飞机横航向稳定性分析

第10章飞机的横航向动稳定性和动操纵性作业：10.1 10.2 10.4 10.5内容10.1 飞机横航向动稳定性10.1.2 典型的横航向运动模态10.1.3 滚转模态10.1.4 螺旋模态10.1.5 滚转--螺旋模态10.1.6 荷兰滚模态10.2 飞机横航向动操纵性10.2.1 副翼的操纵反应10.2.2 方向舵的操纵反应小结由组成的四阶方程，对于正常布局的飞机，它由一个负的大实根、一对实部为负的共轭复根和一个小的实根（可正可负）组成。

10.1.2 典型的横航向运动模态,,,p r βφ滚转模态荷兰滚模态螺旋模态负的大实根负的共轭复根小的实根对应于特征方程中的一个大的负实根； 其特征是衰减很快的非周期运动，其振幅衰减一半的时间仅为零点几秒；受横侧扰动后，飞机绕机体轴的单自由度滚转，收敛过程很快。

运动变量是滚转角速度和滚转角；飞机具有较大的横向阻尼（来源机翼），运动衰减快，一般均能满足品质要求。

1.滚转模态,p φlpC飞机横航向运动中最重要的模态； 对应特征方程中的一对共轭复根，滚转角、侧滑角和偏航角的量级相同； 偏航运动略超前滚转，即左偏航时右滚转。

飞机重心沿直线轨迹前进，颇似荷兰人的滑冰动作而得名；模态频率高，周期约为数秒至十几秒，介于纵向长、短周期之间。

品质规范对其特性有严格要求。

,,βφψ荷兰？3.螺旋模态对应特征方程中的一个小实根； 特征是衰减缓慢的非周期运动，运动变量为偏航角和滚转角；允许其特征根为一小的正根，由于运动不稳定时呈螺旋状而得名； 运动缓慢，半幅或倍幅时间长，约上百秒，易于纠正，对其模态特性要求不高。

,ψφ4.为什么飞机受到横航向扰动后，飞机首先表现出滚转运动，然后是荷兰滚运动，最后才是螺旋运动？内容10.1 飞机横航向动稳定性10.1.2 典型的横航向运动模态10.1.3 滚转模态10.1.4 螺旋模态10.1.5 滚转--螺旋模态10.1.6 荷兰滚模态10.2 飞机横航向动操纵性10.2.1 副翼的操纵反应10.2.2 方向舵的操纵反应小结表征为绕轴转动的单自由度运动。

民用飞机横航向增稳系统设计研究分析论文民用飞机横航向增稳系统设计研究分析论文大型客机在高空、高速飞行时,在受到阵风或紊流的扰动时,由于飞机自身稳定性不足,飞机往往会出现低阻尼比的俯仰振荡和横航向振荡,驾驶员对这种短周期的振荡模态来不及反应,极大的影响飞行员的操纵和乘客的乘坐品质,严重情况会造成飞机的事故。

为了保证飞机的飞行安全,满足要求的飞行品质,通常需要必须要在飞的三个轴向操纵系统中加入增稳系统,以便增大飞机振荡模态的阻尼比,增强飞机的稳定性和改善飞机的操纵性。

