原創(chuàng)不易，請(qǐng)認(rèn)可價(jià)值，本文為“今日頭條 英雄光”原創(chuàng)，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處 2019-12-2
上次的飛機(jī)基礎(chǔ)概念講的是過(guò)載，這次我們同樣講一個(gè)很熱門(mén)的但是我們普遍了解不深的術(shù)語(yǔ)——靜穩(wěn)定性和靜不穩(wěn)定性。
我們?cè)诤芏嗬锩嫖恼露家?jiàn)過(guò)靜穩(wěn)定性和靜不穩(wěn)定性這兩個(gè)詞語(yǔ)，這些大部分的文章都將靜不穩(wěn)定性看作是一個(gè)對(duì)機(jī)動(dòng)性有利的設(shè)計(jì)，但是對(duì)靜不穩(wěn)定性是什么？對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)為什么會(huì)有著這樣的效果？往往沒(méi)有提及到或者是粗略的跳過(guò)。
我國(guó)的J-20就是靜不穩(wěn)定性的飛機(jī)
所以我們就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)疑問(wèn)：戰(zhàn)斗機(jī)的靜不穩(wěn)定性和靜穩(wěn)定性究竟是什么呢？那么通過(guò)本篇文章我們就可以對(duì)飛機(jī)的靜穩(wěn)定性和靜不穩(wěn)定性有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。
在理解靜不穩(wěn)定性的概念之前，我們需要先了解兩個(gè)概念，1. 氣動(dòng)中心ac（也稱焦點(diǎn)）；2.鴨翼和常規(guī)布局的氣動(dòng)裝置進(jìn)行俯仰配平的方式。
（PS：作者具備自身的局限性，文章不一定是完全正確的，所以歡迎在評(píng)論區(qū)里討論交流。）
氣動(dòng)中心什么是氣動(dòng)中心呢？我們都知道物體是有重心的，但對(duì)于飛機(jī)來(lái)說(shuō)氣動(dòng)中心同樣重要。
氣動(dòng)中心的定義是：機(jī)翼所受到的空氣動(dòng)力對(duì)于該點(diǎn)的合力矩不會(huì)隨著功角的改變而改變，也就是如果合力矩在該點(diǎn)不會(huì)隨著功角的變化而變化，那么該點(diǎn)就是焦點(diǎn)位置。
我們可以將氣動(dòng)中心理解為全機(jī)升力增量的作用點(diǎn)，它的合力矩也不會(huì)隨著功角的改變而改變。這是非常重要的，這也是氣動(dòng)中心為什么可以概括靜穩(wěn)定性和靜不穩(wěn)定性的主要原因。
荷蘭F-16MLU
（PS：其實(shí)全機(jī)升力的矢量作用點(diǎn)不是氣動(dòng)中心而是壓力中心cp，但是在飛行過(guò)程中功角是會(huì)變化的，所以壓力中心的位置也是在變化的，攻角增大，壓力中心會(huì)前移，攻角減小，壓力中心會(huì)后移，這樣的話壓力中心和重心的距離就是一直在變化的，我們知道力矩=力*距離，如果力的大小和距離同時(shí)在變化的話，力矩的計(jì)算就是比較困難的。如果再結(jié)合速度對(duì)于升力的影響的話，這樣的計(jì)算就更加麻煩了。
此時(shí)氣動(dòng)中心出現(xiàn)了，壓力中心對(duì)于該點(diǎn)的合力矩是不會(huì)隨著攻角的變化而變化的，攻角增大，升力增大，但是壓力中心此時(shí)也向前移動(dòng)，這樣一來(lái)壓力中心和焦點(diǎn)的距離就變短了，那么力矩的大小就是不變的。）
（PS：這樣做的好處就是，焦點(diǎn)的位置不會(huì)隨著攻角的變化而變化，也就是說(shuō)不管攻角如何變化，重心到焦點(diǎn)的位置是不變的，距離就是恒定的，那么力矩就很好計(jì)算了。）
