摘要从任务剖面分析飞行性能指标的评价重点说明单自由度与多自由度静稳定的分类、动稳定的时间响应以及不同飞行阶段的操纵要求。航程远、速度快、机动性强哪一项能说明飞机“性能好”答案取决于任务。民航运输、侦察和空战对性能指标的要求并不相同评价飞行性能时既要看任务目标也要看任务剖面的各个阶段。完成性能分析后还要判断飞机受扰后的运动趋势和响应过程。01飞行动力学研究什么飞行动力学研究飞机飞行过程中的受力与运动关系涉及飞行性能、稳定性与操纵性。飞行性能描述飞机完成特定飞行任务的能力与极限常用飞行包线、续航性、起飞着陆性能和机动性等指标衡量稳定性与操纵性关系到飞行安全及完成预定任务的难易程度。三者关注的问题各有侧重飞行性能对应任务能力稳定性关注受扰后的运动趋势操纵性关注飞机按要求改变运动状态的能力。图1 飞行性能要结合任务判断02飞行性能要沿任务剖面逐段看飞行性能不能脱离任务场景做单项指标对比同一能力在不同任务中的重要程度不同即便任务相同也需要按起飞、爬升、巡航、下降和着陆等阶段分析性能要求。民用运输机把整趟航班放进任务剖面完整航班包含起飞、爬升、巡航、下降、等待、进近与着陆。任务剖面串联这些阶段并标出航线燃油、改航线燃油与备用燃油。除计划航线外任务安排还要考虑等待、复飞或改航等情况。图2 民用运输机任务剖面民航运输机完成运输任务时通常还要兼顾燃油消耗和运营经济性。判断一架运输机是否适合某条航线需要同时考虑载荷、航程、机场条件和运营目标。只比较最大速度无法说明整趟运输任务是否经济只看航程也不能代替对起降条件的判断。比较不同飞机或方案时任务条件也要尽量对齐。载荷、燃油配置、航线距离和起降机场条件都会影响评价结果。如果两个航程数字对应的载荷不同直接比较就可能把不同工况当成同一种能力。军用飞机任务目标不同性能重点也不同军用飞机承担的任务差异更大。运输机要考虑载荷、航程和简易跑道起降能力战略侦察任务重视远航程和高空高速战术侦察可能要求低空高速和一定机动性战斗机则要争取空战优势并满足武器发射条件。任务会改变性能指标的优先级。运输机的载荷与航程、侦察机的速度与高度、战斗机的机动性都要放回各自的任务剖面中评价。图3 军用任务不同性能重点不同03稳定性先看受扰后的趋势再看时间响应物体处于平衡状态静止或匀速直线运动时受到扰动后是否具有回到初始平衡状态的趋势继续观察其响应随时间收敛、发散还是保持不变前一个问题对应静稳定后一个问题对应动稳定。图4 受扰后判断稳定性的切入点图4只作为问题引入。阵风如何改变飞机状态、扰动期间的力与力矩如何变化以及扰动结束后怎样观察响应将在后续专题详讲这里先区分静稳定和动稳定的基本类别。单自由度静稳定三种初始趋势静稳定性关注物体原处于平衡状态时受扰动后是否具有回到初始状态的趋势。单自由度下可用小球说明三类情形静稳定小球位于碗底附近受扰后作用于小球的合力指向初始位置因此小球具有回归趋势。静不稳定小球位于山顶附近受扰后作用于小球的合力推动它继续远离初始位置。中立静稳定小球位于水平面上受扰后移到别处此时合力仍保持平衡既没有指向初始位置也没有使小球继续远离的趋势。图5 单自由度与多自由度静稳定示意这三种小球运动都是单自由度情形。静稳定描述受扰后最初的作用趋势并不说明物体多久回到原处也不能单独说明整个时间响应。多自由度静稳定逐个自由度评价多自由度系统需要按自由度分别评价静稳定性。同一物体可能在一个自由度上静不稳定在另一个自由度上静稳定因此不能只用笼统的“稳定”或“不稳定”概括。图5下半部分用小球表示x、y两个运动自由度x方向静不稳定y方向静稳定。对多自由度系统作判断时需要逐个说明对应的自由度及其受扰后的趋势。动稳定看扰动后的时间响应动稳定性关注物体受扰动后响应能否随时间收敛并最终回到初始状态。按响应幅值随时间的变化可以分为三类动稳定响应单调或振荡收敛最终回到初始状态。动不稳定响应幅值增大最终不能回到初始状态。中立动稳定响应幅值保持不变既不回到初始状态也不继续远离初始状态。图6 动稳定的三种时间响应图6中的曲线表示三种响应类别不对应特定机型或实测数据。判断时要观察扰动后的完整时间过程响应幅值是逐渐减小、逐渐增大还是保持不变。受扰后有回到初始状态的趋势说明该自由度表现出静稳定特征要判断动稳定性还需要观察响应随时间如何变化。静稳定与动稳定相互关联但判断依据不同。04不同飞行阶段的操纵要求飞行阶段不同对操纵速度和精度的要求也不同。A类和B类属于非场地飞行阶段C类属于场地飞行阶段。A类飞行阶段要求快速机动、精确跟踪或精确航迹控制B类通常只要求和缓机动不要求精确操纵C类包括起飞、进场、复飞和着陆要求和缓机动与精确航迹控制。因此A、C类对操纵精度的要求高于B类对操纵速度的要求则是A类最高、C类其次、B类最低。飞行性能需要放在任务剖面中评价稳定性要区分受扰后的初始趋势和时间响应操纵要求则要结合具体飞行阶段判断。