什么是飞行器动态特性?

[拼音]：feixingqi dongtai texing

[外文]：dynamic characteristics of flight vehicile

飞行器的稳定性和操纵性，即飞行器保持和改变原有飞行状态的能力。例如飞行器对突风扰动的反应，对驾驶员操纵动作的反应等。

研究飞行器的稳定性和操纵性是飞行器飞行动力学的一个重要组成部分(见大气层飞行动力学)。它与飞机飞行性能或导弹导引弹道的研究不同，这里不是将飞行器看作一个质点，而是将飞行器当作为在外力作用下移动和外力矩作用下转动的质点系来研究。即不仅要考虑飞行器的质量，还要考虑飞行器的质量分布情况。现代所研究的大部分飞行器稳定性和操纵性问题属于小扰动问题，往往可用线性常系数系统的理论来研究和分析，从而获得足够正确的工程结果。

如果飞行器的外形和质量分布相对于纵向平面是对称的，飞行器的原先运动（或称基准运动）是在这一对称平面内，所受的扰动为小扰动（或操纵量不大），不考虑动力装置转动部件的陀螺效应，则在研究飞行器的稳定性和操纵性时，可以将纵向运动和横侧运动分开来处理。前者只考虑飞行器在对称平面内的运动。它常以飞行速度、迎角、俯仰角、航迹角等来描述，这些参数称为纵向运动参数。后者只考虑飞行器偏离对称平面的运动。它常以侧向速度、侧滑角、滚转角与滚转角速度、偏航角与偏航角速度来描述，这些参数称为横侧运动参数。这样将飞行器运动划分为两组相互独立的运动，可使稳定性和操纵性的研究和分析大为简化。

在大多数情况下可以将飞行器作为 6自由度的刚体来处理。飞行器在高速飞行中结构变形比较显著时，方考虑飞行器的气动弹性变形和飞行器变形产生的空气动力和力矩的变化（见气动弹性力学）。

如果在飞行器的总重量中液体燃料占很大比重，例如用液体推进剂的弹道式火箭，则在飞行中燃料晃动往往会给稳定性和操纵性带来显著影响，在分析计算中也需要加以考虑（见运载火箭运动理论）。

如果飞行器的扰动运动参数相对于基准运动参数有很大偏离，则不能忽略扰动量的二次项，运动方程则不能线性化。这时空气动力和力矩也可能呈现非线性现象，于是小扰动理论不再适用，纵、侧向运动也不能分开，描述飞行器运动的数学模型将是一组比较复杂的非线性微分方程。此外，如果飞行器的基准运动不是定常运动，而且运动参数变化剧烈，即使扰动量不大，描述飞行器运动的数学模型也将是变系数线性微分方程组。对于这类非线性和变系数问题虽然有一些处理方法，例如采用李雅普诺夫直接法来分析稳定性等，但绝大多数问题还要通过数值计算方法来研究。

飞行器的动态特性与飞行器所受的空气动力和力矩密切相关。在分析飞行器动态特性时，这些力和力矩往往以空气动力系数（见空气动力特性）和空气动力导数（简称气动导数）的形式出现。气动导数是空气动力系数对某些参数（如迎角、 侧滑角、 舵偏角、马赫数等）的导数和这些系数对某些参数随时间的变化率（如俯仰角速度、滚转角速度、偏航角速度等）的导数。前者称为静导数，后者称为动导数。气动导数很多，例如飞行器纵向运动的气动静导数中有升力线斜率C姶，表征静稳定性的m姷，表征升降舵效能的m慦等。气动动导数中有表征俯仰运动阻尼的m憠，表征下洗（见空气动力干扰）时差效应的m妉等。在飞行器横侧运动中也有很多类似的气动导数。此外，在飞行器操纵面的铰链力矩中也还有它本身的气动导数。

又称飞行器的安定性，是飞行器在扰动运动中保持原飞行状态的能力，即飞行器在扰动下偏离其平衡状态时的基准运动，但在引起偏离的扰动停止作用后，飞行器的运动特征参数恢复到它在基准运动时的数值的特性。这种稳定性属于运动稳定性，所以也称为飞行器的动稳定性。

