【藍天之夢】12,自行車如何克服靜不穩定性

飛機的穩定性指的是飛機在飛行中,偶然受到外力干擾後,不需要飛行員的干預,靠飛機自身特性恢復原來狀態的能力。

飛機的操縱性是指飛機對飛行員操縱作出相應響應的特性。

飛機的穩定性與操縱性之間存在排斥關係,如果飛機的焦點(氣動中心)位置位於重心之後,飛機的穩定性就比較好,但是這會導致飛機抵抗改變飛行狀態的力和力矩也會很大,帶來操縱性較差。反之操縱性反應靈敏。

今天主要談飛機的穩定性對飛行的影響。

先列兩個有關飛機穩定性對飛行影響的戰例

戰例一:【戰地日記】第三十篇 旗開得勝 記載:

1958/7/29 陰 羅裳山

早上6:10,蔣亭副參謀長來電話:我已安抵汕頭機場,根據事先擬定的作戰計劃,已與林虎師長協商好具體執行方案,54團已經做好一切戰鬥準備。

……

在敵機還沒有反應過來之時,我54團高長吉機組就從90度角切入,長機高長吉打開加速器,迅速接近敵機,在6點鐘方向咬住敵2號機,高長吉對準瞄準光圈,按下射擊按鈕,在160米距離果斷開火,敵2號機任祖謀中尉來不及反應,F-84G瞬間爆炸解體,墜入南澳島東北15公里處海域。

敵長機見勢不妙,立即拉桿右轉企圖擺脫,說時遲那時快,跟在高長吉後面的僚機張長林緊咬敵長機不放,從高空追到低空,敵機不斷作出各種規避動作,但是張長林沉着冷靜,死死咬住,在360米的距離上開火,擊斷敵長機右機翼,炮彈碎片同時擊傷敵長機劉景泉少校右腿膝蓋。

敵3號機周林峯上尉和4號機譚崇禧少尉護送其折斷右機翼的長機劉景泉向澎湖馬公機場方向飛去。

11:46監聽臺收聽到敵飛行員與馬公戰管中心的通話:飛機右翼斷裂,無法保持平衡,飛機不斷下降高度,目前高度僅有1200英尺……馬公空管回答:立即棄機跳傘……

戰例二:1983/5/1,以色列國防軍空軍兩架F-15鷹式戰鬥機和4架A-4N天鷹戰機在進行模擬空戰格鬥訓練(其中一架機號爲957的F-15戰機被用於新飛行員的適應性訓練)。

該F-15戰鬥機與一架天鷹戰機在高空擦肩而過,天鷹發生爆炸,飛行員跳傘,F-15右機翼折斷,飛機失控發生螺旋……飛行學員喬恩.艾斯利將飛機電子飛控裝置重新連接到機翼控制面,這時奇蹟發生了,F-15竟然重新回到了水平直飛狀態。

在喬恩將F-15開到空軍基地上空準備降落時,飛機再次失去控制發生螺旋,喬恩打開引擎加力,F-15又一次恢復水平直飛,飛機着陸時因爲速度太快,着陸鉤都被拉斷,飛機一直到距離緊急回收網十米的地方纔停了下來。


一,飛機的穩定性(Airplane Stability)

一架飛機首先要具有足夠的升力來平衡重力,還要有足夠的推力來克服阻力,同時還需要良好的穩定性和操縱性,才能在空中飛行。

飛機的穩定性是指飛機在飛行中,偶然受到外力干擾,不需要飛行員的干預,靠飛機的自身特性恢復到原來狀態的能力,如果能夠回到初始狀態,則稱飛機是穩定的,反之則稱飛機是不穩定的。

飛機的穩定性包括縱向穩定性,反映飛機在俯仰方向的穩定特性;航向穩定性,反映飛機的方向穩定特性;以及橫向穩定性,反映飛機的滾轉穩定特性。

飛機在飛行時,所有作用於飛機的外力與外力矩之和都等於零的狀態稱之爲飛機的穩定狀態,等速直線運動是飛機的一種平衡狀態。

1, 靜態穩定性(Static stability):是飛機受到力或力矩的擾動後,是否具有恢復

初始狀態的趨勢。(Static stability of an aircraft describes the tendency of and aircraft to retain its original position when subjected to unbalanced forces or moments acting on the aircraft.)

