慣性耦合檢視原始碼討論檢視歷史

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慣性耦合是全國科學技術名詞審定委員會審定、公布的科技術語。

歷史名詞是歷史上曾出現的事件及事物的名稱，例如「禪讓」，傳說古代實行舉薦賢能之人為首領繼承人的一種制度，據文獻記獻：有堯舉舜、舜舉禹、禹先舉皋陶、皋陶死禹又舉益等歷史故事。

名詞解釋

慣性耦合亦稱「慣性交感」。航空器繞一個機體軸轉動，由於本身質量的慣性作用，產生對另外一個機體軸的力和力矩，從而使這兩個不同軸的運動耦合起來的現象。常見的有急滾慣性耦合，即飛機作快速橫滾時使迎角和側滑角大幅度變化的現象；它可能導致喪失飛行穩定性。採取合理的空氣動力布局，增大垂直尾翼面積以保證足夠的航向靜穩定性，利用背鰭等以增加阻尼力矩，以及利用增穩系統等自動化裝置，能有效地抑制或避免慣性耦合現象。

研究歷程

慣性耦合問題對航空工程師來說直到二戰結束還是完全陌生的。在1944年底的一次航展中，德國戰鬥機亨克爾162在高速急滾機動中解體。亨克爾162是一架小型單發噴氣戰鬥機。湊巧的是，很多攝影機記錄了這一事件，這有助於對整個事故的重建。然而，根據已有的知識和經驗，沒有人能拿出一個令人信服的解釋，為何亨克爾162飛機有這樣的表現。第二個例子是，范堡羅航展期間英國的費爾雷三角(Fairey Delta)飛機。這架飛機500°的滾轉速率令人印象深刻。滾轉中，飛行員無法控制飛機了，或者更準確地說，飛機失控了。幸運的是，這件事沒有造成死亡或飛機嚴重損壞。該Fairey Delta飛機攜帶了大量飛行測試儀器，它記錄了這個事故。這個事故再次令人困擾，因為關於Fairey Delta飛機的運動沒有可計算的響應，即使是關於這種不正常氣動力的假設都沒有。而當滾轉角速率較小時，在同一時間同樣的方法卻給出了非常完美的結果。

這兩個例子生動地說明了這個問題的基本特徵，叫做慣性耦合或急滾慣性交感。眾所周知，慣性耦合發生在具有細長的機身和小展弦比機翼的飛機上，這樣的飛機其大部分質量集中在機身。這樣的飛機繞縱(石)軸的轉動慣量較低，而繞Y軸和z軸的轉動慣量相當大。此外，無論是縱向(俯仰)穩定性或者航向穩定性的不足都將進一步加劇這一問題。這種類型的質量/慣量分布和穩定性恰好是典型現代高速戰鬥機的特點。

慣性耦合的基礎分析是由菲利浦(Philips)在1948年提出的。他研究了一個穩定滾轉飛機的穩定性。他假設除了滾轉角速度之外的所有擾動變量都是小量，他還忽略了在俯仰和偏航阻尼。在此基礎上，他證明了一個俯仰穩定性不足的飛機在穩定滾轉中產生俯仰發散，而航向穩定性不足的飛機產生偏航或側滑發散。儘管這個簡單的分析實際上並沒有針對像亨克爾162(Henkel 162)或Fairey Delta飛機這樣的真正滾轉機動，它還是幫助飛行動力學家找出了問題的根源。自那以後，慣性耦合問題得到了相當的重視。

發生條件

飛機上的慣性耦合是指，由於慣性造成的飛機偏轉力矩、滾轉力矩和抬頭力矩的增加。慣性耦合在下麵條件下易於發生：

一是較高的高度（空氣密度低）；

二是高馬赫數時尾翼的升力效率降低。慣性耦合只有在慣性引起的力矩超過氣動恢復力矩（靜穩定力矩）時才會成為問題。

事故舉例

此現象始見於第二次世界大戰末期。表現為弋機快速橫滾時迎角或側滑角迅速增大，使得水平尾翼或垂直尾翼載荷過大，以致於結構損壞造成書故。隨着機體結構的逐漸細長化，以及高速飛機航向靜穩定性和氣動阻尼力矩的相對減小，其慣性耦合問題日趨嚴重。在超音速飛機的發展中，在這個問題上曾有過沉痛教訓，如X-1研究機在探索超音速飛行的過程中就因此而出現過嚴重事故，美國北美飛機公司研製的F-100的事故還曾引起廣泛的注意，並為此付出了非常昂貴的代價(進行改進)。1954年10月，北美公司的試飛員喬治·韋爾奇在對F-100A進行了一系列飛行試驗後進行最後一個項目，即從13700米俯衝至最大允許速度(嚴格來說是最大動壓)，緊接着以7．59的過載改出俯衝。實際上，飛機在改出俯衝時過載達到了89以上。這時飛機突然偏航，機頭向右偏轉15度，然後便斷裂。事故發生以後，F-100及其他飛機均停飛以查找故障。經過仔細調查，發現在改出高速俯衝時其航向穩定性不足以使飛機保持航向穩定。於是人們對這種質量分布比較集中、航向穩定性差的飛機進行了改進，包括增大翼展和垂尾面積。1955年中期，北美公司對已經服役、即將交付或仍在生產線的所有F-100飛機，全部進行了改進，達到了新的標準。這麼大的改進工作，其花費之巨大是可想而知。