俯仰穩定(又稱縱向穩定)是指飛機繞橫軸(Oy軸)的穩定情況，影響飛機縱向穩定的一個重要因素是飛機迎角的變化。飛行中，當飛機受到微小擾動而偏離其縱向平衡狀態時，在擾動去除瞬間，飛機不經駕駛員操縱，就自動地恢復到原來的平衡狀態，則稱飛機具有縱向穩定性。
基本介紹
- 中文名：俯仰穩定性
- 外文名：longitudinal stability
- 所屬領域：航空航天
- 別稱：縱向穩定性
- 影響因素：迎角變化
- 產生原因：俯仰穩定、阻力力矩作用
原理,產生原因,俯仰穩定力矩的產生,飛機俯仰阻尼力矩的產生,增大俯仰穩定性,
原理
飛機的俯仰穩定性，指的是飛行中，飛機受微小擾動以致俯仰平衡遭到破壞，在擾動消失後，飛機自動趨向恢復原平衡狀態的特性。
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。當飛機的迎角發生變化時，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作用點稱為飛機的焦點。當飛機受到擾動而機頭上仰時，機翼和水平尾翼的迎角增大，產生一個向上附加升力，如果飛機重心位於焦點位置的前面，則此向上的附加升力會對飛機產生一個下俯的穩定力矩，使飛機趨向於恢復原來的飛行狀態。反之，當飛機受擾動而機頭下俯時，機翼和水平尾翼的迎角減小，會產生向下的附加升力，此附加升力對重心形成一個上仰的穩定力矩，也使飛機趨向於恢復原來的穩定狀態。
因此，飛機的縱向穩定性主要取決於飛機重心的位置，只有當飛機的重心位於焦點前面時，飛機才是縱向穩定的；如果飛機的重心位於焦點之後，飛機則是縱向不穩定的。重心前移可以增加飛機的縱向靜穩定性，但並不是靜穩定性越大越好。例如，靜穩定性過大，升降舵的操縱力矩就難以使飛機抬頭。因此，由於重心前移使穩定性過大，會導致飛機的操縱性變差。
飛機重心位置會隨飛機載重的分布情況不同發生變化。當重心位置後移時，將削弱飛機的縱向穩定性，所以在配置飛機載重時，應當注意妥善安排各項載重的位置，不使飛機重心後移過多，以保證重心位於所要求的範圍以內。
當迎角改變時，機翼升力也改變，但理論和試驗都指出，儘管升力大小隨迎角變化而變化，但升力增量的作用點卻始終保持不變，這個升力增量的作用點，即為機翼的焦點。對目前常用的翼型來說，亞聲速時焦點位於離翼型前緣22%～25%弦長處，而在超聲速時焦點的位置離翼型前緣則增加到40%～50%弦長處。
飛機重心和飛機焦點之間的相互位置，決定了飛機是否具有縱向穩定性。若飛機重心位於其焦點之前，則在飛機受到外界擾動後，例如迎角增加了△a，那么在飛機的焦點上，就會產生一個向上的升力增量△￡，它對飛機重心形成使機頭下俯的穩定力矩，使飛機具有逐漸消除△a而自動恢復到原來平衡迎角的情況，即飛機是穩定的。反之，若飛機重心位於其焦點之後，升力增量對飛機重心所形成的是不穩定的上仰力矩，使飛機迎角越來越大而沒有恢復到原來平衡迎角的情況，因此飛機是不穩定的。由此，可以得出一個重要結論：飛機的重心若位於飛機焦點之前，飛機具有縱向穩定性，飛機重心位於飛機焦點之後，則飛機便失去縱向穩定性。
產生原因
飛機的俯仰穩定性是指在飛行中，飛機受微小擾動以致迎角發生變化，在擾動消失後，飛機自動恢復原來迎角的特性，又稱縱向穩定性。飛機的俯仰穩定是俯仰穩定力矩和俯仰阻力力矩共同作用的結果。
俯仰穩定力矩的產生
