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1、第一章第一章 飞行动力学飞行动力学第五节第五节 侧向气动力及气动力矩侧向气动力及气动力矩北京航空航天大学自动化学院北京航空航天大学自动化学院 张平张平 20122012，3 3一、侧力一、侧力Y Yoo描述纵向运动的变量：描述纵向运动的变量： ，q q，V V， e eoo描述横侧向运动的变量：描述横侧向运动的变量： ，p p，r r， a a， r roo飞机横航向的力与力矩：飞机横航向的力与力矩：n n侧力侧力Y Y，指向机体，指向机体oyoy轴轴n n滚转力矩滚转力矩L L，绕机体，绕机体oxox轴转动轴转动n n偏航力矩偏航力矩N N，绕机体，绕机体ozoz轴转动轴转动oo侧力与侧向力
2、矩是由于飞机横侧向结构不对称产生的侧力与侧向力矩是由于飞机横侧向结构不对称产生的oo飞机总气动力飞机总气动力沿机体沿机体oyoy轴的分力轴的分力称为侧力称为侧力Y Y侧力：侧力：Y=Y=C Cy yQSQSww，QQ 动压，动压，S Sww机翼面积机翼面积 ， Cy 侧力系数1.1.侧滑角侧滑角 引起的侧力引起的侧力oo 0 0，在，在垂直尾翼垂直尾翼上产生侧力（上产生侧力（与与 产生产生 升力原理相同升力原理相同）n亚音速飞机机身没有侧力n超音速飞机机身的锥形头部有侧力， 故超音 速飞机的侧力是机头与垂直尾翼侧力之和 oo 产生的产生的侧力：侧力：Y(Y( )=1/2)=1/2 VV2 2S
3、 SwwC CY Y , , 侧力导数侧力导数: : C CY Y = C Cy y/ / oo 右侧滑时右侧滑时 角为正，此时产生的侧力为负角为正，此时产生的侧力为负 ( (与与oyoy轴反向轴反向) ) oo侧力的方向在气流指向机身的方向上侧力的方向在气流指向机身的方向上, ,侧力的大小与气流在飞机对称面上的分量成比例侧力的大小与气流在飞机对称面上的分量成比例2.2.偏转方向舵偏转方向舵 r r引起的侧力引起的侧力 oo r r 0 0，是为了是为了得到航向操纵力矩，但同时在飞机质心上也得到航向操纵力矩，但同时在飞机质心上也 引起了侧力（引起了侧力（与偏转升降舵产生升力相同与偏转升降舵产生
4、升力相同）oo 偏转方向舵偏转方向舵 r r产生产生的侧力的侧力 oo 方向舵侧力导数：方向舵侧力导数：CY r r= = C CY Y/ / r roo 一般飞机的一般飞机的CY r r数值不大，可忽略不计。数值不大，可忽略不计。 3.3.滚转角速度滚转角速度p p引起的侧力引起的侧力 oo 飞饥绕机体轴飞饥绕机体轴oxox轴的滚转角速度轴的滚转角速度p p 0 0时，在立尾上有附加时，在立尾上有附加 侧向速度，有局部侧滑角侧向速度，有局部侧滑角 oo 滚转角速度滚转角速度P P产生的侧力：产生的侧力：式中式中: :式中：式中： 叫做叫做无因次无因次滚转角速率，没有单位滚转角速率，没有单位o
5、o 一般飞机的一般飞机的C Cypyp为负值，数值很小，可忽略不计为负值，数值很小，可忽略不计 4.4.偏航角速度偏航角速度r r引起的侧力引起的侧力oo 飞机绕机体飞机绕机体ozoz轴的偏航角速度轴的偏航角速度r r 0 0 时，时，在立尾上有局部侧滑角，在立尾上有局部侧滑角，产生侧力产生侧力n n超音速飞机的机身头部在超音速飞机的机身头部在r r 0 0时也会时也会产生侧力产生侧力oo r r引起的全机侧力引起的全机侧力 式中：式中： 无因次偏航角速度无因次偏航角速度 o 一般飞机一般飞机C Cyryr很小，可忽略不计很小，可忽略不计 oo 飞机的侧力主要由侧滑角产生飞机的侧力主要由侧滑角
