沿飛機機體座標系的縱軸的穩定性稱為飛機的橫向穩定性(側滾穩定性、上反效應)。當一邊的機翼比另一邊機翼低時,可以幫助穩定側面傾斜或者側滾效果。有三個主要因素影響飛機的橫向穩定,即上反角、後掠角和龍骨效應。
1. 上反角
產生飛機橫向穩定性的最通常做法是構造機翼上反角,即飛機每一邊的機翼和機身形成一個窄的“V”字型,機翼相對於機身上翹。上反角用機翼平面與橫軸之間的角度來度量,通常大小為1~3度。
當然,橫向穩定性的基礎是機翼產生力的橫向平衡。升力的任何不平衡都會導致飛機產生繞縱軸側滾的趨勢。
如果短暫的陣風使得飛機的一側機翼上升,另一側機翼降低,飛機就會傾斜。當飛機不是轉彎的傾斜時,它會側滑或者朝機翼較低的側面下滑,如下圖所示。
上反角對橫向穩定性的作用
因為有上反角,空氣衝擊較低一側的機翼的迎角比較高一側的機翼大得多。如下圖所示。這樣,較低一側的機翼的升力就增加,較高一側的機翼升力就降低,飛機趨於恢復到最初的橫向平衡狀態(機翼水平)——即兩個機翼的迎角和升力又一次相等。
上反效應引起速度和迎角的變化
左、右半翼迎角和速度改變引起的反對稱的升力和升致阻力的變化,同時還出現附加的側向氣動力。上反角的效果是產生一個橫滾力矩,在發生側滑時這個力矩趨於使飛機恢復到橫向平衡飛行狀態。恢復力矩會把較低一側的機翼向上移動很多,導致另一側的機翼向下。如果這樣的話,這個過程會重複下去,每一次橫向擺動幅度都降低,直到最終達到機翼水平飛行的平衡狀態。
可見,飛機機翼的上反角是有助於增強飛機的橫向穩定性的。
但是,過大的上反角對橫向機動是不利的。如果飛機會橫向非常穩定,以至於它會抵抗任何有意識的橫滾運動,則會造成飛機的滾轉操縱困難。出於這個原因,要求具有快速橫滾或者傾斜特性的飛機通常其上反角比那些要求較少機動性的飛機上反角小。
2. 後掠角
由於後掠角影響的特性,它對上反效應的影響也是極其重要的。在側滑時,迎風一側的機翼後掠角實際減小,而背風一側的機翼後掠角實際增大。如圖9所示。
區域性速度和垂直於絃線剖面的區域性迎角
斜掠翼只對垂直於機翼前緣的風分量敏感,也就是說產生空氣動力的有效速度為垂直於機翼前緣的分速度。從而,如果機翼產生正升力係數,迎風一側的機翼升力增加,背風一側的機翼升力降低,產生橫向的穩定力矩和消除側滑的偏航力矩。所以,後掠翼會促進正上反效應,而前掠翼會促進負上反效應。可見,飛機機翼的後掠角是有助於增強飛機的橫向穩定性的。
3. 龍骨效應
飛行中,機身的側面區域和垂直尾翼對氣流的反作用非常類似於船的龍骨,它對飛機的縱軸會施加一個穩定的橫向影響。
一般飛機的構造決定了龍骨區域的絕大部分在飛機重心的後面上方,龍骨對飛機橫向穩定性的作用
這樣,當飛機朝一邊側滑時,作用在龍骨區域上部的氣動力趨於使飛機橫滾回到機翼水平的飛行狀態中。
從上述分析可見,飛機的機翼上反、後掠和產生在飛機重心之上的龍骨效應都可以增強飛機的橫向穩定性。平直翼佈局飛機機翼沒有後掠角,其橫向穩定性就只能由機翼的上反角和龍骨效應提供;而龍骨效應相對於上反角和後掠角對飛機橫向穩定性的作用較小,因而平直翼佈局飛機的橫向穩定性就只能主要依靠機翼上反角保證了。
這就是平直翼飛機的機翼總是上翹的主要原因。再看看下面這些平直翼佈局飛機的機翼,也是上翹的。