飛機的俯仰穩定力矩主要是由水平尾翼產生的。當飛機受擾動機頭上仰使機翼迎角增大時，水平尾翼的迎角也增大，產生向上的附加升力，對飛機重心形成下俯力矩，使飛機趨向於恢復原來的迎角；反之，當飛機受擾動機頭下俯使機翼迎角減小時．水平尾翼產生向下的附加升力，對飛機重心形成上仰的力矩，也使飛機趨向於恢復原來的迎角。這便是水平尾翼產生俯仰穩定力矩的過程。
實際上，當飛機受擾動迎角發生變化時，除機翼、水平尾翼的迎角隨之變化外，機身、螺旋槳等部分的迎角也要發生變化，同樣也會產生升力的增量，即飛機附加升力。由於機翼焦點離飛機重心很近，甚至可能在重心之前，也就是說，機翼產生附加升力對重心所形成的俯仰力矩對俯仰穩定力矩的貢獻小，甚至無貢獻。所以，我們認為飛機的俯仰穩定力矩主要是由水平尾翼產生的。
飛機的附加升力可以為正也可以為負，正常情況下，迎角增加，附加升力為正；反之，迎角減小，附加升力為負。附加升力能對飛機重心形成俯仰力矩，這些俯仰力矩能否成為飛機的俯仰穩定力矩，取決於飛機焦點與重心的前後位置關係。
飛機焦點位於飛機重心之後，飛機能產生俯仰穩定力矩，飛機具有俯仰靜穩定性。這是因為當飛機受擾機頭上仰迎角增大時，飛機附加升力向上，對飛機重心形成下俯力矩；或者當飛機受擾機頭下俯迎角減小時，飛機附加升力向下，對飛機重心形成上仰力矩，都使飛機具有恢復原來迎角的趨勢，都為俯仰穩定力矩。
飛機焦點位於飛機重心之前，飛機不能產生俯仰穩定力矩，飛機不具有俯仰靜穩定性。這是因為當飛機受擾機頭上仰迎角增大時，飛機附加升力向上，對飛機重心形成上仰力矩；或者當飛機受擾機頭下俯迎角減小時，飛機附加升力向下，對飛機重心形成下俯力矩，都迫使飛機更加偏離原來的迎角，都為俯仰不穩定力矩。
飛機焦點與飛機重心重合，飛機附加升力對重心產生的力矩為零，飛機既不會自動恢復原來的迎角，也不會偏離原來的迎角，這種狀態稱為中立不穩定。
由上述分析可知，為了保證飛機具有俯仰靜穩定性，飛機的焦點必須位於飛機的重心之後。對一般飛機來說，由於水平尾翼的作用，飛機的焦點都位於飛機重心之後。
飛機俯仰阻尼力矩的產生
飛行中，僅有俯仰穩定力矩還無法保證飛機的俯仰穩定性。要使飛機最後能恢復到原來的迎角，除了應具備俯仰穩定力矩，使飛機具有自動恢復到原來迎角的趨勢外，還要在俯仰擺動中，形成阻尼力矩，迫使飛機的擺動幅度逐漸減小直至消失。
飛機在繞著重心的俯仰擺動過程中，水平尾翼、機翼和機身等部件都可以產生俯仰阻尼力矩，但俯仰阻尼力矩主要是由水平尾翼產生的。
增大俯仰穩定性
影響俯仰穩定性的因素很多，主要有以下幾個方面。
1．水平尾翼面積和尾力臂
增大水平尾翼面積和增長尾力臂，有利於提高模型滑翔機的俯仰穩定性。
尾力臂一般指從重心到水平尾翼距前緣1/4翼弦的距離。
2．重心位置
重心位置對俯仰穩定性影響很大，十分重要。在這裡我們要引人整機焦點的概念。焦點是升力增量的作用點，用焦點作為整機的氣動力作用點，化作一個氣動力矩和一個焦點力矩，隨迎角的變化氣動力大小會發生變化，而焦點力矩不隨迎角改變而發生變化，焦點力矩是一個常數。重心位置在焦點前面是保證模型滑翔機縱向安全性的必要條件，重心在焦點之前越遠，縱向安全性越好。
3．俯仰穩定度
俯仰穩定度是模型滑翔機單位升力係數變化時俯仰力矩係數的變化量，能比較全面地衡量模型滑翔機的俯仰穩定性。
4、尾翼
尾翼組由垂直尾翼和水平尾翼組成。垂直尾翼包括垂直安定面和方向舵，提供方向(航向)穩定性和操縱性；水平尾翼包括水平安定面和升降舵。提供俯仰穩定性和操縱性。