6、产生 oo 主要产生在垂直尾翼上主要产生在垂直尾翼上oo L L 绕机体绕机体oxox轴的力矩，滚转力矩轴的力矩，滚转力矩升力表达不同升力表达不同 L Lliftlift oo N N 绕机体绕机体ozoz轴的力矩，偏航力矩轴的力矩，偏航力矩oo 侧向变量侧向变量 ，p p，r r， a a， r r都会产生都会产生L L和和N N侧向力矩侧向力矩二、绕二、绕oxox轴的滚转力矩轴的滚转力矩L L1.1.侧滑角侧滑角 引起的滚转力矩引起的滚转力矩L Loo 主要由机翼和立尾产生（侧力），主要由机翼和立尾产生（侧力），L L的大小与立的大小与立 尾和机翼的形状有关尾和机翼的形状有关1 1）立尾的
7、作用）立尾的作用 00时，立尾上有侧力，侧力与时，立尾上有侧力，侧力与oxox轴有距离，产轴有距离，产 生滚转力矩生滚转力矩L L大小与大小与 有关有关1.1.侧滑角侧滑角 引起的滚转力矩引起的滚转力矩L L（续）（续）2 2）机翼上）机翼上( (下下) )反角反角 的作用的作用 oo 00时，空速时，空速V V分解为分解为VcosVcos 和和VsinVsin 不考虑不考虑VcosVcos （纵向气流）（纵向气流）VsinVsin 分解为沿机翼流动和垂直机翼流动的分气流，其中：分解为沿机翼流动和垂直机翼流动的分气流，其中：垂直翼面的气流为垂直翼面的气流为VsinVsin sinsin （右翼
8、向上右翼向上）和和 -Vsin-Vsin sinsin （左翼向下左翼向下） oo 向上的气流速度使右翼局部迎角向上的气流速度使右翼局部迎角 ，产生升力产生升力 oo 向下的气流速度使左翼局部迎角向下的气流速度使左翼局部迎角 ，升力，升力 ，左右合力产生负左右合力产生负L Loo 大小与大小与 有关有关 oo 反之，下反角产生正反之，下反角产生正L L上反角-L3)3)机冀后掠角机冀后掠角 1/4 1/4 的作用的作用oo 翼尖向后掠称为后掠角翼尖向后掠称为后掠角 oo 后掠角的定义后掠角的定义: :在翼弦平面上把各翼剖面翼弦线上在翼弦平面上把各翼剖面翼弦线上25%25%的点连成直线的点连成直
9、线 ，称为，称为1/41/4弦线，此直线与机体轴弦线，此直线与机体轴oyoy轴间的夹角轴间的夹角 1/41/43)3)机冀后掠角机冀后掠角 1/4 1/4 的作用的作用oo 00，速度，速度V V在左右两半翼作如下的分解在左右两半翼作如下的分解 右翼：平行于右翼：平行于1/41/4弦线的分速为：弦线的分速为：垂直于垂直于I/4I/4弦线的分速为：弦线的分速为： 左翼：平行于左翼：平行于1/41/4弦线的分速为：弦线的分速为： 垂直于垂直于I/4 I/4 弦线的分速为：弦线的分速为： 由于右翼的有效分速大于左翼，由于右翼的有效分速大于左翼，使右翼上的使右翼上的升力升力大于左翼，大于左翼， 因而形
10、成的因而形成的滚转力矩滚转力矩L L为负值，与为负值，与 有关有关 oo 相当于右翼后掠小，升力大相当于右翼后掠小，升力大 ooC Cl l 过大，稳定性差，过大，稳定性差，oo 箭形机翼往往有下反角箭形机翼往往有下反角 4)4)机翼机身气动干扰的作用机翼机身气动干扰的作用oo 0 0时，上单翼飞机翼身连接处的右侧，因气流受阻使时，上单翼飞机翼身连接处的右侧，因气流受阻使 压力增加，左侧气流因有分离旋涡而使压力降低。压力增加，左侧气流因有分离旋涡而使压力降低。 oo 绕流机身的气流使靠近机身右翼根部的迎角增加，左翼绕流机身的气流使靠近机身右翼根部的迎角增加，左翼 根部的迎角减小，两种因素都产生