-如果飛機趨向於返回它先前的位置稱之爲靜穩定(Positive static stability)。

-如果飛機趨向於保持在受擾動後的位置稱之爲中性靜穩定(Neutral static stability)。

-如果飛機繼續偏離就稱之爲負靜穩定或靜不穩定(Negative static stability)。

飛機穩定性的增加會導致可控性(機動性)的減少,所以飛機的穩定性的上限就是飛機可控性的下限。

靜穩定裕度:又稱爲靜穩定度,是飛機重心與焦點之間的距離,具有相似靜穩定裕度,就具有相似的靜穩定性,裕度越大,穩定性越強。重心的移動會改變靜穩定裕度。

-飛機焦點位於重心之後爲靜穩定。

-飛機焦點與重心重疊爲中性穩定。

-飛機焦點位於重心之前爲靜不穩定。

關於放寬靜穩定性:通過改變飛機外形來放寬飛機靜穩定性,可以使飛機升力增加,阻力減小,升阻比提高,由於配平阻力的減小,飛機的燃料消耗率也會減小,同時可以增加飛機的機動性。


2, 動態穩定性(Dynamic stability)是飛機失去平衡所展示的總體趨勢,它由初始位移後的運動形式,收斂、發散或等幅的振盪趨勢確定。也就是飛機受到擾動後恢復到原始狀態的實現過程所呈現的特徵。(Dynamic stability describes the form of motion an aircraft in static stability undergoes when it tries to return to its original position.)

-恢復過程中姿態變化幅值趨勢漸小爲阻尼振盪(Damped oscillation),也就是正動態穩定(Positive dynamic)。

-恢復過程中姿態變化幅值沒有變化爲未阻尼振盪(Undamped oscillation),也是中性動態穩定(Neutral dynamic)。

-恢復過程姿態變化幅值越來越大爲發散振盪(Divergent oscillation),也是負動態穩定(Negative dynamic)。

3, 圍繞橫軸(pitch)的縱向穩定性(longitudinal stability about the lateral axis):是飛機在飛行中,受到擾動而偏離原來縱向平衡狀態(橫軸、俯仰),使它改變原來飛行攻角,當擾動消除後,飛機自動恢復到原來縱向平衡狀態的特性。

在飛行過程中,作用於飛機的俯仰力矩主要是機翼力矩和水平尾翼力矩,在飛機的攻角發生變化時,在機翼和尾翼上都會產生一定的附加升力,這個附加升力的合力點稱爲飛機的焦點。

當飛機受到擾動機頭上仰時,機翼和水平尾翼的攻角增大,產生一個向上的附加升力,此時如果飛機重心位於焦點前面,此附加升力會對飛機產生一個下俯的穩定力矩,使飛機恢復原來狀態。反之亦然。

因此飛機的縱向穩定性主要取決於飛機的重心位置,當飛機的重心位於焦點前面,飛機纔是縱向穩定,反之爲靜不穩定。


4,圍繞縱軸(Roll)的橫向穩定性(lateral stability about the longitudinal axis)飛機受到擾動導致滾轉,出現側滑角,而在擾動消失後,飛機能趨向於恢復原來狀態,爲橫向靜穩定性。

保證飛機橫向靜穩定的主要因素是機翼的後掠角、上下反角和垂直尾翼。

機翼上反角和垂直尾翼提供橫向靜穩定,下反角和機身間的氣動干擾提供橫向靜不穩定,後掠角結合攻角作用。


5,圍繞垂直軸(Yaw)的航向穩定性(Directional stability about the vertical axis)飛機受擾動以至橫側向平衡狀態遭到破壞,而在擾動消失後,飛機自動恢復力矩,爲航向穩定性。

飛機主要靠垂直尾翼、腹鰭等來保證航向穩定性,飛機側滑是一種即向前又向側方的運動,相對氣流方向與飛機對稱面之間有一個側滑角。

例如飛機機頭右偏,出現左側滑,空氣從飛機左前方吹來,作用在垂直尾翼上產生向右的附加側力,此力對飛機重心形成一個方向穩定力矩,使機頭左偏,此時飛機具有航向穩定性。

由於現代飛機進入超音速後,垂直尾翼的側力系數迅速減小,產生側力的能力急速下降,所以現在許多超音速戰鬥機採取雙立尾來增大航向穩定性。

二,飛機的操縱性

飛機不僅需要能保持平衡狀態的穩定性,還需要具有良好的操縱性。

飛機的操縱性分爲縱向、航向和橫向操縱性:

