飞机的平衡与稳定性
飞机的平衡与稳定性
无论是真飞机还是模型飞机，我们都希望它飞得很平稳，这个平稳包含着2个意思:
(1)飞机受到的各种力，包括升力、阻力、重力以及发动机的拉力互相平衡，使飞机在一定的状态下匀速前进，这个意思我们叫平衡。如果飞机的平衡不好，就会产生波状飞行、翻筋斗、螺旋下降或者俯冲落地等现象。
(2)在平衡很好的情况下，忽然受到气流的影响，比如进入了上升气流，或者从侧面吹来一股风，使原来的平衡遭到破坏，飞机产生抬头、低头、侧滑、螺旋等现象时，能够自动地恢复平衡。这种在原有平衡受到气流破坏后，自动恢复平衡的能力叫做稳定性。
因为在大气的低层，任何地方的空气都不会是平静的，飞机的平衡随时可能遭到破坏，所以安定性对于飞机的正常飞行，具有重要意义。有人驾驶的飞机，驾驶员可以操纵它，而模型飞机靠自己保持平衡，所以模型飞机的安定性比真飞机要求更高，这就是模型飞机的外形与真飞机有些不同的一个原因。
模型飞机的平衡
模型飞机在发动机的带动下飞行时受到4个力:发动机的拉力和空气的阻力、重力和升力，如图2－12。
同学们在物理课中学到过:物体在平衡力的作用下，保持匀速直线运动或静止状态。作用在一个物体上的2个力，能够平衡的条件是:大小相等，方向相反，并且在同一直线上。因此，模型飞机匀速直线平飞的条件是:拉力和阻力的平衡，升力和重力平衡。
图2－12 模型飞机上的力
也就是说，升力也要与重力相等。模型飞机的升力是由机翼和尾翼的配合产生的，它们的合力一定要作用在重心上，才能与重力平衡，如图2－13甲。如果机翼的升力太大，尾翼的升力太小，或者重心太靠后，模型飞机就会抬头，如图2－13乙，这种现象叫“头轻”。如果机翼升力太小，尾翼升力太大或者重心太靠前，模型飞机就会低头俯冲，这种现象叫“头重”，如图2－13丙。
图2－13 机翼水平尾翼的升力和重力的关系
这里要注意:①所说的“头重”并不一定是机头部分太重，而是指由于机翼升力太小，尾翼升力过大，或是头部太重这3个因素引起的现象。②“头轻”并不一定是机头部分太轻，而是指由于机翼升力过大，尾翼升力过小，或者头部太轻这3个因素引起的现象。
图2－14 滑翔力的分解
模型飞机滑翔时，只受到升力、重力和阻力3个力，那么是什么力量与阻力平衡保持前进速度呢?我们骑自行车时，如果遇到下坡路，就可以双脚一停，让车子轻轻松松滑下去，因为这时车子的重力分解成2个力:一个与斜面垂直的力，它与斜面对车子的支撑力平衡;一个是与斜面平行的力，正是这个力使车子向前进。模型飞机滑翔也是这个道理，因为模型飞机的滑翔路线与地面成一定的夹角(称为下滑角)，所以重力或升力产生的一个分力是向前的，这个分力刚好与阻力平衡，使模型飞机做匀速直线运动。如果模型飞机受到的阻力较大，它就要以较大的下滑角滑翔，重力或升力产生的一个分力也就大一些，才能平衡较大的阻力，如图2－14。
模型飞机遇到前面所说的“头重”现象，也会以较大的下滑角下滑，使它们的分力增大，这时模型飞机的滑翔速度就可以增加，机翼的升力就增大了，使机头不至于栽得更厉害。由于下滑角增大，速度也增大，模型飞机的留空时间就缩短了，这对竞时模型飞机是十分不利的，所以，应该尽量减小模型飞机的阻力，并且避免“头重”现象发生。
模型飞机滑翔时，如果“头轻”就会抬头向上飞行，速度越来越慢，这时升力小了，它只有再低头下滑，使速度增加，速度增加后，又会抬头，这样反复进行下去，飞行路线像波浪一样，叫做波状飞行。波状飞行损失高度较快，是我们不希望发生的。
严重的“头轻”会发生什么现象呢?模型飞机会猛烈抬头向上，就像骑自行车上陡坡不蹬一样，很快停下来。模型飞机一停，没有相对运动，升力也没有，就会向下掉，损失一段高度以后，进入俯冲，继续损失很多高度，这种现象称为“失速”。经过一段俯冲又获得了速度，再来第二次失速，几十米的高度，经过几次失速就可以掉到地上来。
从上面分析的情况看，要使留空时间增加，必须调整好模型飞机的重心位置，调整好机翼和水平尾翼的升力大小，使升力与重力平衡。如果飞机重心位置符合图纸要求，遇到“头重”时，可以增大机翼的升力(增大机翼安装角)，或者减小水平尾翼升力(减小水平尾翼安装角)，遇到“头轻”时，可以减小机翼升力或者增大水平尾翼升力。
