飞机是稳定的；反之，则称飞机是不稳定的。

飞机的稳定性分类：

纵向稳定
横向稳定
侧向（航向）稳定

1. 机体坐标系

原点（0点）：位于飞行器的重心。
纵轴（0X轴）：位于飞行器参考平面内，平行于机身并指向飞行器前方。
横轴（0Y轴）：垂直于飞行器参考面并指向飞行器右方。
立轴（0Z轴）：在参考面内垂直于0XY平面，指向飞行器下方。

2. 姿态角

描述飞机在空中姿态的姿态角有：

俯仰角（Pitch）：机体坐标系纵轴与水平面的夹角。抬头时，俯仰角为正；低头时，俯仰角为负。
滚转角（Roll）：机体坐标系立轴通过机体纵轴的铅垂面间的夹角。机体向右滚转时，滚转角为正；反之为负。
偏航角（Yaw）：机体坐标系纵轴与垂直面的夹角。机头右偏航时，偏航角为正；反之为负。

3. 纵向稳定性

飞机纵向稳定性是指飞机受到上下对流干扰后产生绕横轴转动，扰动消失后能自动恢复原飞行姿态。

保证因素：飞机靠水平尾翼和机翼来保证纵向稳定性。其中，飞机纵向阻尼力矩主要由水平尾翼产生。
重心位置：飞机纵向稳定性主要取决于重心位置。飞机重心位于焦点前面，则飞机纵向稳定。重心的位置用重心到平均气动力弦前缘的距离和平均气动力弦长之比的百分数来表示。
焦点：当飞机迎角变化时，在机翼和尾翼上都会产生一定的附加升力，这个附加升力合力作用点称为飞机的焦点。
静稳定裕度：重心与焦点之间的距离被定义为飞机的静稳定裕度。如果重心靠后，静稳定裕度减小，飞机的纵向稳定性减弱。
配平：重心沿纵轴的前后位置，重心的移动将改变静稳定裕度，甚至使飞机不稳定。可以通过增加或减小头部或尾部配置来调整飞机的稳定性。

4. 航向稳定性

飞机航向稳定性是指飞机受到侧风干扰后产生绕立轴转动，扰动消失后能自动恢复原飞行姿态。

保证因素：飞机主要靠垂直尾翼产生航向稳定力矩来保证航向稳定性。
影响因素：影响飞机方向稳定性的因素主要是飞机迎角、机身、垂直尾翼面积和重心位置。
侧滑角β：空速向量与飞机对称面的夹角。
- 例：当飞机在飞行中遇到侧风时，会产生侧滑角，此时垂直尾翼会产生附加侧向力，帮助飞机恢复航向稳定性。

5. 横向稳定性

飞机横向稳定性是指飞机受到干扰后产生绕纵轴转动，扰动消失后能自动恢复原飞行姿态，反映飞机滚转稳定性的特性。

保证因素：飞机主要靠机翼产生横向稳定力矩来保证横向稳定性。
影响因素：影响飞机横向稳定力矩的因素主要是机翼上反角、机翼后掠角和垂直尾翼。
- 上反角：机翼的底面同垂直于飞机立轴的平面之间的夹角。上反角起到横向稳定性的作用。
  - 例：当飞机受到扰动向右倾斜时，由于上反角的存在，右侧机翼的有效迎角会减小，左侧机翼的有效迎角会增大，从而产生滚转力矩，帮助飞机恢复横向稳定性。
- 后掠角：当飞机受到扰动向右倾斜时，升力也将倾斜而产生右侧滑。由于后掠角的存在，两侧机翼上的有效速度大小不等，右侧机翼产生的升力大于左侧机翼产生的升力，形成滚转力矩，力图减小倾斜。
- 垂直尾翼的横向稳定作用：出现侧滑后，垂直尾翼上产生的附加侧向力作用点位于飞机重心上方，因而相对于重心也形成恢复力矩。

6. 航向与横向稳定性的耦合

飞机的纵向、航向与横向稳定性之间并非完全独立；航向与横向稳定性是紧密联系和相互影响的，因此通常合称为“横侧稳定”。故飞机的横向和航向稳定性之间必须匹配适当。如果匹配不当，飞机将可能出现“螺旋不稳定”或“荷兰滚不稳定”现象。

螺旋（尾旋）：
- 现象：飞机失速后机翼自转，飞机以小半径的圆周盘旋下降运动。
- 原因：飞机横向稳定性过弱，航向稳定性过强，产生螺旋不稳定。
- 改出方法：立即向螺旋反方向打舵到底制止滚转。

荷兰摆（飘摆）：
- 现象：非指令的时而左滚，时而右滚，同时伴随机头时而左偏，时而右偏现象。
- 原因：飞机的横向稳定性过强，而航向稳定性相对过弱，飞机容易出现荷兰滚不稳定。

二、无人机的操纵性

1.无人机操纵的概念

无人机的操纵，指的是通过预设的程序或遥控设备，改变无人机的飞行状态。这一过程中，无人机的操纵性起到了至关重要的作用。操纵性，即飞机对操纵指令的反应特性，也被称为飞机的操纵品质。对于无人机而言，其操纵机构主要包括遥控器的控制杆和特定的按钮，这些机构能够偏转无人机的三个主操纵面——升降舵、方向舵和副翼，从而实现对无人机飞行状态的精确控制。

2.无人机的操纵类型

无人机的操纵类型主要包括俯仰操纵、方向操纵和滚转操纵。

2.1俯仰操纵

俯仰操纵，又称纵向操纵，是指使无人机绕横轴做俯仰（纵向）运动的操纵。通过前推或后拉遥控器的控制杆，可以使无人机的升降舵向下或向上偏转，从而产生俯仰力矩，使无人机低头或抬头做俯仰运动。