11、负滚转力矩根部的迎角减小，两种因素都产生负滚转力矩 oo 中单翼飞机的此项气流干扰中单翼飞机的此项气流干扰效果很小，可忽略不计效果很小，可忽略不计 oo 全机的全机的C Cl l 为上述各项作用的总和，称为飞机为上述各项作用的总和，称为飞机横滚静稳横滚静稳 定导数定导数式中式中飞机横滚静稳定性的意义飞机横滚静稳定性的意义 oo 飞行方向从纸面垂直向外。平衡时升力飞行方向从纸面垂直向外。平衡时升力L=L=重力重力GG oo 设因某种干扰使飞机有滚转角设因某种干扰使飞机有滚转角+ （右滚），（右滚），升力倾斜升力倾斜 oo 升力与重力的合力形成附加侧力，使飞机向右侧滑，侧升力与重力的合力形成附加侧
12、力，使飞机向右侧滑，侧 滑角滑角 00由于由于C Cl l r0 0时，左翼向前转，相对空速增加，故升力增加，时，左翼向前转，相对空速增加，故升力增加，右翼向后转，相对空速减小，故升力减小，形成正滚转右翼向后转，相对空速减小，故升力减小，形成正滚转 力矩。力矩。 oo rr0 0时立尾的局部侧滑角为负，将产生正的侧力。由于时立尾的局部侧滑角为负，将产生正的侧力。由于 一般立尾在机身之上，因而亦产生正滚转力矩。一般立尾在机身之上，因而亦产生正滚转力矩。 oo 交叉动导数交叉动导数 式中：式中： 交叉动导数交叉动导数 无因次偏航角速度无因次偏航角速度 三、绕三、绕ozoz轴的偏航力矩轴的偏航力矩N
13、 N1.1.侧滑角侧滑角 引起的引起的N N 航向静稳定力矩航向静稳定力矩0 0，立尾上有侧力，立尾上有侧力N N ，产生正偏航力矩，产生正偏航力矩 oo 机身有不稳定偏航力矩；机身有不稳定偏航力矩； oo 箭形机翼产生正偏航力矩，起稳定作用；箭形机翼产生正偏航力矩，起稳定作用； oo 超音速飞机头部有侧力，产生不稳定的偏超音速飞机头部有侧力，产生不稳定的偏航航力矩；力矩；侧滑角侧滑角 产生的偏航力矩产生的偏航力矩N N： 式中；式中； 航向静稳定导数航向静稳定导数 1.1.侧滑角侧滑角 引起的引起的N N 航向静稳定航向静稳定力矩力矩（续）（续）oo 航向静稳定导数航向静稳定导数C Cn n
14、 0,N= C Cn n oo 具有航向静稳定性的飞机在受到侧风扰动后，具有航向静稳定性的飞机在受到侧风扰动后，机头机头向着消除侧滑角的方向偏转静稳定并不能回到原有航线的方向，并不能回到原有航线的方向，使机头转到风速的方向使机头转到风速的方向也叫也叫做风标稳定性oo 与纵向与纵向C Cmm 的静稳定导数意义相同的静稳定导数意义相同 2.2.副翼偏转角副翼偏转角 a a引起的引起的N N操纵交叉力矩操纵交叉力矩 o 偏转副翼翼是为了操纵滚转，却引起了偏航力矩，操纵耦合 a a 0 0，右翼下偏，右翼弯度加大，升力，右翼下偏，右翼弯度加大，升力 ，同时阻力，同时阻力 ； 左翼上偏，左翼弯度减小，升
15、力左翼上偏，左翼弯度减小，升力 ，同时阻力，同时阻力 ；oo 在大展弦比机翼上较明显，对操纵飞机转弯不利在大展弦比机翼上较明显，对操纵飞机转弯不利 oo 副翼操纵交叉力矩副翼操纵交叉力矩 式中式中 副翼操纵交叉导数副翼操纵交叉导数 其值的正负号要依具体情况而定其值的正负号要依具体情况而定 +N+N3.方向舵偏转角r引起的N航向控制力矩 oo r r00，方向舵左偏，立尾产生正侧力，对，方向舵左偏，立尾产生正侧力，对ozoz轴取矩轴取矩 ，得到负的偏航力矩，得到负的偏航力矩-N-N，表示为，表示为oo 式中式中 航向操纵导数航向操纵导数，其值为负，其值为负 4.滚转角速度P 引起的N交叉动态力矩交叉动态力矩（1 1）立尾的作用）立尾的作用 P
