慣性耦合

慣性耦合亦稱“慣性交感”。航空器繞一個機體軸轉動，由於本身質量的慣性作用，產生對另外一個機體軸的力和力矩，從而使這兩個不同軸的運動耦合起來的現象。常見的有急滾慣性耦合，即飛機作快速橫滾時使迎角和側滑角大幅度變化的現象；它可能導致喪失飛行穩定性。採取合理的空氣動力布局，增大垂直尾翼面積以保證足夠的航向靜穩定性，利用背鰭等以增加阻尼力矩，以及利用增穩系統等自動化裝置，能有效地抑制或避免慣性耦合現象。

基本介紹

• 中文名：慣性耦合
• 外文名：inertia coupling

研究歷程

慣性耦合問題對航空工程師來說直到二戰結束還是完全陌生的。在1944年底的一次航展中，德國戰鬥機亨克爾162在高速急滾機動中解體。亨克爾162是一架小型單發噴氣戰鬥機。湊巧的是，很多攝影機記錄了這一事件，這有助於對整個事故的重建。然而，根據已有的知識和經驗，沒有人能拿出一個令人信服的解釋，為何亨克爾162飛機有這樣的表現。第二個例子是，范堡羅航展期間英國的費爾雷三角(Fairey Delta)飛機。這架飛機500°的滾轉速率令人印象深刻。滾轉中，飛行員無法控制飛機了，或者更準確地說，飛機失控了。幸運的是，這件事沒有造成死亡或飛機嚴重損壞。該Fairey Delta飛機攜帶了大量飛行測試儀器，它記錄了這個事故。這個事故再次令人困擾，因為關於Fairey Delta飛機的運動沒有可計算的回響，即使是關於這種不正常氣動力的假設都沒有。而當滾轉角速率較小時，在同一時間同樣的方法卻給出了非常完美的結果。

這兩個例子生動地說明了這個問題的基本特徵，現在叫做慣性耦合或急滾慣性交感。眾所周知，慣性耦合發生在具有細長的機身和小展弦比機翼的飛機上，這樣的飛機其大部分質量集中在機身。這樣的飛機繞縱(石)軸的轉動慣量較低，而繞Y軸和z軸的轉動慣量相當大。此外，無論是縱向(俯仰)穩定性或者航向穩定性的不足都將進一步加劇這一問題。這種類型的質量/慣量分布和穩定性恰好是典型現代高速戰鬥機的特點。

慣性耦合的基礎分析是由菲利浦(Philips)在1948年提出的。他研究了一個穩定滾轉飛機的穩定性。他假設除了滾轉角速度之外的所有擾動變數都是小量，他還忽略了在俯仰和偏航阻尼。在此基礎上，他證明了一個俯仰穩定性不足的飛機在穩定滾轉中產生俯仰發散，而航向穩定性不足的飛機產生偏航或側滑發散。儘管這個簡單的分析實際上並沒有針對像亨克爾162(Henkel 162)或Fairey Delta飛機這樣的真正滾轉機動，它還是幫助飛行動力學家找出了問題的根源。自那以後，慣性耦合問題得到了相當的重視。

發生條件

飛機上的慣性耦合是指，由於慣性造成的飛機偏轉力矩、滾轉力矩和抬頭力矩的增加。慣性耦合在下麵條件下易於發生：

一是較高的高度（空氣密度低）；

二是高馬赫數時尾翼的升力效率降低。慣性耦合只有在慣性引起的力矩超過氣動恢復力矩（靜穩定力矩）時才會成為問題。

事故舉例

此現象始見於第二次世界大戰末期。表現為弋機快速橫滾時迎角或側滑角迅速增大，使得水平尾翼或垂直尾翼載荷過大，以致於結構損壞造成書故。隨著機體結構的逐漸細長化，以及高速飛機航向靜穩定性和氣動阻尼力矩的相對減小，其慣性耦合問題日趨嚴重。在超音速飛機的發展中，在這個問題上曾有過沉痛教訓，如X-1研究機在探索超音速飛行的過程中就因此而出現過嚴重事故，美國北美飛機公司研製的F-100的事故還曾引起廣泛的注意，並為此付出了非常昂貴的代價(進行改進)。1954年10月，北美公司的試飛員喬治·韋爾奇在對F-100A進行了一系列飛行試驗後進行最後一個項目，即從13700米俯衝至最大允許速度(嚴格來說是最大動壓)，緊接著以7．59的過載改出俯衝。實際上，飛機在改出俯衝時過載達到了89以上。這時飛機突然偏航，機頭向右偏轉15度，然後便斷裂。事故發生以後，F-100及其他飛機均停飛以查找故障。經過仔細調查，發現在改出高速俯衝時其航向穩定性不足以使飛機保持航向穩定。於是人們對這種質量分布比較集中、航向穩定性差的飛機進行了改進，包括增大翼展和垂尾面積。1955年中期，北美公司對已經服役、即將交付或仍在生產線的所有F-100飛機，全部進行了改進，達到了新的標準。這么大的改進工作，其花費之巨大是可想而知。

預防方法

通常，採用大的垂直尾翼以增加航向穩定性或利用背鰭和腹鰭增加阻尼力矩，能有效地避免或減輕慣性耦合現象。現代飛機也可以用自動飛行控制系統(AFCS)來解決，它可以根據橫向速度變化自動使方向舵偏轉，以克服滾轉時出現的慣性力矩，避免慣性耦合現象。