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採用靜不穩定設計飛機有什麼優勢?
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  • 1 # 墨墨觀察

    目前,從戰機控制系統的穩定性與敏捷性來講,它們是一對相對關係,根本上穩定性與機動性是矛盾對立的,採用靜穩定度設計的戰機與靜不穩定度設計的戰機最大區別在於升阻比和機動性。

    靜穩定設計

    通俗來講,氣動的焦點和戰機的重心位置關係就是靜穩定度,後重心為“+”,前重心為“-”,假如戰機採用15%-0%的設計也叫放寬靜穩定設計,10%-5%以內都屬於靜穩定度範疇。靜穩定設計主要適用機型是驗證機,比如中國早期的殲-8和殲-Ⅱ型ACT驗證機就是採用的這種設計。

    殲-8ACT驗證機旨在驗證提升戰機的飛行操控性、機動性等,中國過往的戰機機型大多都有較大的冗餘設計,簡單來講就是機體空間大,改良升級潛力足。為什麼要提殲-8?因為中國當前的主戰機型的動力、航電、武器系統、材料等相當一部分都是透過殲-8驗證平臺做為最終定型設計的依據,殲-8ACT對中國3++、4++代戰機的促進度比較高。

    此外,一般的民航客機採用的都是靜穩定度設計,或適當放寬減少飛機對機尾翼負升力的依賴,設計的完美可以讓尾翼產生正升力,所以適當放寬的設計可以讓民航客機更省油。

    靜不穩定設計

    完全靜不穩定就是負百分比(0%以下),當下世界各國的主戰機型都是採用這種設計。我們直接EG出採用靜不穩定設計的戰機優勢:

    一、靜不穩定設計對於氣動佈局、飛控系統有著極高的要求,如果一款戰機採用了這種設計說明這款戰機的飛控系統已達到世界領先地位。比如美利堅共計生產了近5000架的F-16戰機、中國量產服役的殲-10系列戰機等,甚至業內推測美國的F-22和中國的殲-20戰機或也採用的是靜不穩定設計(推測)。

    三、戰機的巡航速度大體分亞音速和超音速兩種,戰機在飛行的時候氣動焦點會隨著速度的增大產生後移現象,達到超音速(一般1.68-1.7馬赫)時候戰機的靜穩定度就保持“平靜”了。如何在超音速狀態下發揮戰機的優越效能,這就需要非常牛的氣動設計佈局來支撐,F-22和殲-20戰機都有相對完美的氣動設計佈局,殲-20的氣動佈局相對更為領先一些。

    綜上所述,靜穩定和靜不穩定(放寬)其實就是一個相對關係,對於戰機而言只可選擇其一,對於民航客機而言就必須採用靜穩定設計了。

  • 2 # Mr史海拾遺

    首先,什麼是靜穩定?

    說到靜穩定,有一張圖已經迫不及待要跳出來了。

    小球本來靜止在平衡位置,現在有好事者推動小球一下。

    顯然圖a中小球會來回搖擺幾下然後回到原來的位置,這就叫靜穩定,小球受到擾動後,會有讓他迴歸原有位置的力。

    圖b中的小球受到擾動後肯定頭也不回地就滾下去了,這就是靜不穩定,受擾動後受到偏離原有位置的力。

    圖c中的小球受擾動之後既不會回到原位,也不會加速跑掉,這種狀態將靜穩定與靜不穩定分隔開來,叫中立穩定(不過現實中一般看不到就是了)

    對於飛機來說,擁有靜穩定性基本就是要求重心的前後位置要在焦點之前。(影響靜穩定性的因素不止一個,不過重心前後位置是最突出的那一個)

    那麼焦點又是啥呢?

    焦點還有氣動中心、中性點等名字,是飛機受擾動後升力增量的作用點,記住,是增量。飛機因為姿態改變導致的升力變化都可以等效為升力的變化值作用在了焦點上。

    為什麼重心在焦點之前,飛機就會具有靜穩定性呢?

    看圖,看圖。

    重心在焦點之前

    飛機平穩飛行——受到擾動,機頭上偏了一點——飛機迎角增大——全機升力增大——增加的升力可以等效為作用在了焦點上,繞重心產生低頭力矩——機頭上偏被抑制,迎角減小。。。這是個收斂的過程

    重心在焦點之後

    飛機平穩飛行——受到擾動,機頭上偏了一點——飛機迎角增大——全機升力增大——增加的升力可以等效為作用在了焦點上,繞重心產生抬頭力矩——機頭進一步上偏,迎角繼續增大。。。這是個發散的過程。而且可能向上發散也可能向下發散,取決於擾動方向。

    來個算例試試?

    首先我們需要先設計一架靜穩定的飛機,一架總重5kg的波音787模型飛機。

    我們來算算靜穩定性的改變對飛機效能有哪些影響

    如下圖(靜穩定裕度越大,飛機重心越靠前,靜穩定性越強)

    可以看到,適當的靜不穩定可以獲得以下好處:

    提高飛機升阻比減小主機翼負擔,可以減輕結構重量

    除此以外,隨著靜穩定性的放寬,對水平尾翼維持穩定的能力的要求也降低,可以減小尾翼面積和機身長度,進而減輕重量。

    超音速飛行時,放寬靜穩定性就顯得更加重要。亞音速飛行時,飛機焦點大概在機翼平均氣動弦25%的位置(就是靠前),超音速飛行時,飛機焦點會往後移動,達到差不多50%弦長處(就是往後移動了挺長距離),如果飛機在亞音速下是靜穩定的,那麼他在超音速下靜穩定性就更強了,飛機會為了配平付出極大的阻力代價,導致升阻比很低。

    如果將飛機設計為亞音速靜不穩定,當超音速的時候焦點後移,那他就變成靜穩定的了。這樣亞音速時可以提升升阻比,超音速時可以減小配平阻力,這稱為放寬靜穩定。

    所以總的來說,適當的降低靜穩定性,甚至是靜不穩定可以提高飛機升阻比,減輕結構重量。

    擴充套件一下:

    為什麼協和飛機早在1969年就實現了超音速巡航,而F22在21世紀初才做到超音速巡航,其中一個原因就是協和可以透過內部燃油的流動調整整個飛機的重心前後位置,在飛控水平不高的年代可以做到雙卡雙待:亞音速飛行用卡1,重心在前面;超音速飛行用卡2,重心在後面。協和可以透過調整重心位置輕鬆實現超音速巡航,而體型小的戰鬥機顯然沒辦法用燃油配重心來解決超音速巡航的配平阻力問題。

    飛機的靜穩定性和重心位置相當重要。民航飛機在起飛前都要根據乘客坐定後,使用貨物對全機重心進行調配。也有客機上發生騷亂,乘客全都跑到前面導致飛機失控墜毀的。2010年,在剛果墜毀的一架空客A330飛機,就是因為客艙內突然出現一隻鱷魚,嚇得亂作一團的旅客同時湧向駕駛室,結果導致飛機失去平衡而墜毀。放寬靜穩定性這麼好,只需要讓飛控設計師多加加班多寫點程式碼就可以減重減阻,我不說你們都知道怎麼選吧

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