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飞机的气动力矩概述

空气动力学中，作用在飞机上的各种力，使飞机有绕着重心或机体轴转动的趋向，用力矩来表示。力矩

是力与力臂的乘积，其中力臂是力到重心或机体轴的垂直距离。力矩概括了影响转动物体运动状态变化的所

有规律，是改变转动物体运动状态的一个重要的物理量。

把作用在飞机上的力矩沿机体的三个坐标轴进行分解，就会得到俯仰力矩、偏航力矩和滚转力矩三个力

矩分量。飞机绕纵轴的力矩为滚转力矩M、绕竖轴的力矩为偏转力矩M、绕横轴的力矩为俯仰力矩M，对

xyz

应的转动角速度分别称为滚转角速度ω、偏转角速度ω和俯仰角速度ω。

xyz

一、空气动力矩的表达式

研究气动力矩与研究空气动力一样，可用对气动力矩系数来取代对气动力矩的研究。气动力矩系数为力

矩除以动压、机翼面积与特征长度的乘积，其表达式为：

式中m、m和m均为无量纲的比例系数，分别称为滚转力矩系数、偏航力矩系数和俯仰力矩系数。

xyz

二、俯仰力矩

俯仰力矩也称为纵向力矩，它的作用是使飞机绕横轴做抬头或低头的转动，也称为俯仰运动。在飞机的

气动布局和外形几何参数给定的情况下，俯仰力矩的大小不仅与飞行Ma数、飞行高度H有关，还与迎角α、

纵向操纵面偏角δ、飞机绕侧轴的俯仰角速度ω、迎角的变化率以及纵向操纵面偏角的变化率等有关。

zzz

纵向力矩主要有纵向零升力矩、稳定力矩、操纵力矩和阻尼力矩4种，零升力矩是飞机在升力为零时的

俯仰力矩，一般是一个小于零的负值。

对于常规布局的飞机，飞机的焦点位置在重心之后，飞机受到扰动后使其迎角产生变化，比如扰动使飞

机迎角增大，产生的升力增量相对于重心的俯仰力矩使飞机具有低头的趋势，把这种在偏离平衡位置后产生

的力图使飞机恢复到原平衡状态的俯仰力矩，叫做纵向稳定力矩或恢复力矩。

对于常规布局的飞机，操纵全动平尾或升降舵的后缘向上偏转时，会产生正的俯仰操纵力矩，使飞机抬

头；操纵全动平尾或升降舵后缘向下偏转时，将引起负的俯仰操纵力矩，使飞机低头。

而对于鸭式布局的飞机，其俯仰操纵面的偏转方向和常规布局飞机相反，操纵鸭翼后缘向下偏转时，会

产生使飞机抬头正的俯仰操纵力矩；操纵鸭翼后缘向上偏转时，会产生使飞机低头负的俯仰操纵力矩，这是

因为鸭式布局飞机升力增量作用点位于重心之前。

俯仰阻尼力矩是飞机绕侧轴有旋转运动时，主要由机翼和水平尾翼产生的升力增量相对于重心产生的俯

仰力矩而形成的，其大小和俯仰角速度ω成正比，方向总是与ω相反，其作用是阻止飞机绕侧轴的旋转运

zz

动，故称为俯仰阻尼力矩或纵向阻尼力矩。显然，飞机不作旋转运动时，也就是俯仰角速度ω等于零时，就

z

不存在俯仰阻尼力矩。

三、偏航力矩

飞机的偏航力矩是总气动力矩在竖轴上的分量，它的作用是使飞机绕竖轴做旋转运动。偏航力矩产生的

物理原因与俯仰力矩是类似的，但不同的是，偏航力矩主要是由垂尾的侧向力相对重心而产生的。

偏航力矩主要有偏航稳定力矩、操纵力矩和阻尼力矩等。

对于具有航向静稳定的飞机，飞机受到扰动后使侧滑角产生变化，比如右侧滑扰动使侧滑角增大，垂尾

上会产生向左的侧力增量，相对于重心的偏航力矩使飞机向右偏转，有减小飞机侧滑的趋势，把这种在偏离

平衡位置后产生的力图使飞机恢复到原平衡状态的偏航力矩，叫做航向稳定力矩或恢复力矩。

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偏航操纵力矩的作用是使飞机绕竖轴做旋转运动，偏航操纵力矩主要由垂尾上的方向舵左右偏转而产生。

飞机方向舵后缘向左偏时，垂尾上产生向右的侧力将引起正的偏航操纵力矩，使飞机机头向左偏转；方向舵

向右偏时，将引起负的偏航操纵力矩，使飞机机头向右偏转。另外，飞机副翼或襟副翼差动偏转时，左右机

翼的升力差在产生滚