增稳系统主要分为纵向以及横航向两种增稳控制构型,纵向增稳控制律设计的主要目的是改善飞机短周期运动特性,横航向增稳控制律设计的主要目的是改善飞机的荷兰滚运动特性。

由于飞机横航向运动的交连耦合的影响造成了横航向运动的复杂性,因此横航向增稳系统的设计比纵向操稳系统难。

该文对某型飞机的横航向增稳系统进行了设计,对并其仿真结果进行了分析。

1横航向增稳控制系统方案控制增稳的控制律是电传操纵系统最基本的控制模态,是电传操纵系统实施对飞机的控制以及实现各种主动控制功能的基础。

控制增稳的控制律设计,首先要满足稳定性要求。

设计实践经验表明,在线性设计阶段,应力求留出足够的幅值稳定裕量和相位裕量;从而使非线性设计和实际系统交付时,得以满足6分贝幅值裕量和45°相位裕量的指标要求。

具体设计指标如下。

(1)滚转轴操纵具备滚转角速度控制/倾斜角姿态保持响应类型,并具有自动转弯协调能力。

(2)偏航角操纵具备常规的侧滑角控制响应类型,而由侧滑引起的滚转趋势可以通过副翼调节自动防御。

(3)荷兰滚阻尼比大于0.5,滚转角速度响应零点和荷兰滚极点尽量对消,以提高乘坐品质。

(4)滚转模态半衰期足够小。

(1)偏航通道中引入偏航角速率反馈。

(2)滚转通道中引入滚转角速率反馈。

(3)偏航通道和滚转通道中引入侧滑角或侧向过载反馈。

1.1基于偏航角速率反馈方向舵控制方案简化后的以方向舵偏量为控制输入、偏航角速率为输出的'传递函数。

编号毕业设计题目飞机横航向稳定性分析学生姓名学号学院专业班级指导教师二〇一六年六月本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）（题目：）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。

尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

作者签名：年月日（学号）：飞机横航向稳定性分析摘要飞机的稳定性是保证飞行安全的最基本要求，本文主要目的是对常规布局飞机的横航向稳定性进行分析，并利用Matlab编写程序来实现飞行器横航向稳定性分析；我们首先建立飞行器的运动学方程和动力学方程，得到飞行器正常飞行的力学模型，利用模型充分研究影响飞行器横航向稳定性的因素后，为了利用矩阵工具对方程进行求解，我们采用合理方法使飞行器运动方程线性化；线性化后我们发现飞机的横、纵向方程并不耦合，我们把飞机横向线性方程分离出来，并将其整理成矩阵形式，然后求出矩阵的特征值和特征向量，利用特征值与飞行模态的对应关系就可以确定飞机的稳定性关键词：稳定性，运动方程，建模，线性化Aircraft lateral and directional stability AnalysisSystemAbstractThe stability of the aircraft is the most basic requirements to ensure flight safety, the main purpose of this article is lateral and directional stability of the general layout of the aircraft for analysis and programming using Matlab to achieve the aircraft lateral and directional stability analysis; we first establish the kinematics of the aircraft equation and dynamic equation, the mechanical model of aircraft normal flight, the full study using the model aircraft after the impact factors of stability cross course, in order to take advantage of tools matrix equation is solved, we have adopted a reasonable approach enables linear equations of motion of the aircraft; linearization we found that the aircraft's horizontal and vertical coupling equation does not, we separated the plane transverse linear equations, and organized into a matrix, and then find the eigenvalues and eigenvectors using the eigenvalues and the corresponding flight modes relations can determine the stability of the aircraftKey Words：Stability; Equations of motion; Modeling; Linearization目录摘要 (i)Abstract ........................................................................................................................................ i i 目录......................................................................................................................................... i ii 第一章引言.. (1)1.1 飞行器的稳定性的提出及定义 (1)1.1.1 飞行器的平衡和配平 (1)1.1.2 稳定性的提出 (1)1.1.3 稳定性的定义 (1)1.1.4 稳定性的影响因素 (2)1.2 飞行器的横航向稳定性定义及影响因素 (3)1.2.1 横航向稳定性的定义 (3)1.2.2 飞行器横向稳定性的影响因素 (4)1.3 论文的结构与主要内容 (4)1.3.1 稳定性研究的目的与意义 (4)1.3.2 论文的主要结构 (5)第二章刚性飞行器运动方程 (7)2.1常用坐标系及其转换 (7)2.1.1常用的坐标轴系 (7)2.1.3坐标转换矩阵 (7)2.1.2常用坐标系之间的关系 (10)2.2刚性飞行器动力学方程 (12)2.2.1飞行器质量中心移动的动力学方程 (12)2.2.2飞行器绕质量中心转动动力学方程 (16)2.3 刚性飞行器运动学方程 (20)2.3.1 飞行器质量中心运动学方程 (20)2.3.2 飞行器绕质量中心转动运动学方程 (20)2.4 方程组中的几何关系 (21)第三章运动方程线性化 (23)3.1 小扰动法 (23)3.1.1 基本概念 (23)3.1.2 基本假设 (23)3.2运动方程组线性化 (24)3.2.1线性化方法 (24)3.2.2 外力合外力矩的线性化 (25)3.2.3运动方程的线性化 (26)第四章横航向运动稳定性判断 (30)4.1横航向小扰动运动方程组 (30)4.1.1 横航向小扰动运动方程组矩阵化 (30)4.1.2 方程模态特性分析方法 (33)第五章飞机横航向稳定性分析实例 (35)5.1 某型飞机的稳定性判断 (35)5.1.1 程序的结构与框架 (35)5.1.2 某型飞机的计算实例 (35)第六章总结与展望 (39)参考文献 (40)致谢 (41)第一章引言1.1 飞行器的稳定性的提出及定义1.1.1 飞行器的平衡和配平飞行器在正常飞行时，飞行器的平衡状态是所有作用在飞行器上的外力、外力矩之和全为零的状态。