我們來(lái)看兩張圖，下圖中飛機(jī)的速度方向是水平向左，最右邊的點(diǎn)是重心cg，中間的點(diǎn)是飛機(jī)的氣動(dòng)中心，左邊的點(diǎn)是飛機(jī)的壓力中心，機(jī)身軸線與飛行速度所成夾角為攻角α。當(dāng)飛機(jī)攻角增大時(shí)，升力L增大，但是cp向前移動(dòng)，和ac的距離就減小了，所以力矩M的大小是不變的。
速度方向始終水平向左
ac和cp的距離減小
這樣一來(lái)，氣動(dòng)中心的位置變換就只與速度的大小有關(guān)了，氣動(dòng)中心對(duì)于重心位置的關(guān)系會(huì)決定飛機(jī)是靜穩(wěn)定的還是靜不穩(wěn)定的。
2. 飛機(jī)的靜穩(wěn)定性和靜不穩(wěn)定性
那么究竟什么是靜不穩(wěn)定什么是靜穩(wěn)定性呢？定義就是如果氣動(dòng)中心在飛機(jī)重心的前方那么飛機(jī)就是靜不穩(wěn)定的，反之如果飛機(jī)在飛機(jī)重心的后方，飛機(jī)就是靜穩(wěn)定的。
靜穩(wěn)定性的飛機(jī)會(huì)使飛機(jī)攻角變大時(shí)逐漸趨于穩(wěn)定，靜不穩(wěn)定性的飛機(jī)會(huì)使飛機(jī)在攻角變大時(shí)更加不穩(wěn)定，我們通過(guò)一張圖來(lái)好好了解一下。
縱軸是抬頭力矩和低頭力矩，橫軸是攻角，橫軸上的αe代表平衡點(diǎn)
1，2號(hào)線代表的飛機(jī)是靜穩(wěn)定性的，我們來(lái)看一下靜穩(wěn)定性飛機(jī)的抬頭力矩是如何變化的。當(dāng)攻角逐漸增大時(shí)，飛機(jī)的抬頭力矩反而逐漸減小，當(dāng)攻角超過(guò)αe時(shí)，飛機(jī)反而出現(xiàn)低頭力矩，并且低頭力矩會(huì)隨著攻角的增大而越來(lái)越大，那么飛機(jī)就會(huì)漸漸的自己處于平衡狀態(tài)。
4號(hào)線代表的飛機(jī)就是靜不穩(wěn)定的，當(dāng)攻角逐漸增大時(shí)，低頭力矩反而逐漸減小，攻角超過(guò)αe時(shí)，攻角增大，飛機(jī)反而產(chǎn)生抬頭力矩，這樣飛機(jī)的攻角就會(huì)越來(lái)越大。
（PS：產(chǎn)生抬頭力矩時(shí)，飛機(jī)的攻角增大，產(chǎn)生低頭力矩時(shí)，飛機(jī)的攻角減小。）
抬頭力矩和低頭力矩對(duì)機(jī)頭的影響
低頭力矩使飛機(jī)的機(jī)頭下俯，抬頭力矩使機(jī)頭上揚(yáng)，抬頭力矩和低頭力矩統(tǒng)稱為俯仰力矩。
所以靜穩(wěn)定性的飛機(jī)就是：靜穩(wěn)定性的飛機(jī)會(huì)在飛機(jī)攻角變大時(shí)產(chǎn)生低頭力矩，讓飛機(jī)回歸到平飛狀態(tài)，也就是使飛機(jī)趨于穩(wěn)定；反之靜不穩(wěn)定性會(huì)在攻角變大時(shí)產(chǎn)生抬頭力矩，使飛機(jī)的攻角進(jìn)一步增大，也就是使飛機(jī)更加不穩(wěn)定。
我們通過(guò)上述的結(jié)論很容易就能夠知道，靜穩(wěn)定性的飛機(jī)有利于保持穩(wěn)定性，那么靜不穩(wěn)定性有利于飛機(jī)的機(jī)動(dòng)能力這一說(shuō)法又是如何而來(lái)的呢？我們需要看了解飛機(jī)是怎樣配平的。
3. 常規(guī)布局和鴨翼布局的氣動(dòng)裝置如何進(jìn)行俯仰配平
對(duì)于飛機(jī)來(lái)說(shuō)，很多設(shè)計(jì)是互相矛盾的，比如以前我就說(shuō)過(guò)的超音速機(jī)動(dòng)能力和亞音速機(jī)動(dòng)能力，今天本章的穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性也是一對(duì)矛盾的組合。