2.2方向操纵

方向操纵，又称航向操纵，是指使无人机绕立轴做偏航运动的操纵。通过按下遥控器上的特定按钮（或左右倾斜控制杆，具体取决于无人机的设计），可以使无人机的方向舵向左或向右偏转，从而产生偏航力矩，使无人机向左或向右做偏航运动。

2.3滚转操纵

滚转操纵是指使无人机绕纵轴做滚转（倾侧）运动的操纵。通过左右倾斜遥控器的控制杆，可以使无人机的副翼左、右一侧向下另一侧向上偏转，从而产生滚转力矩，使无人机向左或向右做滚转运动。

3.无人机的辅助操纵机构

除了主操纵面外，固定翼常规无人机还配备了一些辅助操纵机构，以提高飞行性能和安全性。这些辅助操纵机构包括缝翼、襟翼和调整（扰流）片等。

襟翼：作为增升机构，襟翼一般位于机翼后缘，靠近机身，在副翼内侧。放下襟翼时，无人机的升力会增大，失速速度会减小，但阻力也会增大，飞行速度会相应减小。襟翼可以分为简单襟翼、分裂襟翼、开缝襟翼和后退襟翼等多种类型，每种类型都有其特定的增升效果和适用场景。
前缘缝翼：安装在机翼前缘的一段或极端狭长小翼面。当前缘缝翼打开时，它与基本机翼前缘表面形成一道缝隙，下翼面的高压气流通过缝翼加速流向上翼面，增大上翼面附面层气流速度，消除分离漩涡，延缓气流分离，避免大迎角下失速，从而提高升力系数和增大无人机临界迎角。
扰流板：扰流板的主要作用是增加无人机在地面或飞行中的气动阻力以减速；同时，它还可以辅助无人机转弯。通过操纵扰流板的打开和关闭，可以实现对无人机飞行状态的精确调整。

三、飞机性能

飞机性能是指描述飞机质心运动规律的各项参数集合，这些参数全面涵盖了飞机的速度特性、高度能力、航程范围、航时持久性、起飞与着陆效能以及复杂机动飞行（如筋斗、盘旋、战斗转弯等）的能力。

1.基本性能

1.1 高度

理论静升限：飞机在标准大气条件下，能够维持水平直线飞行的最大高度，此时飞机的升力与重力相平衡。
实用静升限：飞机在爬升过程中，当最大爬升率降至特定值（亚声速飞机为0.5m/s，超声速飞机为5m/s）时所对应的飞行高度，此高度反映了飞机在实际操作中的爬升极限。
爬升率：单位时间内飞机垂直上升的高度，是衡量飞机改变高度能力的关键指标。
爬升角：飞机上升轨迹与水平面之间的夹角，它直接体现了飞机的爬升效率和性能。

1.2 速度

最大飞行速度：在特定高度上，发动机以最大推力工作时，飞机在超过3km的飞行距离内所能达到的最高速度，是评估飞机高速飞行能力的重要参数。
最小飞行速度：维持水平直线飞行所需的最小速度，也称为失速速度，低于此速度飞机将难以保持稳定的飞行状态。
巡航飞行速度：在给定高度上，发动机每公里消耗燃油量最小的飞行速度，是长途飞行中追求经济性的关键参数。
平飞有利速度：在此速度下，飞机的航时达到最长，是平衡飞行速度与燃油消耗的最佳点。
飞远航速度：在此速度下，飞机的航程达到最大，是远程飞行时优先考虑的速度。

1.3 航程

最大航程：在起飞后不再加油的情况下，飞机以巡航速度飞行所能达到的最远距离，主要受限于飞机的燃油携带量和飞行效率。

2.起飞与着陆性能

标准的起飞与着陆航线模式，包括起飞边、上升边、转弯边、下降边和着陆边，是飞行员进行起飞和着陆训练时的基础航线。

2.1 起飞

起飞过程涉及起飞滑跑和爬升两个阶段，离地速度越小、滑跑距离越短，表明飞机的起飞性能越优异。
减小起飞距离的方法包括使用增升装置（如襟翼、缝翼）以增加升力，以及增加发动机推力等。

2.2 着陆

着陆过程包括下滑、拉平、平飘、接地和着陆滑跑五个阶段，每个阶段都需要精确控制以确保安全着陆。
着陆距离由下滑距离和着陆滑跑距离组成，其中下滑距离受下滑角、下滑高度以及飞机重量等因素的影响。

3.机动性能

3.1 过载

过载（载荷因子）：飞行器所受外力与飞行器重量之比，用重力加速度G的倍数表示。过载越大，表示飞机所受外力（如升力、阻力）相对其重量越大，越容易改变飞行状态。
飞行员能承受的过载生理极限一般为7到8个G，因此有人驾驶飞机的机动过载通常不超过9个G，而无人机则不受此限制。
法向过载：飞机的升力与重量的比值，用ny表示，当法向过载大于1时，飞机将向升力方向进行转弯或爬升。
过载具有方向性，包括切向过载（与物体运动方向一致或相反）和法向过载（与物体运动方向垂直）。

3.2 盘旋

盘旋：在保持飞行高度不变的情况下，飞机进行圆周飞行。盘旋性能是衡量飞机机动性的重要指标之一。
转弯半径：是盘旋机动中的关键参数，空速越大，转弯半径越大，反之则越小。
通过操纵副翼产生滚转力矩，使外侧机翼副翼向下、内侧机翼副翼向上，从而实现飞机的转弯。转弯时，飞机的向心力主要由升力的水平分力提供，需适时调整迎角和油门以保持高度不变。