战机的基础概念（二）什么是飞机静稳定。。。

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　　上次的飞机基础概念讲的是过载，这次我们同样讲一个很热门的但是我们普遍了解不深的术语静稳定性和静不稳定性。
　　我们在很多里面文章都见过静稳定性和静不稳定性这两个词语，这些大部分的文章都将静不稳定性看作是一个对机动性有利的设计，但是对静不稳定性是什么？对战斗机为什么会有着这样的效果？往往没有提及到或者是粗略的跳过。
　　我国的J20就是静不稳定性的飞机
　　所以我们就会产生一个疑问：战斗机的静不稳定性和静稳定性究竟是什么呢？那么通过本篇文章我们就可以对飞机的静稳定性和静不稳定性有一个清晰的认识。
　　在理解静不稳定性的概念之前，我们需要先了解两个概念，1。气动中心ac（也称焦点）；2。鸭翼和常规布局的气动装置进行俯仰配平的方式。
　　（PS：作者具备自身的局限性，文章不一定是完全正确的，所以欢迎在评论区里讨论交流。）
　　气动中心
　　什么是气动中心呢？我们都知道物体是有重心的，但对于飞机来说气动中心同样重要。
　　气动中心的定义是：机翼所受到的空气动力对于该点的合力矩不会随着功角的改变而改变，也就是如果合力矩在该点不会随着功角的变化而变化，那么该点就是焦点位置。
　　我们可以将气动中心理解为全机升力增量的作用点，它的合力矩也不会随着功角的改变而改变。这是非常重要的，这也是气动中心为什么可以概括静稳定性和静不稳定性的主要原因。
　　荷兰F16MLU
　　（PS：其实全机升力的矢量作用点不是气动中心而是压力中心cp，但是在飞行过程中功角是会变化的，所以压力中心的位置也是在变化的，攻角增大，压力中心会前移，攻角减小，压力中心会后移，这样的话压力中心和重心的距离就是一直在变化的，我们知道力矩力距离，如果力的大小和距离同时在变化的话，力矩的计算就是比较困难的。如果再结合速度对于升力的影响的话，这样的计算就更加麻烦了。
　　此时气动中心出现了，压力中心对于该点的合力矩是不会随着攻角的变化而变化的，攻角增大，升力增大，但是压力中心此时也向前移动，这样一来压力中心和焦点的距离就变短了，那么力矩的大小就是不变的。）
　　（PS：这样做的好处就是，焦点的位置不会随着攻角的变化而变化，也就是说不管攻角如何变化，重心到焦点的位置是不变的，距离就是恒定的，那么力矩就很好计算了。）
　　我们来看两张图，下图中飞机的速度方向是水平向左，最右边的点是重心cg，中间的点是飞机的气动中心，左边的点是飞机的压力中心，机身轴线与飞行速度所成夹角为攻角。当飞机攻角增大时，升力L增大，但是cp向前移动，和ac的距离就减小了，所以力矩M的大小是不变的。
　　速度方向始终水平向左
　　ac和cp的距离减小
　　这样一来，气动中心的位置变换就只与速度的大小有关了，气动中心对于重心位置的关系会决定飞机是静稳定的还是静不稳定的。
　　2。飞机的静稳定性和静不稳定性
　　那么究竟什么是静不稳定什么是静稳定性呢？定义就是如果气动中心在飞机重心的前方那么飞机就是静不稳定的，反之如果飞机在飞机重心的后方，飞机就是静稳定的。
　　静稳定性的飞机会使飞机攻角变大时逐渐趋于稳定，静不稳定性的飞机会使飞机在攻角变大时更加不稳定，我们通过一张图来好好了解一下。
　　纵轴是抬头力矩和低头力矩，横轴是攻角，横轴上的e代表平衡点
　　1，2号线代表的飞机是静稳定性的，我们来看一下静稳定性飞机的抬头力矩是如何变化的。当攻角逐渐增大时，飞机的抬头力矩反而逐渐减小，当攻角超过e时，飞机反而出现低头力矩，并且低头力矩会随着攻角的增大而越来越大，那么飞机就会渐渐的自己处于平衡状态。
　　4号线代表的飞机就是静不稳定的，当攻角逐渐增大时，低头力矩反而逐渐减小，攻角超过e时，攻角增大，飞机反而产生抬头力矩，这样飞机的攻角就会越来越大。
　　（PS：产生抬头力矩时，飞机的攻角增大，产生低头力矩时，飞机的攻角减小。）
　　抬头力矩和低头力矩对机头的影响
　　低头力矩使飞机的机头下俯，抬头力矩使机头上扬，抬头力矩和低头力矩统称为俯仰力矩。
　　所以静稳定性的飞机就是：静稳定性的飞机会在飞机攻角变大时产生低头力矩，让飞机回归到平飞状态，也就是使飞机趋于稳定；反之静不稳定性会在攻角变大时产生抬头力矩，使飞机的攻角进一步增大，也就是使飞机更加不稳定。
　　我们通过上述的结论很容易就能够知道，静稳定性的飞机有利于保持稳定性，那么静不稳定性有利于飞机的机动能力这一说法又是如何而来的呢？我们需要看了解飞机是怎样配平的。
　　3。常规布局和鸭翼布局的气动装置如何进行俯仰配平
　　对于飞机来说，很多设计是互相矛盾的，比如以前我就说过的超音速机动能力和亚音速机动能力，今天本章的稳定性和机动性也是一对矛盾的组合。