常規(guī)布局的飛機(jī)進(jìn)行俯仰配平時(shí)，如果想要獲得抬頭力矩，通常是將平尾后緣上偏，這樣的話平尾會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向下的負(fù)升力，但由平尾和機(jī)頭分別處于重心的兩端，所以平尾產(chǎn)生的負(fù)升力就對(duì)機(jī)頭產(chǎn)生了一個(gè)向上的正升力，這樣就得到了抬頭力矩。
F-22起飛
就像這張圖中的F-22起飛一樣，我們可以明顯的看見(jiàn)F-22為了獲得抬頭力矩，平尾后緣上偏，產(chǎn)生了向下的負(fù)升力，但由于機(jī)頭和平尾這個(gè)氣動(dòng)裝置分別位于重心的兩側(cè)，F(xiàn)-22反而獲得了抬頭力矩。
但鴨翼就完全不一樣了，因?yàn)轼喴砗蜋C(jī)頭在重心的同一側(cè)。
（PS：平尾前方垂尾兩側(cè)的后緣襟翼向下偏的原因是為了改變翼剖面的彎度，這樣可以提升升力系數(shù)，增大升力。）
F-35B的配平方式
這張F(tuán)-35正在起飛，按理說(shuō)應(yīng)該需要抬頭力矩，但是F-35的平尾反而后緣下偏，這樣會(huì)產(chǎn)生正升力在機(jī)頭產(chǎn)生低頭力矩，這是為什么呢？
這是因?yàn)镕-35B不能按照常理來(lái)分析，這是因?yàn)镕-35B全機(jī)分布多個(gè)升力風(fēng)扇，尤其是座艙后的風(fēng)扇，給F-35提供了極大的抬頭力矩，所以反而需要平尾提供向下的低頭力矩。
（PS：本圖中同樣可以看見(jiàn)F-35B下放了后緣襟翼以提高升力系數(shù)。）
臺(tái)風(fēng)就是鴨翼布局的戰(zhàn)機(jī)
我們根據(jù)這張圖可以看見(jiàn)，臺(tái)風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)此時(shí)可能正在起飛或者降落的過(guò)程中，為了獲得抬頭力矩鴨翼是前緣上偏后緣下偏的，同樣是獲得抬頭力矩，鴨翼和平尾的旋轉(zhuǎn)方向卻完全相反，這就是因?yàn)閮烧咄瑱C(jī)頭的位置關(guān)系不同。
圖為兩種布局飛機(jī)的配平方式
這張圖就概括了兩種布局飛機(jī)的配平升力的區(qū)別，平尾產(chǎn)生的負(fù)升力飛機(jī)獲得抬頭力矩，鴨翼產(chǎn)生正升力飛機(jī)獲得抬頭力矩。
（PS：不過(guò)這張圖僅能描述飛機(jī)需要抬頭力矩時(shí)平尾和鴨翼的配平情況，但是如果需要獲得低頭力矩呢？情況就完全不一樣了。）
3. 為什么靜不穩(wěn)定性有利于機(jī)動(dòng)性？
這里有兩點(diǎn)原因：1. 飛機(jī)要配平低頭力矩或者是抬頭力矩，就和靜穩(wěn)定性和靜不穩(wěn)定性有極大的關(guān)系；2. 靜不穩(wěn)定設(shè)計(jì)對(duì)飛機(jī)的超音速性能有很大的幫助。
配平如果飛機(jī)是靜穩(wěn)定性的，那么焦點(diǎn)在重心之后，飛機(jī)會(huì)時(shí)刻獲得一個(gè)低頭力矩那么此時(shí)就需要抬頭力矩去配平，那么對(duì)于鴨翼飛機(jī)來(lái)說(shuō)就是產(chǎn)生正升力，對(duì)于常規(guī)布局來(lái)說(shuō)就是產(chǎn)生一個(gè)向下的負(fù)升力，毫無(wú)疑問(wèn)的是靜穩(wěn)定性狀態(tài)下的鴨翼飛機(jī)在獲得低頭力矩的同時(shí)會(huì)有額外的正升力。
靜穩(wěn)定狀態(tài)下的飛機(jī)
（PS：這個(gè)力矩只是計(jì)算出來(lái)的用來(lái)方便表示的。）
