什么是飞机的静稳定性和动稳定性

一、飞机的静稳定性
二、飞机的动稳定性

一、飞机的静稳定性

我们先从最原始的飞行器说起。

你可以把它看作一个树枝，但它在兵器谱上也是有一席之地的——标枪。试想在原始社会，这或许是摆脱近身格斗的最好武器了。看谁不顺眼，直接扔过去就行了，让你丫嘚瑟。当然，想用的好也不是一件容易的事情，需要极其专业的连续动作才行：

当然，如果这事要是给牛顿牛大爷的话，肯定要进行一番理论分析，要不然对比起“牛逼顿”的称号啊：人类的体力极限是一定的，关键是如何改进标枪。他会这么分析：标枪在空气中飞行时，它受到两个力：一个是重力，另一个是空气动力。重力比较好解决，它作用在质心位置，如下图所示：

那空气动力呢？——这个就比较复杂了，我们先不看大小，看看作用位置有何影响。标枪可以看成是一维的，根据空气动力的作用位置，可以分成三类：

• 在质心之前
• 和质心重合
• 在质心之后

假如作用位置在质心之前，标枪受到一定扰动，产生一定的迎角，此时，我们知道空气会对标枪产生两个力，一个是垂直于相对气流方向的升力，一个是相对于气流垂直于升力的阻力，如下图所示，假设合成气动力为 ，总的重力为 ，则显然 和 组成一个力偶，关键点来了：力偶的效果是什么呢？——从下图可以看出来，这个力偶会是迎角进一步增加，相当于对扰动形成了正反馈。

假如作用位置和质心重合，标枪受到一定扰动，产生一定的迎角，但是此时气动力和重力均不产生力矩（相对于质心），则标枪受到扰动后，姿态会维持扰动后的样子，如下图所示：

假如作用位置在质心之后，标枪受到一定扰动，产生一定的迎角，则显然 和 组成的力偶会是扰动产生的迎角减小，相当于对扰动形成了负反馈。

通过以上分析可以发现，气动力作用点在质心之后，标枪的稳定性较强，即使受到了扰动，其产生的额外力矩也会使标枪朝着恢复初始状态的方向进行。但是呢？实际上很难做到。我们不妨找一个田径的标枪比赛看一下，可以看到整个标枪的稳定性就很弱甚至不稳定。

那怎么办呢？——当然需要搞点事情。

搞事情的目的就是要把气动力的作用位置尽量往后挪，那有什么好的办法呢？

我们来看一下约束条件：首先重量不能增加太多，其次质心的位置也最好保持不变。这就要求我们搞事情的时候所选用的材料尽量轻，同时又能够承受一定的气动力。

也不知道是灵光一现，还是不断的试错的结果，最早的一批聪明人把眼光转向的动物的羽毛，把羽毛绑在标枪的后面，如下图所示。

当然，这个东西已经不叫标枪了，而是叫做箭，在火药发生以前，这可以认为是最具杀伤力的武器了，世界上各个国家种族，都或早或晚发明并且使用这种武器。箭羽类似于动物的翅膀，产生升力和阻力的效率较高，这样就将箭的整体气动力位置往后拉，拉到质心的后面去了，这样就大大增加了箭在飞行时的稳定性。

箭羽发明之后，飞行器的稳定性问题基本解决，剩下的另一个问题就是如何非得更远？要解决这个问题，我们先看一下为什么飞不远。显然，由于箭的飞行中产生的升力不足以抵消重力，箭在竖直方向上一直下沉，导致很快着地。那怎么解决呢？——思路还是来源于对飞行动物的观察，要不咱给箭也来一对翅膀？

细心的童鞋可能注意到了，这不就是现代飞机的雏形吗？——没错！

总结一下什么是飞机的静稳定性：

飞机处于平衡状态（比如平飞），当扰动出现时，飞机有回到原来平衡状态的趋势（比如由于扰动导致飞机姿态变化，产生的额外力矩作用是飞机朝着原始运动状态恢复），那此时飞机就具有正的静态稳定性。

飞机处于平衡状态（比如平飞），当扰动出现时，飞机有稳定到另一个平衡状态的趋势（比如扰动导致飞机姿态变化，但并未产生的额外力矩），那此时飞机就具有中性的静态稳定性。

飞机处于平衡状态（比如平飞），当扰动出现时，飞机有远离原来平衡状态的趋势（比如由于扰动导致飞机姿态变化，产生的额外力矩作用是飞机远离原始运动状态恢复），那此时飞机就具有负的静态稳定性，或称为静不稳定。

当然，稳定性好也不一定都是好事，因为这也意味着操纵性差。所以，对于民机而言，一般都设计成静稳定的，因为没有人想做个飞机跟过山车似的刺激。而军机就不同了，要求飞机有较好的的机动性，这往往需要将设计成静不稳定的，这时单单靠人是驾驭不了的，往往需要飞行控制系统来帮助操控飞机。

二、飞机的动稳定性

飞行器的静稳定性，说的是在扰动后有恢复到原状态的趋势，有了这个趋势后具体的实现过程所呈现的特征，我们称之为动稳定性。这话有点绕，我们举个简单的例子：房价。假如现在西安市的房价是2万每平方米，短期内房价是静稳定的。假如现在突然来了一个扰动：比如放开了户口限制，那房价一下子飙升到了3万，那后面会怎么变化呢？

由于我们假定房价是静稳定的，它有恢复到2万的趋势，后面的发展趋势有可能是这三种情况：

1. 第一个月3万，第二个月1万，第三个月2.5万，第四个月1.8万，第五个月2.2万，第六个月1.9万，最终稳定在2万；一直围绕2万波动，但波动越来越小，最终趋向于零，说明调控有效；
2. 第一个月3万，第二个月1万，第三个月3万，第四个月1万，第五个月3万，第六个月1万，...；一直围绕2万波动，但波动幅值是固定的；
3. 第一个月3万，第二个月1万，第三个月3.1万，第四个月0.9万，第五个月3.2万，第六个月0.8万，...；一直围绕2万波动，但波动越来越大，最终趋向于无穷大，调控失败，房价失控了；

如果把静稳定看成是飞行器扰动后动态发展的趋势，那动稳定性就是具体发展的过程，一个是方向（指向哪，恢复到初始状态），一个是过程（在这个方向上是怎么变化的，幅值是收敛的，还是发散的，还是等幅变化的）。

具体来说，如果飞机是静稳定的，那它有三种形式恢复到初始状态，如下图所示：

• 如果恢复的过程中姿态的变化幅值越来越小，则称之为动稳定；
• 如果恢复的过程中姿态的变化幅值没有变化，则称之为中性动稳定；
• 如果恢复的过程中姿态的变化幅值越来越大，则称之为动不稳定；

最后怎么再总结一下静稳定和动稳定的区别：

•静稳定描述的是飞行器受到力或力矩的扰动后，是否具有恢复初始状态的趋势。Static stability of an aircraft describes the tendency of and aircraft to retain its original position when subjected to unbalanced forces or moments acting on the aircraft.

• 动稳定描述的是：具有静稳定性的飞行器，在恢复初始状态时的运动形态，收敛、发散还是等幅的。Dynamic stability describes the form of motion an aircraft in static stability undergoes when it tries to return to its original position.