航空器的动态稳定性与控制在广袤的蓝天中，航空器自由翱翔。

然而，这看似轻松的飞行背后，隐藏着一系列复杂而关键的科学原理，其中航空器的动态稳定性与控制无疑是至关重要的方面。

要理解航空器的动态稳定性，首先得明白什么是稳定性。

简单来说，稳定性就是指物体在受到干扰后，是否能够恢复到原来的状态。

对于航空器而言，动态稳定性指的是其在飞行过程中，当受到气流变化、操纵输入或其他外部因素干扰时，能够自动趋向于恢复平衡状态的能力。

航空器的动态稳定性可以分为纵向稳定性、横向稳定性和方向稳定性。

纵向稳定性关乎飞机在俯仰方向上的稳定，也就是机头的上下运动。

比如，当飞机因为气流的影响而机头突然上仰时，如果飞机具有良好的纵向稳定性，它会自动产生一个恢复力矩，使机头重新回到水平位置。

横向稳定性则主要涉及飞机在滚转方向上的稳定，即机翼的左右倾斜。

方向稳定性则侧重于飞机在偏航方向上的稳定，也就是机头的左右转动。

这些稳定性的实现，离不开航空器自身的设计特点。

比如，机翼的形状、位置和面积，尾翼的大小和布局，机身的形状和重量分布等，都对稳定性有着重要的影响。

以机翼为例，上凸下平的形状使得气流在经过时产生压力差，从而产生升力。

同时，机翼的安装角度和位置也会影响飞机的稳定性。

如果机翼位置过高或过低，都可能导致稳定性变差。

控制，是实现和维持航空器稳定性的重要手段。

航空器的控制系统就像是驾驶员手中的“缰绳”，能够对飞机的姿态和运动进行精准的操控。

在现代航空器中，常见的控制面包括副翼、升降舵和方向舵。

副翼位于机翼的后缘，通过左右副翼的差动运动，可以实现飞机的滚转控制。

升降舵通常位于水平尾翼的后缘，用于控制飞机的俯仰运动。

方向舵则位于垂直尾翼的后缘，负责飞机的偏航控制。

除了这些传统的控制面，现代航空器还采用了一系列先进的控制技术。

比如电传操纵系统，它通过电子信号将驾驶员的操纵指令传递给控制面，相比传统的机械操纵系统，具有响应更快、精度更高、重量更轻等优点。

67信息记录材料 2018年3月 第19卷第3期（2）社会价值水是生命之源,不仅工业农业的发展要靠水,水更是城市发展,人民生活的生命线。

本系统不但能够达到节水减排的目的,而且通过使用本家用热水器节水回水再利用智能系统节约用水还可以带来明显的环境效益,除了提高水资源承载能力、水环境承载能力等方面的效益外,还有美化环境、维护河流生态平衡等方面的效益。

1 引言自转旋翼机是介于固定翼飞机和直升机之间的一种特殊的机型，它的发展为直升机后面的崛起奠定了坚实的基础。

自转旋翼机是第一种直接使用旋翼产生升力的飞机，因此它是直升机的先驱者。

自转旋翼机以无动力旋翼为主要升力面，螺旋桨提供推力或者牵引力，起飞方式主要是滑跑。

有些复杂的旋翼机可以实现垂直起降或者超短距起降，因为可以安装预转机构或者旋翼桨尖喷气，自转旋翼机兼具固定翼飞机和直升机的优点，如经济性好、结构简单、安全性好及振动噪声小等[1，2]。

它在运动和娱乐飞行中越来越流行，但至今没有发现它在商业和军事中的实际用途，而这和此种飞机的适航性有很大的关系，研究它的稳定性对于自转旋翼机适航性的制定和揭示它的飞行力学本质有着重大的意义。