如果飛機(jī)是靜不穩(wěn)定的，那么情況就完全相反了。靜不穩(wěn)定時(shí)，焦點(diǎn)位于重心之前，那么就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)抬頭力矩，飛機(jī)就需要低頭力矩去配平。那么對(duì)于鴨翼來(lái)說(shuō)就需要負(fù)升力來(lái)制造低頭力矩，但對(duì)于平尾來(lái)說(shuō)只需要正升力就可以在機(jī)頭產(chǎn)生低頭力矩了。
（PS：這也是我為什么說(shuō)上圖只表示飛機(jī)需要抬頭力矩時(shí)的情況了，如果需要低頭力矩，那么上圖就反過(guò)來(lái)了。鴨翼和平尾的配平方向和飛機(jī)的靜不穩(wěn)定性一點(diǎn)關(guān)系都沒(méi)有，只不過(guò)是飛機(jī)的靜不穩(wěn)定性和靜穩(wěn)定性會(huì)在一定程度上決定飛機(jī)需要的是低頭力矩還是抬頭力矩。）
對(duì)于靜穩(wěn)定性飛機(jī)來(lái)說(shuō)，鴨翼無(wú)疑更有利，因?yàn)闀r(shí)刻需要抬頭力矩配平的話，鴨翼可以產(chǎn)生正升力。對(duì)于靜不穩(wěn)定的飛機(jī)來(lái)說(shuō)，常規(guī)布局更有利，因?yàn)闀r(shí)刻需要低頭力矩配平，平尾就可以產(chǎn)生正升力了。
J-10的起飛也是一樣的，產(chǎn)生抬頭力矩，需要鴨翼前緣上偏
靜不穩(wěn)性有利于減小超音速配平阻力我們都知道遠(yuǎn)距鴨翼有利于超音速配平，這是因?yàn)檫h(yuǎn)距鴨翼十分靠前，這樣的話鴨翼和重心的距離就被拉長(zhǎng)了，力臂變長(zhǎng)配平的效率就更高了。
那么靜不穩(wěn)定性的飛機(jī)是如何減小配平阻力的呢？
這是因?yàn)闅鈩?dòng)中心會(huì)隨著速度的逐漸增大而向后移動(dòng)，那么就會(huì)出現(xiàn)兩種情況：1. 原本是靜不穩(wěn)定的飛機(jī)會(huì)變成靜穩(wěn)定的；2. 原本是靜不穩(wěn)定性的飛機(jī)依然是靜不穩(wěn)定性的。無(wú)論是哪一種情況，氣動(dòng)中心和重心的距離都極大的減小了。
這樣的話力臂變短了，力矩也就變短了，所需要的配平力矩也就減小了，那么在其他參數(shù)不變的情況下，此時(shí)氣動(dòng)裝置需要偏轉(zhuǎn)的角度就變小了，那么配平阻力自然而然的就減小了。在升力系數(shù)不變的情況下，配平阻力減小，毫無(wú)疑問(wèn)，飛機(jī)的超音速升阻比就會(huì)增大，飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性就會(huì)變好。
像這樣利用飛機(jī)靜不穩(wěn)定性來(lái)減小飛機(jī)的超音速配平阻力的設(shè)計(jì)被稱為放寬靜穩(wěn)定性。
J-20就是放寬靜穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的飛機(jī)
以上就是飛機(jī)靜穩(wěn)定性和靜不穩(wěn)定性的全部?jī)?nèi)容，我們來(lái)簡(jiǎn)單的做一個(gè)總結(jié)：1. 焦點(diǎn)和重心的位置關(guān)系決定了飛機(jī)是靜穩(wěn)定性的還是靜不穩(wěn)定性的；2. 靜穩(wěn)定性有利于飛機(jī)的穩(wěn)定性；3. 靜不穩(wěn)定性有利于飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性（常規(guī)布局：平尾可以提供額外的正升力，減小超音速配平阻力；鴨翼布局：減小超音速配平阻力。）
本文引用：
方寶瑞，李天，余松濤等 《飛機(jī)氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)》【M】，北京，航空工業(yè)出版社，1997，282