沿飛機機體座標系的縱軸的穩定性稱為飛機的橫向穩定性(側滾穩定性、上反效應)。當一邊的機翼比另一邊機翼低時,可以幫助穩定側面傾斜或者側滾效果。有三個主要因素影響飛機的橫向穩定,即上反角、後掠角和龍骨效應。
1. 上反角
產生飛機橫向穩定性的最通常做法是構造機翼上反角,即飛機每一邊的機翼和機身形成一個窄的“V”字型,機翼相對於機身上翹。上反角用機翼平面與橫軸之間的角度來度量,通常大小為1~3度。
當然,橫向穩定性的基礎是機翼產生力的橫向平衡。升力的任何不平衡都會導致飛機產生繞縱軸側滾的趨勢。
如果短暫的陣風使得飛機的一側機翼上升,另一側機翼降低,飛機就會傾斜。當飛機不是轉彎的傾斜時,它會側滑或者朝機翼較低的側面下滑,如下圖所示。
上反角對橫向穩定性的作用
因為有上反角,空氣衝擊較低一側的機翼的迎角比較高一側的機翼大得多。如下圖所示。這樣,較低一側的機翼的升力就增加,較高一側的機翼升力就降低,飛機趨於恢復到最初的橫向平衡狀態(機翼水平)——即兩個機翼的迎角和升力又一次相等。
上反效應引起速度和迎角的變化
左、右半翼迎角和速度改變引起的反對稱的升力和升致阻力的變化,同時還出現附加的側向氣動力。上反角的效果是產生一個橫滾力矩,在發生側滑時這個力矩趨於使飛機恢復到橫向平衡飛行狀態。恢復力矩會把較低一側的機翼向上移動很多,導致另一側的機翼向下。如果這樣的話,這個過程會重複下去,每一次橫向擺動幅度都降低,直到最終達到機翼水平飛行的平衡狀態。
可見,飛機機翼的上反角是有助於增強飛機的橫向穩定性的。
但是,過大的上反角對橫向機動是不利的。如果飛機會橫向非常穩定,以至於它會抵抗任何有意識的橫滾運動,則會造成飛機的滾轉操縱困難。出於這個原因,要求具有快速橫滾或者傾斜特性的飛機通常其上反角比那些要求較少機動性的飛機上反角小。
2. 後掠角
由於後掠角影響的特性,它對上反效應的影響也是極其重要的。在側滑時,迎風一側的機翼後掠角實際減小,而背風一側的機翼後掠角實際增大。如圖9所示。
區域性速度和垂直於絃線剖面的區域性迎角
斜掠翼只對垂直於機翼前緣的風分量敏感,也就是說產生空氣動力的有效速度為垂直於機翼前緣的分速度。從而,如果機翼產生正升力係數,迎風一側的機翼升力增加,背風一側的機翼升力降低,產生橫向的穩定力矩和消除側滑的偏航力矩。所以,後掠翼會促進正上反效應,而前掠翼會促進負上反效應。可見,飛機機翼的後掠角是有助於增強飛機的橫向穩定性的。
3. 龍骨效應
飛行中,機身的側面區域和垂直尾翼對氣流的反作用非常類似於船的龍骨,它對飛機的縱軸會施加一個穩定的橫向影響。
一般飛機的構造決定了龍骨區域的絕大部分在飛機重心的後面上方,龍骨對飛機橫向穩定性的作用
這樣,當飛機朝一邊側滑時,作用在龍骨區域上部的氣動力趨於使飛機橫滾回到機翼水平的飛行狀態中。
從上述分析可見,飛機的機翼上反、後掠和產生在飛機重心之上的龍骨效應都可以增強飛機的橫向穩定性。平直翼佈局飛機機翼沒有後掠角,其橫向穩定性就只能由機翼的上反角和龍骨效應提供;而龍骨效應相對於上反角和後掠角對飛機橫向穩定性的作用較小,因而平直翼佈局飛機的橫向穩定性就只能主要依靠機翼上反角保證了。
這就是平直翼飛機的機翼總是上翹的主要原因。再看看下面這些平直翼佈局飛機的機翼,也是上翹的。