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横向稳定性

飞机抵抗滚转角扰动的能力

横向稳定性是飞机抵抗滚转角扰动的固有能力。在水平飞行中，两侧机翼均处于水平面内，滚转角为0。如果飞机在受到一些扰动后，发生滚转但是非常缓慢，则滚转速度可以忽略，从而不会产生恢复滚转力矩，除非有侧滑产生。因此，在没有侧滑时，在受到滚转扰动后，飞机是中立稳定的。一旦发生滚转，飞机就会由于重力的展向分量而在滚转的方向产生侧滑。如果这一侧滑产生恢复滚转力矩，则该飞机是横向稳定的。一旦机翼回到水平状态，滚转角扰动与侧滑是可以消除的，飞机将回到初始的定直平飞状态。由滚转角引起的侧滑另一方面，如果侧滑导致的滚转力矩导致滚转角进一步增大，则该飞机是横向不稳定的。如果侧滑导致的滚转力矩为0，飞机将保持恒定的滚转角并持续侧滑，则该飞机横向中立稳定。

稳定性判据
由侧滑导致滚转力矩的产生，被称为上反效应；如果飞机由于侧滑而产生恢复滚转力矩，则称该飞机具有正的或稳定的上反效应。因此，横向稳定的飞机具有正的上反效应，反之亦然。需要注意的是，上反效应与上反角是有区别的。上反角是机翼平面与水平面的夹角，如果翼梢位于翼根之上，上反角为正；如果翼梢位于翼根之下，则上反角为负（下反）。而上反效应，则是飞机由于侧滑产生的滚转力矩，取决于很多因素，包括机翼上反角。
由上面的讨论，我们可以看出，对于横向稳定的飞机，正侧滑产生恢复滚转力矩，根据通常的符号规定，该力矩为负。类似地，如果稳定的飞机向左侧滑，即侧滑为负，产生的恢复滚转力矩将为正。因此，横向稳定性的判据可以表示为
或系数形式
其中
这里，L为滚转力矩（注意，符号L同样也用于表示升力）。因此， <0的飞机是横向稳定的；>0的飞机是横向不稳定的；而 =0的飞机则是横向中立稳定的。横向不稳定或中立稳定的飞机仍是可以飞行的，只是始终需要驾驶员介入以抵抗滚转扰动，这是非常讨厌的。通常，这样的飞机可以通过反馈控制系统达到闭环稳定性。
稳定性估算
我们可以假设由参数衡量的飞机横向稳定性，等于机身、机翼与尾翼等几个独立部件的贡献之和。动力对横向稳定性的影响很小，通常可以忽略。
(1)机身贡献
机身对横向稳定性的直接影响是可以忽略的。不过，由于其对机翼的显著干扰，机身会对横向稳定性造成间接影响，我们将在下文中对这一间接影响进行讨论。
(2)机翼贡献
机翼对横向稳定性的影响主要取决于：①翼身相互干扰；②机翼上反角及③机翼前缘后掠角。这些影响将在下文进行简单讨论。
(3)翼身相互干扰
该相互干扰取决于机翼的位置。上单翼会产生增稳效果，而下单翼则会产生不稳定或失稳效果。
侧滑中流经机身的气流，总的来说，类似于流经旋转体的横向流动。对于上单翼飞机，正侧滑会使右侧机翼的内侧受到上洗，使得迎角增大；飞机的性能、稳定性、动力学与控制而左侧机翼的内侧则会受到下洗，从而使迎角减小。升力的不平衡导致上单翼构型产生稳定或恢复滚转力矩。类似地，我们可以看出，对于下单翼构型，侧滑诱发的滚转力矩是不稳定的。如果机翼位于机身中部，则干扰效果很小，诱发的滚转力矩基本为0。
(4)机翼上反的影响
通常，机翼上反对横向稳定性来说起的是增稳的作用。机翼上反的作用是增加横向稳定性的，且直接正比于机翼上反角及二维升力线斜率的大小。不过，上反角过大对于乘客来说可能是不舒服的，因为飞机在滚转方向会对大气湍流及突风非常敏感。此外，过大的上反角对于侧风起飞与着陆、不对称动力飞行也是不利的。