1,縱向操縱:主要通過推、拉桿,使飛機的升降舵偏轉,產生俯仰力矩,使飛機作俯仰運動。

2,橫向操縱:使用駕駛杆使副翼偏轉,從而產生飛機滾轉力矩左右傾斜。

3,航向操縱:踩腳蹬,使方向舵偏轉實現偏航力矩,導致機頭左右轉。


橫向和航向操縱合稱爲橫航向操縱。

飛機的穩定性與操縱性之間存在排斥關係,如果飛機的焦點(氣動中心)位置位於重心之後,飛機的穩定性就比較好,但是這會導致飛機抵抗改變飛行狀態的力和力矩也會很大,帶來操縱性較差。反之操縱性反應靈敏。

民航機設計注重飛機的穩定性,而現代戰鬥機爲了獲得良好的操縱性和機動性,都將飛機設計成氣動靜不穩定,同時採取電傳操控技術來控制飛機的穩定。


三,戰例分析

1,臺空軍少校劉景泉駕駛被擊斷右翼的F-84G從南澳島上空堅持飛到澎湖馬公機場外海,大約飛行了150公里。劉景泉計劃將飛機飛回馬公機場迫降,但是因爲種種原因,在澎湖外海跳傘獲救。下面從技術層面進行分析:

-F-84的氣動佈局:層流翼型懸臂式下單翼和安裝在垂尾半展處的懸臂式平尾佈局,機腹座艙下方安裝有大型減速板。

-動力系統:採用J35-A-29發動機,具有2540千克推力,最大平飛速度1001千米/時,航程1078公里。

-平直翼,翼展11.09米,擁有強大的升力和滑翔能力。

F-84G的焦點後置與重心大致重疊,屬於中性靜穩定型飛機,飛機翼展較大,且呈平直狀態,升力強,飛行性能穩定。所以當飛機右翼被削掉部分後,仍能繼續飛行150多公里。

根據我個人對飛行駕駛的體驗,由於飛機右翼斷裂,失去大部升力,劉景泉駕駛受傷飛機應當如下操縱:

-用左側副翼上反來壓住飛機向右的滾轉趨勢;

-同時放下前緣襟翼來提高升力;

-依靠平尾差動+垂尾偏轉來提供操控力;

-由於F-84G發動機推重比較好,且當日執行偵照任務,懸掛彈藥較少,所以依靠飛機動力加速度尚能持續飛行。

但是爲何快要到馬公機場卻棄機跳傘呢?我個人判斷:

-劉景泉右膝蓋被彈片擊傷,操縱飛機困難,尤其是降落時需要腿部操控飛機。

-馬公機場屬於野戰機場,跑道較短,高速降落必須使用着陸鉤,不知野戰機場是否配備着陸鉤索,因此不利於高速降落。

-爲了防止機毀人亡,所以馬公空管下令跳傘。

2,以色列國防軍空軍F-15在折斷右機翼狀態下,兩次將失控(螺旋)飛機扭轉爲水平直飛狀態(靜穩定),然後成功降落,本人從技術層面進行分析:

-F-15擁有強大的動力系統,兩臺F100-PW-100渦扇發動機,單臺推力11340千克,如此強勁的推力,空氣動力學帶來的影響可以忽略不計;

-F-15飛機擁有強大的電傳飛控自動配平重構能力(校正原理),即調動飛機所有可控翼面來配平(這要歸功於飛機設計軟件的碼農),由於靜不穩定狀態下飛機操縱困難,所以飛機都使用增穩系統(由陀螺和傳感器組成),當飛機掉了一個機翼,電腦通過遍佈全機身的傳感器對飛行姿態瞬間計算並做出正確的調控指令;

-F-15採取氣動力中心位於飛機重心之前,屬於靜不穩定或放寬靜穩定性。其水平安定面所產生的升力與主翼升力方向相同(靜穩定相反),總升力爲主翼+水平安定面(靜穩定是相減),因此有利於升力提高。隨着飛行速度加快,飛機重心會前移(仰角降低),在超音速狀態下成爲靜穩定性,這也是爲什麼飛機降落前第二次發生螺旋,飛行員打開加速器,飛機通過加速而重新獲得平直飛行狀態(靜穩定性);

-F-15機身本身也具有升力,設計時採用升力體佈局,因此當一側機翼折斷,並不是左右兩側50:0的升力格局,而是50:50-X

-F-15雖然右機翼折斷,但是尾翼齊全,而且是雙尾翼,也能提供部分升力

-美系飛機有着陸鉤(蘇係爲減速傘),這也爲高速降落(或短距起降)創造了可能;

