力平衡

飛機在飛行時，所有作用於飛機的外力與外力矩之和都等於零的狀態，稱為力平衡，也稱為飛機的平衡狀態。

飛機的力平衡問題歸結為縱向平衡、橫向平衡和航向平衡的問題。是飛機穩定安全飛行的關鍵。

中文名稱	力平衡
英文名稱	equilibrium
定　　義	某一系統的合力和合力矩同時為零。
套用學科	機械工程（一級學科），機構學（二級學科），機構動力學（三級學科）

基本介紹

• 中文名：力平衡
• 外文名：Force balance

飛機受力介紹

飛行中，作用於飛機上的載荷主要有飛機重力、升力、阻力和發動機推力(或拉力)。飛行狀態改變或受到不穩定氣流的影響時，飛機的升力會發生很大變化。飛機著陸接地時，飛機除了承受上述載荷外，還要承受地面撞擊力，其中以地面撞擊力最大。飛機承受的各種載荷中，以升力和地面撞擊力對飛機結構的影響最大。

飛機在等速直線平飛時，它所受的力有:飛機重力G、升力Y，阻力x和發動機推力P。為了簡便起見，假定這四個力都通過飛機的重心，而且推力與阻力的方向相反，則作用在飛機上的力的平衡條件為:升力等於飛機的重力，推力等於飛機的阻力。即Y=G， P=X。

平飛時飛機的受載

飛機作不穩定的平飛時，推力與阻力是不相等的。推力大於阻力，飛機就要加速；反之，則減速。由子在飛機加速或減速的同時，駕駛員減小或增大了飛機的迎角，使升力係數減小或增大，因而升力仍然與飛機重力相等。平飛中，飛機的升力雖然總是與飛機的重力相等，但是，飛行速度不同時，飛機上的局部氣動載荷(局部空氣動力)是不相同的。飛機以小速度平飛時，迎角較大，機翼上表面受到吸力，下表面受到壓力，這時的局部氣動載荷並不很大;而當飛機以大速度平飛時，迎角較小，對雙凸型翼型機其來說，除了前緣要受到很大壓力外，上下表面都要受到很大的吸力。翼型越接近對稱形，機翼上下表面的局部氣動載荷就越大。所以，如果機翼蒙皮剛度不足，在高速飛行時，就會被顯著地吸起或壓下，產生明顯的鼓脹或下陷現象，影響飛機的空氣動力性能。

飛機的力平衡問題歸結為縱向平衡、橫向平衡和航向平衡的問題。

縱向平衡

飛機在縱向平面內作等速直線飛行，並且不繞橫軸轉動的這樣一種運動狀態，稱為縱向平衡。
飛機在縱向運動時，作用於飛機上的力主要有：機翼升力 ，水平尾翼升力 ，機身升力 ，空氣阻力和發動機推力P以及飛機重力G，如圖所示。

作用於飛機上的對橫軸的力矩

這些力的大小和方向各不相同，因此對飛機重心的力矩亦不相同，有的力產生使飛機抬頭的上仰力矩，有的力則產生使飛機低頭的下俯力矩。為了使飛機不繞橫軸轉動，飛機的上仰力矩必須等於下俯力矩，即

此外，要使飛機保持等速水平直線飛行，作用於飛機上的各力也必須保持平衡，故:

機身和平尾產生的升力，一般情況下比機翼升力小得多，在具體計算時通常忽略不計。
飛機在飛行中，其平衡狀態不是一成不變的，經常會因為各種因素的影響而遭到破壞。例如由於燃油消耗、收放起落架、收放襟翼、發動機推力改變或投擲炸彈等，都會使飛機的平衡狀態發生變化。

當飛機的平衡狀態遭到破壞後，則上述的平衡條件便不能滿足，也就是說飛機的上仰力矩不再等於下俯力矩，其差值便構成附加的不平衡力矩。因此，要使飛機保持縱向平衡狀態，就必須克服這個不平衡力矩，克服的方法是操縱升降舵。例如，由於某種原因，飛機產生了附加的不平衡上仰力矩，使平衡狀態破壞，此時駕駛員應當向前推桿，使升降舵向下偏轉，於是在水平尾翼上產生向上的附加升力，該力對飛機重心形成下俯力矩，若其大小剛好和不平衡上仰力矩相等時，飛機便重新回到縱向平衡狀態，繼續飛行。

同樣道理，飛機由於某種原因產生了不平衡的下俯力矩，駕駛員就應當用向後拉桿使升降舵向上偏轉的辦法來加以克服。
由此可知，升降舵的一個重要作用，就是當飛機的縱向平衡狀態遭到破壞而出現附加的不平衡俯仰力矩時，可以藉助於它的偏轉來產生俯仰操縱力矩，以保持飛機原有的縱向平衡狀態。