需要重申的是，片条理论忽略了相邻机翼剖面间的相互干扰作用，即展向的下洗变化与诱导阻力在片条理论里是被忽略的。
(5)机翼后掠的影响
通常，后掠起的是增加横向稳定性的作用，而前掠起的是相反的失稳作用。机翼后掠对横向静稳定性来说起的是增稳的作用。该作用的大小取决于机翼的后掠角与升力系数或迎角。类似地，我们可以看出前掠对横向静稳定性来说起的是失稳的作用。
(6)综合机翼贡献
对于大展弦比上反后掠机翼，对横向静稳定性的综合贡献可假设等于后掠角与上反角的独立贡献之和，且可以使用片条理论方法。不过，需要注意的是，片条理论忽略了相邻机翼剖面间的相互干扰作用，即展向的下洗变化与诱导阻力在片条理论里是被忽略的。
为了更精确地估算综合考虑了翼身干扰、上反、后掠等因素的机翼贡献，可以使用以下经验关系。该方法适用于任意展弦比、梢根比的无扭转、梯形机翼。
影响因素
机翼上反角
上反角是影响横向稳定性的主要因素。不同形式的上反角对横向稳定性的作用也不同，在上反角高度相同的情况下，三折形式恢复力矩最大，圆弧形式的椭圆形上反角从气动力角度来看效果最好，但因制作困难，很少采用。
机翼后掠角
机翼的后掠角可增大飞机的横向稳定性。一般来说8～100的后掠角相当于10上反角的作用。因橡筋模型飞机机翼一般都不采用后掠角设计，此处不作详细讨论。
重心的位置
当飞机侧滑时，机身垂直尾翼等部件都会产生侧向气动力，如果这些侧向气动力的压力中心位置高于模型的重心，将产生使模型恢复原先平衡的力矩。重心位置越低，恢复力矩越大。飞机大多都采用高翼台，垂直尾翼的高度相对较高，都能起到改善横向稳定性的作用。
提高方法
通常，飞机只需要很小的正横向稳定性。这是因为侧滑引起过多的滚转会使侧风起飞和着陆变得复杂，此过程需要侧滑。过强的横向稳定性会增加滚转一偏航的耦合现象，这在飞机执行某些规定航向的任务时是不希望发生的，如仪表进场和对地扫射飞行。
鉴于上述情况，用什么办法来提高或降低横向稳定性呢?一旦飞机进入飞行试验阶段，可采用的办法就会变得很少。设计者在飞机设计阶段会有几种方案供选择，为了评估这些方案，要研究飞机的各个部件对横向稳定性的贡献。
机翼对横向稳定性做出较大的贡献。带上反角的机翼，当飞机侧滑时遭遇侧滑的升力增大，另一侧机翼迎角减小，升力减小，从而使飞机产生趋于稳定的滚转力矩。因此，飞机的横向稳定性也叫做上反效应。
后掠机翼也会在侧滑时产生有利的滚转力矩。这也是由于侧滑时两侧机翼的有效迎角不同引起的，遭遇侧滑一侧机翼的有效后掠角减小，另一侧机翼的有效后掠角增加。这一效应随着迎角的增加变得更加明显，高性能、大后掠角的飞机会表现出严重的滚转一偏航耦合问题。
机身或者机身机翼组合体对横向稳定性做出了较大的贡献。实质上也是由于机身的影响导致迎角的变化。上单翼飞机产生正的横向稳定性，下单翼飞机产生负的横向稳定性。这一影响非常显著，以至于下单翼飞机比上单翼需要多3°-4°的上反角。
垂直尾翼对横向稳定性也有贡献。侧滑飞行时在垂直尾翼上产生的侧力与纵轴有一段距离，因而常规飞机产生有利的滚转力矩。通过将垂直尾翼部分或全部布置在纵轴下面可以使有利的滚转力矩变为0，甚至产生不利的滚转力矩。
螺旋桨产生的滑流对横向稳定性也有贡献。侧滑飞行时，滑流大都流过背离来流的一侧机翼，因而产生不利于稳定的滚转力矩。当襟翼放下时这一滚转力矩更大，因此螺旋桨式发动机的构型通常由横向稳定性来决定。
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