一般情况下飞行器的扰动运动有如下几种典型情况：

（1）动稳定：扰动运动为减幅振动（阻尼振动），或为单调（非周期）衰减运动（图中a和b）。

（2）动不稳定：扰动运动为增幅振动（发散振动），或为单调（非周期）发散运动（图中c和d）。

（3）动中立稳定：扰动运动为等幅振动，或一直保持扰动状态（图中e和f）。

飞行器有时在某些自由度内具有稳定性，但是在另外的某些自由度内可能不具有稳定性。例如在纵向运动中具有稳定性的飞行器，在横侧运动中却可能是不稳定的。稳定性还同所考虑的基准运动有关。同一飞行器可能相对于某些基准运动是稳定的，相对于另外一些基准运动则是不稳定的。此外，飞行器的航向角在扰动运动结束后，一般不恢复到原来基准运动中的数值。因此不用航向角作为判断横侧稳定性的运动特征参数。

静稳定性通常是指在扰动运动的最初瞬间偏离基准运动的某些特定的运动特征参数（即迎角和侧滑角）有恢复原来数值的趋势。静稳定性也有稳定、不稳定和中立稳定之分。讨论静稳定性时，并不讨论全部的运动情况，而且具有静稳定性的飞行器并不一定具有动稳定性。但是静稳定性是影响扰动特征的重要因素之一。扰动运动的特征是指振动的周期、收敛（或发散）的快慢、过渡过程所经历的时间和振动次数等。研究飞行器稳定性时不仅要判断是否稳定，而且还要了解这些特征。

当飞行器的飞行速度和高度的变化范围很大时，仅依靠飞行器本身固有的稳定性往往不容易在所有飞行情况下都能满足要求。有的飞行器，如随控布局飞机，为了要得到减轻重量和减小阻力等益处，故意将飞行器本身设计成静不稳定和动不稳定的。但是加上增稳装置或自动驾驶仪等自动器后，作为整个飞行器系统说来还是稳定的。在设计飞行器时，对它本身或对包括自动器在内的整个系统的稳定性往往有明确而具体的要求（见飞机飞行品质）。

飞行器以相应的运动反应驾驶员或自动器有意施加于操纵机构的动作（包括行程和作用力）的能力。这里的操纵机构包括各个操纵面（如飞机的升降舵或全动平尾、副翼和方向舵等）和发动机油门等。某些火箭和导弹用燃气舵或摆动发动机或小火箭发动机等作为操纵机构。研究飞行器的操纵性往往可以将操纵机构的脉冲偏转、阶跃偏转或简谐振动作为输入量，将飞行器的反应，如迎角、侧滑角、过载、角速度、飞行速度等的变化量作为输出量，研究输入与输出的关系。

飞行器的操纵性也可分为静操纵性和动操纵性。前者研究在平衡状态时所须施加的操纵量，例如飞机在不同平飞速度时，驾驶员对驾驶杆所应施加的力和位移(或升降舵偏角);后者研究飞机在操纵运动中输入量和输出量随时间变化的全过程。特征量有相位差、幅值比、过调量、过渡过程时间等。在设计飞行器时往往要求满足各种操纵指标。

操纵按运动参数不同又分纵向操纵、航向操纵和横向操纵。纵向操纵通过偏转升降舵（或全动平尾）和改变油门位置来改变飞行器的迎角、航迹倾角和速度。航向操纵通过偏转方向舵来改变飞行器头部的指向。在动力不对称(如一侧发动机停车)、有侧风等情况下，还须偏转方向来进行航向操纵。横向操纵通过偏转副翼（或左右翼上的扰流片）来使飞行器产生滚转运动。横向操纵与纵向和航向操纵不同。后两者是“角度操纵”（这里的纵向操纵不包括油门操纵），即一定量的升降舵或方向舵偏角对应着一定的迎角和侧滑角。而横向操纵是“角速度操纵”，即一定量的副翼偏角对应着一定的滚转角速度。航向操纵和横向操纵往往不能分开，而要相互配合和协调动作。例如偏转方向舵时，时常会同时产生偏航力矩和滚转力矩。又如飞行器转弯时往往要同时偏转方向舵和副翼，达到协调转弯的目的。航向操纵和横向操纵合称为横侧操纵。

飞行器的稳定性和操纵性之间有密切的和对立统一的关系。如静稳定性强的飞行器操纵比较费力，但它对操纵机构的反应往往比较灵敏。又如，稳定性强的飞机的自由扰动运动衰减得越快，则它“跟随”驾驶杆越准确，操纵反而容易。