俯仰稳定性
上面所说的平衡，叫做俯仰平衡。是不是俯仰平衡了，就可以飞得平稳呢?不一定，还需要有抵抗干扰，恢复平衡的能力，那就是俯仰稳定性。
俯仰稳定是通过水平尾翼的作用来实现的。当模型飞机遇到一股气流，使它突然抬头时，平衡被破坏了，但是，模型飞机抬头时，尾部向下运动，这时水平尾翼的迎角增大了，升力也增加，就把尾部抬起来，把机头压下去，飞机又重新恢复了平衡。
如果飞机突然低头，水平尾翼又产生了一个抬头力矩，使它恢复平衡。
俯仰稳定性的好坏，取决于2个因素:①重心相对于机翼翼弦的位置;②水平尾翼的面积和水平尾翼到重心位置的距离。只强调一个而又不考虑另一个因素，是不对的。
重心位置对俯仰安定性有重要的影响，竞时模型飞机的重心，一般是在离机翼前缘50%～80%翼弦长之间，太前太后都不好。
机翼与水平尾翼安装角，也是保证俯仰安定性的重要因素。机翼安装角应大于水平尾翼安装角。根据不同的模型飞机、不同的重心位置及翼型，机翼和水平尾翼的安装角差是不同的，比如弹射模型滑翔机的机翼与水平尾翼就不能有安装角差。
一般说来，水平尾翼面积越大，尾力臂越长，俯仰安定性就越好。但是水平尾翼面积太大，就减小了机翼面积。尾力臂太长，会使尾部过重，重心位置后移。所以，必须全面照顾，选择适当的水平尾翼面积和尾力臂。好的设计图纸，水平尾翼面积和尾力臂不会有太大的问题，可以照图制作。
图2－15 上反角的作用
横侧安定性
模型飞机在倾斜以后，能自动恢复过来的能力叫横侧安定性。保证模型横侧安定性，主要是依靠上反角。重心位置的高低及机翼后退角的大小也影响到横侧安定性。
上反角的作用，只有在模型飞机发生侧滑时才产生。
当模型飞机受到气流的影响，发生倾斜时，升力或重力的分力促使模型飞机向内侧滑，左右机翼上的相对气流方向也不同了。从图2－15中可以看到具有上反角的机翼，向下侧滑的那一面迎角增加，而另一半机翼迎角减少。由于左右机翼迎角的不同，而产生的升力的大小也不同，便形成了一种恢复力矩，使模型飞机自动从倾斜中恢复过来。
一般说来，上反角越大，横侧安定性越好。但是上反角过大，机翼的有效升力就会减小，如图2－16。此外，如果上反角过大，没有和垂直尾翼大小配合好，模型会发生飘荡现象。相反，如果上反角太小了，又不能保证有足够的横侧安定性，而且还会螺旋下降。
注意，在制作模型飞机的时候，必须使机翼两边的重量一样，机翼两边的迎角也一样，模型飞机左右才会平衡。
图2－16 上反角减小有效升力
方向安定性
保证模型飞机飞行方向不变的特性叫做方向安定性。模型飞机主要是依靠垂直尾翼来保证方向安定性的。
为了使模型飞机具有方向安定性，就在机身尾部装上垂直尾翼。垂直尾翼的作用完全与水平尾翼的作用相似，当气流从斜角方向吹来时，垂直尾翼与相对气流成一个角度，在垂直尾翼上，就会产生一个与偏转方向相反的力矩，由于垂直尾翼离重心较远，力臂很长，产生的恢复力矩完全足以抵消机身的不安定力矩，使机身恢复到原来的飞行方向，如图2－17。
图2－17 垂直尾翼的作用
盘旋安定性
竞时模型飞机应该作盘旋飞行，因为作盘旋飞行的模型飞机不容易飞出视线，不容易丢失飞机，同时作盘旋飞行的模型飞机容易“吃”到上升气流，也容易保持在上升气流之中，飞行时间可以大为增加。
盘旋飞行时，飞行方向是不断改变的，而且模型必须倾斜飞行。因为要使任何一个物体由直线运动改为曲线运动，必须要有向心力作用在物体上，对于模型飞机来说也是同样的。向心力的产生是由于模型飞机倾斜的结果。盘旋飞行时，可以把升力分为2个力，一个是垂直方向的分力，它支持模型滑翔机的重力平衡;另一个是水平方向的分力，就是使模型飞机不断改变方向作盘旋飞行的向心力，如图2－18。
图2－18 盘旋飞行时各种力作用情况
盘旋安定性与方向安定性和横侧安定性是密切联系的，也就是说与垂直尾翼大小和机翼上反角大小是密切相关的。如果配合不好，上反角太小，垂直尾翼太大时，模型飞机会进入盘旋下坠;相反，如果上反角太大，垂直尾翼太小时，模型飞机会出现左右摇摆的现象，不断损失高度，飞行的时间很短。这都是盘旋安定性不好。
一般按照设计好的模型飞机图纸尺寸制作，垂直尾翼面积和上反角的配合较好，盘旋安定性基本上不会有什么大问题。