　　常规布局的飞机进行俯仰配平时，如果想要获得抬头力矩，通常是将平尾后缘上偏，这样的话平尾会产生一个向下的负升力，但由平尾和机头分别处于重心的两端，所以平尾产生的负升力就对机头产生了一个向上的正升力，这样就得到了抬头力矩。
　　F22起飞
　　就像这张图中的F22起飞一样，我们可以明显的看见F22为了获得抬头力矩，平尾后缘上偏，产生了向下的负升力，但由于机头和平尾这个气动装置分别位于重心的两侧，F22反而获得了抬头力矩。
　　但鸭翼就完全不一样了，因为鸭翼和机头在重心的同一侧。
　　（PS：平尾前方垂尾两侧的后缘襟翼向下偏的原因是为了改变翼剖面的弯度，这样可以提升升力系数，增大升力。）
　　F35B的配平方式
　　这张F35正在起飞，按理说应该需要抬头力矩，但是F35的平尾反而后缘下偏，这样会产生正升力在机头产生低头力矩，这是为什么呢？
　　这是因为F35B不能按照常理来分析，这是因为F35B全机分布多个升力风扇，尤其是座舱后的风扇，给F35提供了极大的抬头力矩，所以反而需要平尾提供向下的低头力矩。
　　（PS：本图中同样可以看见F35B下放了后缘襟翼以提高升力系数。）
　　台风就是鸭翼布局的战机
　　我们根据这张图可以看见，台风战斗机此时可能正在起飞或者降落的过程中，为了获得抬头力矩鸭翼是前缘上偏后缘下偏的，同样是获得抬头力矩，鸭翼和平尾的旋转方向却完全相反，这就是因为两者同机头的位置关系不同。
　　图为两种布局飞机的配平方式
　　这张图就概括了两种布局飞机的配平升力的区别，平尾产生的负升力飞机获得抬头力矩，鸭翼产生正升力飞机获得抬头力矩。
　　（PS：不过这张图仅能描述飞机需要抬头力矩时平尾和鸭翼的配平情况，但是如果需要获得低头力矩呢？情况就完全不一样了。）
　　3。为什么静不稳定性有利于机动性？
　　这里有两点原因：1。飞机要配平低头力矩或者是抬头力矩，就和静稳定性和静不稳定性有极大的关系；2。静不稳定设计对飞机的超音速性能有很大的帮助。
　　配平
　　如果飞机是静稳定性的，那么焦点在重心之后，飞机会时刻获得一个低头力矩那么此时就需要抬头力矩去配平，那么对于鸭翼飞机来说就是产生正升力，对于常规布局来说就是产生一个向下的负升力，毫无疑问的是静稳定性状态下的鸭翼飞机在获得低头力矩的同时会有额外的正升力。
　　静稳定状态下的飞机
　　（PS：这个力矩只是计算出来的用来方便表示的。）
　　如果飞机是静不稳定的，那么情况就完全相反了。静不稳定时，焦点位于重心之前，那么就会产生一个抬头力矩，飞机就需要低头力矩去配平。那么对于鸭翼来说就需要负升力来制造低头力矩，但对于平尾来说只需要正升力就可以在机头产生低头力矩了。
　　（PS：这也是我为什么说上图只表示飞机需要抬头力矩时的情况了，如果需要低头力矩，那么上图就反过来了。鸭翼和平尾的配平方向和飞机的静不稳定性一点关系都没有，只不过是飞机的静不稳定性和静稳定性会在一定程度上决定飞机需要的是低头力矩还是抬头力矩。）
　　对于静稳定性飞机来说，鸭翼无疑更有利，因为时刻需要抬头力矩配平的话，鸭翼可以产生正升力。对于静不稳定的飞机来说，常规布局更有利，因为时刻需要低头力矩配平，平尾就可以产生正升力了。
　　J10的起飞也是一样的，产生抬头力矩，需要鸭翼前缘上偏
　　静不稳性有利于减小超音速配平阻力
　　我们都知道远距鸭翼有利于超音速配平，这是因为远距鸭翼十分靠前，这样的话鸭翼和重心的距离就被拉长了，力臂变长配平的效率就更高了。
　　那么静不稳定性的飞机是如何减小配平阻力的呢？
　　这是因为气动中心会随着速度的逐渐增大而向后移动，那么就会出现两种情况：1。原本是静不稳定的飞机会变成静稳定的；2。原本是静不稳定性的飞机依然是静不稳定性的。无论是哪一种情况，气动中心和重心的距离都极大的减小了。
　　这样的话力臂变短了，力矩也就变短了，所需要的配平力矩也就减小了，那么在其他参数不变的情况下，此时气动装置需要偏转的角度就变小了，那么配平阻力自然而然的就减小了。在升力系数不变的情况下，配平阻力减小，毫无疑问，飞机的超音速升阻比就会增大，飞机的机动性就会变好。
　　像这样利用飞机静不稳定性来减小飞机的超音速配平阻力的设计被称为放宽静稳定性。
　　J20就是放宽静稳定性设计的飞机
　　以上就是飞机静稳定性和静不稳定性的全部内容，我们来简单的做一个总结：1。焦点和重心的位置关系决定了飞机是静稳定性的还是静不稳定性的；2。静稳定性有利于飞机的稳定性；3。静不稳定性有利于飞机的机动性（常规布局：平尾可以提供额外的正升力，减小超音速配平阻力；鸭翼布局：减小超音速配平阻力。）
　　本文引用：
　　方宝瑞，李天，余松涛等《飞机气动布局设计》【M】，北京，航空工业出版社，1997，282