橫向平衡

飛機作等速直線飛行，並且不繞縱軸滾轉的這樣一種飛行狀態，稱為橫向平衡。　　由圖可知，當飛機作等速直線飛行時，使飛機繞縱軸滾轉的力矩，主要是由兩邊機翼上的升力及其重力所產生。為了使飛機不繞縱軸轉動，保持橫向平衡，使飛機右傾的力矩總和應當等於使飛機左傾的力矩總和，即

作用於飛機上的對縱軸的力矩

式中: 和 分別表示右機翼和左機翼的升力， 和 分別表示右機翼和左機翼上的載重，a, b, c, d則分別表示這些力到飛機重心的垂直距離。顯然，當兩邊機翼的重量、幾何參數和氣動特性完全對稱時，則 ， ,a=b,c= d，左傾力矩總和等於右傾力矩總和，飛機將處於橫向平衡狀態。但是如同縱向情況一樣，飛機的橫向平衡狀態也會由於兩邊機翼安裝角不同或者副翼不在中立位置，或者機翼兩邊的裝載不同而遭到破壞。另外，對於裝有螺旋槳的飛機來說，當螺旋槳旋轉時，還會產生與旋轉方向相反的滾轉力矩。例如當螺旋槳向右轉動時，槳葉迫使空氣亦跟著向右旋轉，根據作用與反作用原理，空氣便給螺旋槳一個大小相等、方向相反的反作用滾轉力矩，它使飛機向左傾斜，如圖所示，這也會使飛機的橫向平衡遭到破壞。

由此可見，飛機的橫向平衡經常會因為各種原因而遭到破壞，為了保持飛機的橫向平衡狀態，駕駛員可以操縱副翼，使飛機產生橫向平衡力矩，來克服不平衡的滾轉力矩。

當飛機出現向右滾轉的不平衡力矩時，駕駛員應當向左壓桿，這時右副翼向下偏轉，左副翼向上偏轉，右機翼升力增大，左機翼升力減小，形成使飛機向左滾轉的平衡力矩，抵消不平衡的右滾力矩，從而恢復橫向平衡狀態。同樣道理，當飛機向左傾斜時，則可用向右壓桿的辦法來克服。所以副翼的一個重要作用，就是可以藉助於它的偏轉，保持飛機的橫向平衡狀態。

航向平衡

飛機作等速直線飛行，並且不繞立軸轉動的這樣一種飛行狀態，稱為航向平衡。
由圖可知，當飛機作等速直線飛行時，使飛機繞立軸轉動的偏航力矩，主要由兩邊機翼的阻力和發動機的推力(多發動機飛機)所造成。為了使飛機保持航向平衡就必須使飛機左轉的航向力矩總和，等於使飛機右轉的航向力矩總和，即

作用於飛機上的對立軸的力矩

飛機的航向平衡如同縱向情況一樣，經常會由於兩邊機翼重量、氣動特性以及發動機工作狀態的不對稱而遭破壞，特別是當一邊機翼上的發動機停止工作時，引起的不平衡情況尤為嚴重。例如若右翼的發動機停車，即，則發動機的推力將形成使飛機向右偏轉的不平衡力矩，在此力矩作用下，飛機向停車發動機一側偏轉。為了保持原來航向平衡狀態，駕駛員應當用左腳蹬舵，使方向舵向左偏轉，此時在垂直尾翼上產生向右的側向力Z，它對立軸形成與不平衡力矩相反的平衡力矩，使飛機保持原來的航向平衡狀態。

在自然界，許多現象都是互相聯繫、互相依賴、互相制約著的。飛機的橫向平衡和航向平衡之間的關係也是這樣。當航向平衡破壞時，則橫向平衡也不能保持;反過來，若橫向平衡遭到破壞，則航向平衡也要被破壞。例如飛機受到突風的偏航力矩，如不及時修正，機頭將向右偏轉，結果飛行速度方向和飛機對稱面之間便產生某個角度a，通常稱為側滑角。由於a的存在，破壞了機翼相對氣流的對稱性，引起兩邊機翼升力不相等，左機翼升力大，右機翼升力小，形成向右的滾轉力矩，使橫向平衡也被破壞。

由於航向平衡和橫向平衡之間關係如此密切，通常把二者合在一起，稱為飛機的側向平衡，又稱橫側平衡。顯然，為了保持飛機的側向平衡，經常需要同時操縱副翼和方向舵。