对于自转旋翼机的研究，国外主要集中在Glasgow 大学的Houston 教授团队[3-9]，国内南航的李建波团队对此也做了大量的工作。

著名直升机专家Leshiman 教授对自转旋翼机的技术发展做了全面的总结，本文研究的对象为西班牙的ELA 07自转旋翼机，如图1。

图1 ELA 07自转旋翼机2 旋翼机建模2.1 部件建模本文采用部件建模方法，包括机身、旋翼、螺旋桨、尾翼，综合考虑计算速度和精确度，旋翼诱导速度采用动量理论计算，针对本机型特殊的主旋翼，它的来流是从下至上传过桨盘，结合它独特的特性，推导出旋翼气动模型，其它几个部件的模型比较简单，在此不再赘述。

2.2 稳定性分析模型对于自转旋翼机运动方程： 是自转旋翼机的一个平衡位置，即：在附近受到小扰动，状态变量和控制变量变为：带入运动方程中即可得到：若略去符号Δ即可得到平衡点处的小扰动线化方程：将其表示为状态方程形式，令：即可表示为：其中A 为小扰动线化模型的状态矩阵，B 为小扰动线化模型的控制矩阵。

飞机的横向稳定性飞机受扰动以致横侧向平衡状态遭到破坏，而在扰动消失后，如飞机自身产生一个恢复力矩，使飞机趋向于恢复原来的平衡状态，就具有横侧向稳定性。

反之，就没有横侧向稳定性。

在飞行过程中，使飞机自动恢复原来横侧向平衡状态的滚转力矩，主要是由机翼上反角、机翼后掠角和垂直尾翼的作用产生的。

飞机在平飞过程中，当一阵风吹到飞机的左翼上，使飞机的左翼抬起，右翼下沉，飞机受扰动而产生向右的倾斜，使飞机沿着合力的方向沿右下方产生侧滑。

此时，空气从右前方吹来，因上反角的作用，右翼有效迎角增大，升力也增大；左翼则相反，有效迎角和升力都减小。

左右机翼升力之差形成的滚转力矩，力图减小或消除倾斜，进而消除侧滑，使飞机具有自动恢复横侧向平衡状态的趋势。

也就是说，飞机具有横侧向稳定性。

图3- 1 机翼上反与横测稳定性图3- 2 机翼后掠角与横测向稳定性机翼后掠角也使飞机具有横侧向稳定性。

一旦因外界干扰使飞机产生了向右的倾斜，飞机的升力也跟着倾斜，飞机将沿着合力R的方向产生侧滑。

由于后掠角的作用，飞机右翼的有效速度v大于左翼的1有效速度v，所以，在右边机翼上产生的升力将大于左边机翼上产生3的升力，两边机翼升力之差，形成滚转力矩，力图减小或消除倾斜，使飞机具有横侧向稳定性。

跨声速或超声速飞机，为了减小激波阻力，大都采用了后掠角比较大的机翼，因此，后掠角的横侧向稳定作用可能过大，以致于当飞机倾斜到左边后，在滚转力矩的作用下，又会倾斜到右边来。