-飛行員的正確操縱首先飛行學員喬恩在飛機發生不規則螺旋時將飛機電子控制裝置重新連接到機翼控制面,從而使飛機自動控制系統能正常糾錯;然後迅速將操縱桿向左壓,從而利用左翼提供升力抵消向右的旋轉傾覆力矩;在第二次發生螺旋時打開加力,從而通過高速來獲得靜穩定性(符合前文述:飛機超音速飛行時,焦點會急劇後移);最後能及時通知機場使用着陸鉤

先進的設計+高超的技術+好運氣=僅憑一個翅膀成功降落。

3,殲-6戰鬥機之殤:

殲-6戰鬥機是我軍裝備數量最多,服役時間最長的一款戰鬥機,但是從引進到生產,再到不斷的研發和改進,走過了一條艱難、曲折的路程。

-氣動佈局:頭部進氣,大後掠中單翼,低平尾,單垂尾加單腹鰭;

-機翼大後掠+翼面大翼刀容易造成失速螺旋;

-發動機推力不足只能通過大後掠翼和減小翼展來增加速度,但是帶來飛機焦點前移,減小了靜穩定度(沒有電控),導致飛機縱向操縱力矩變小,縱向操縱過靈

-後來殲-6III延長前機身,目的是調整飛機重心,使之與前移的焦點匹配,保持適當的靜穩定性。但是在跨音速下飛機從靜不穩定變成靜穩定,需要反操縱(拉桿與推杆相反,因爲靜穩定時水平安定面所產生的升力與主翼升力方向相反)。直到殲-6IV機頭加裝了雷達,從而改變了配重,使重心前移,才使飛機操縱感好了一些(所有飛機設計靜不穩定都是縱向上的,橫向都是靜穩定的)。

4,自行車如何克服靜不穩定性

戰例:記得上中學時,每次放學回家,一路上喜歡雙手放開自行車把手,主要靠上身的左右搖擺來控制自行車的行進方向,騎到司令部3號門時,故意身體左傾,右手向右舉起書包,以此保持平衡,有點像雜技團的那種動作。

通過門崗前飛身下車,正準備推車進去,門崗是個身高1.9米的老兵,明明認識我,非要伸手攔住,讓我出示出入證,驗明正身後,這位司令部籃球隊後衛,後來的軍務參謀拍拍我的肩膀:你小子飛行技術不錯嘛……


下面根據學到的飛行理論來分析一下上述戰例:

-自行車的重心在軸的位置,與前後輪及騎車者構成直立三角形,因此自行車的橫軸縱向穩定性好

-自行車的縱軸橫向穩定性和垂直軸航向穩定性很差(容易左右傾倒);

-自行車必須依靠速度(慣性)來擺脫來自縱軸和垂直軸的傾覆力矩;

-騎車者在騎行時身體前傾,焦點(氣動中心)位於重心之前,屬於靜不穩定性運動器;

由於自行車具有靜不穩定性,所以就具有機動性良好的特徵。

那麼駕駛這麼一輛靜不穩定運動器,如何能克服不穩定特性,做到雙手離開車把,讓自行車行駛而不倒呢?

-在自行車運行中放開車把,這時自然的會將身體後傾,這就把焦點位置從一開始位於自行車重心前,後移至位於自行車重心後或與重心重疊,根據前面學的靜穩定理論,這就構成了靜穩定裕度

-通過上身的左右搖擺或伸出手來擺脫(克服)來自左右傾角的拉力,類似於飛機機翼副翼上/下反來壓住飛機的滾轉趨勢

-當身體有意向左傾斜時,右手舉起書包向右伸出,屬於自動配平達到抵消自行車向左傾覆力矩,從而滿足角動量守恆原理;

美國力學家鐵木辛科在【高等動力學】一文中說:當自行車向一邊傾斜時,騎車人就會將前輪轉向同一側,由於前輪轉了一個角度,自行車就會沿着傾斜側的圓周行進,這時離心力向圓周外,就會將自行車扶正。

根據以上理論可以理解爲自行車具有自穩定特性,也就是穩定性與速度快慢相關聯,通常速度越快,慣性力也越大,穩定性也越好,所以在速度達到一定的比值時,騎車人可以讓雙手離開車把,前提是需要借用身體作爲副翼和尾翼來配平與不斷重構運動體的平衡狀態。

胡說兮,八道兮,不知所以然兮,自扇耳刮子兮,云云兮……


過去那麼多年了,現在每次坐進飛機座艙,飛行在藍天上,還會想起當年那些個陽光燦爛的日子……

(謝謝閱讀)

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