于是，飞机左右往复摆动，形成飘摆现象（荷兰滚）。

为了克服这种不正常现象，可以采用下反角的外形来削弱后掠机翼的横侧向静稳定性。

低、亚声速飞机大都为梯形直机翼，为了保证飞机的横侧向静稳定性要求，或多或少都有几度大小的上反角。

此外，如果机翼和机身组合采用上单翼布局形式，也会起到横侧向静稳定作用；相反，采用下单翼布局形式，则会起到横侧向静不稳定作用。

这一点在选择上反角时也应综合考虑。

航空器的动态稳定性分析在现代航空领域，航空器的动态稳定性是一个至关重要的研究课题。

无论是民用客机的安全舒适飞行，还是军用飞机的高性能作战，都离不开对其动态稳定性的深入理解和精确分析。

动态稳定性指的是航空器在受到外界干扰后，能否自动恢复到初始平衡状态的能力。

这一特性直接关系到飞行的安全性和操纵性。

航空器的动态稳定性受到多种因素的影响。

首先是机身的气动布局。

机翼的形状、大小、位置以及尾翼的设计等都会对空气动力产生作用，从而影响航空器的稳定性。

例如，大展弦比的机翼通常会提供较好的纵向稳定性，而较窄的机翼则可能在机动性方面表现更出色，但稳定性相对较弱。

航空器的质量分布也是一个关键因素。

重心位置的变化会显著改变飞机的动态特性。

如果重心过于靠前，飞机可能在俯仰方向上过于稳定，但操纵灵敏度会降低；反之，重心靠后可能增加操纵的灵活性，但也可能导致稳定性不足。

飞行速度同样对动态稳定性产生影响。

在不同的速度下，空气的流动特性发生改变，作用在航空器上的气动力也会有所不同。

高速飞行时，空气的压缩性不可忽略，这可能导致一些在低速时不明显的不稳定现象出现。

为了分析航空器的动态稳定性，工程师们采用了多种方法和技术。

其中，理论分析是基础。

通过建立数学模型，利用空气动力学和力学原理，计算出航空器在各种情况下的受力和运动状态。

然而，由于实际情况的复杂性，理论模型往往存在一定的局限性。

风洞试验是另一种重要的手段。

将航空器的模型放入风洞中，模拟不同的气流条件，可以直观地观察到气动力的作用效果，获取有关稳定性的数据。

但风洞试验也有其缺点，比如无法完全模拟真实飞行中的所有情况。

数值模拟方法近年来发展迅速。

借助强大的计算机和先进的软件，对航空器周围的流场进行详细的计算和分析。

这种方法能够处理复杂的几何形状和流动现象，但需要准确的输入参数和可靠的计算模型。

在实际飞行中，飞行员通过操纵飞机的感受和飞机的响应来判断其稳定性。

如果飞机在受到干扰后能够迅速、平稳地恢复到原状态，说明具有较好的动态稳定性；反之，如果飞机出现过度的振荡或难以控制的情况，则可能存在稳定性问题。

航空飞行姿态稳定性分析与优化设计航空飞行姿态稳定性是指飞行器在各种飞行条件下保持稳定的能力。

飞行姿态稳定性对于飞行器的操作、安全性以及飞行性能具有重要影响。

因此，对于航空飞行姿态稳定性的分析与优化设计是航空工程中不可或缺的任务。

首先，航空飞行姿态稳定性分析与评估是确保飞行器安全运行的重要步骤。

通过数学建模和仿真技术，可以对飞行器在不同飞行姿态下的稳定性进行分析。

这些分析可以包括对飞机在滑行、起飞、爬升、巡航、下降和着陆等阶段的姿态稳定性进行全面评估。

同时，还可以考虑到横向、纵向和垂向飞行控制的各个方面，以确保飞行器在各种工况下保持姿态稳定。

其次，优化设计是提高航空飞行姿态稳定性的关键。

通过对飞行器结构、控制系统和传感器的优化设计，可以提高飞行器的姿态稳定性和飞行性能。

在结构设计方面，可以通过增加尾翼面积、调整翼面形状、改变机身几何形状等方式来提高飞行器的静稳定性。

在控制系统设计方面，可以采用先进的自动控制系统和舵面设计，以实现更精确的姿态控制。

同时，传感器的设计也至关重要，通过使用精确可靠的传感器，可以提供准确的姿态测量数据，从而改善飞行器的稳定性。

最后，还可以运用先进的优化算法，对飞行姿态稳定性进行多目标优化，以获得最佳飞行性能。

在实际应用中，航空飞行姿态稳定性分析与优化设计对于飞行器的性能、安全性和经济性都具有重要意义。

首先，良好的姿态稳定性可以提高飞行器的操纵性和飞行稳定性，减少操作员的负担，降低飞机事故的风险。

其次，优化的姿态稳定性设计可以提高飞行器的飞行性能，包括燃油效率、速度和航程等方面的指标。

此外，航空飞行姿态稳定性的优化设计还可以提高飞行器的多任务性能，使其适应不同的飞行任务和工况要求。

综上所述，航空飞行姿态稳定性分析与优化设计是航空工程中重要的任务。

通过对飞行器的姿态稳定性进行分析与评估，并采用优化设计的方法，可以提高飞行器的安全性、性能和经济性。

这不仅对于民用航空、军事航空和航天领域具有重要意义，也对于航空工程领域的科研和技术发展起到推动作用。