飞机转弯必须倾斜着机翼和机身吗?就是说斜着飞


就像这样斜飞转弯
有没有那中机翼垂直,不需要倾斜,只要转动机头摆动尾部达成转弯的目的可行吗
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何凌虚

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首先要弄懂飞机在天上是怎么转弯的。

与其说是让飞机“扭头”,不如说是让飞机“飞出一条曲线”。要飞出曲线轨迹,那必然有一个“向心力”去让飞机改变飞行的方向。现在的喷气式飞机,轻则五六吨,重则几十吨,飞行速度起码都有两百多公里每时,想要让飞机灵活地转过弯来,这个向心力可不小。

而飞机可提供的向心力的方式主要有两种:垂直于机翼面的升力和飞机机头指向上的推力。

侧压杆,滚转机身,倾斜机翼,升力的垂直分量继续维持飞机的高度,水平分量用作转向的向心力,这是常用的转向方法。



一般来说,机翼越“陡”,升力的水平分量越大,飞机转向越“急”。



上图为转向中的F/A-18F
上图为转向中的F/A-18F

同时,为了在转向时维持飞机的高度,升力必然要比平飞时更大,那么飞行员会适当拉杆让飞机略微“抬头”,同时适当增大推力以维持速度。这时飞机的攻角也会增大,飞机的推力也能提供一定的向心力。

而题主所说的“平飞”转弯,则是不依赖升力,完全依靠推力(加少许空气阻力)来提供向心力。那为什么大多数情况下不这么转呢?首先这样子转飞机能获得的向心力远不如“侧身转弯”来的多。其次,是因为飞机很难“维持”这样一个“侧滑”的飞行姿态。
为了保证飞机水平飞行方向的稳定性,飞机在设计制造时都配备了或多或少的“垂直安定面”:主要是垂直尾翼,有的飞机还安装了“腹鳍”。


上图为“狂风”战斗机,发动机反推留下的黑色痕迹是其垂直尾翼的特征。




上图为J-8II、J-10、J-20的腹鳍特写
上图为J-8II、J-10、J-20的腹鳍特写

这些垂直翼面都安装在飞机靠后的位置,以起到稳定航向的作用,就好像弓箭后部的尾羽一样。在水平方向上,当飞机机头指向和飞行方向有偏差时,这些垂直翼面就能让飞机“矫正”回来。



上图为侧风中降落的客机
上图为侧风中降落的客机



上图为弓箭的尾羽特写

因此让飞机平飞转弯,与飞机设计时的初衷是相违背的,也是难以实现的。

与水平方向不同,飞机垂直方向的角度(也就是前面提到的攻角,指飞机机头垂直指向和飞行垂直方向的角度)在设计之初就给与了足够的活动空间。飞机在起飞和降落时,攻角就十分的明显。战斗机在急转弯时,攻角可以达到二十多度而不失控。这也让飞机“侧身转弯”更为自如。



舰上起降试验中的F-35C,可以很直观的感受到其大约20°的攻角




大攻角飞行中的MIG-35,拉烟让其飞行姿态更加直观
大攻角飞行中的MIG-35,拉烟让其飞行姿态更加直观




急转时,鸭翼下倾以制造有利涡流,避免机翼失速,提升大攻角下的飞行性能。
急转时,鸭翼下倾以制造有利涡流,避免机翼失速,提升大攻角下的飞行性能。

除了上面所说的原因外,“侧身转弯”时的过载主要垂直于驾驶员和乘客,让人们更加自然舒适。而水平转弯的话飞机上的人们则要难受的多,东西杂物啥的要是没固定好也容易甩落。

图片均来自网络。

Patrick Zhang

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飞机转弯时当然会斜着飞,原理就不解释了,已经有N多的帖子说明了。
毕竟,连汽车和自行车转弯都会倾斜嘛。
讲个笑话:
某日,我让一位新同事出差。因为是第一次坐飞机,他兴奋异常,连我们大家都替他高兴。
过了三天,他回来了。向我汇报工作倒是没说什么,但回到位置上,却和大家聊起来,他说:
“我坐在窗户边。刚刚起飞,看着地面越来越远,心里特兴奋。突然,发现了一座巨大无比的高山。心想,我们这里哪有这么高的山?山上还有树和房子,还有河!正纳闷间,山变矮变平了,原来刚刚飞机正在转弯!”
大家听完,肚子都笑疼了。







哟呵!地球都歪了!
哟呵!地球都歪了!

林泓贤

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先放结论:这样(不带坡度,只使用方向舵控制转向)可以转弯(改变航向),但是:不安全,不舒适,不经济,效率低。

从生活经验出发,坐车的时候高速行驶下较快的转弯是不是会让你身体往侧面倾斜?

不舒适:
因为车辆转弯时向心力是由轮胎跟路面水平摩擦力提供的,所以人感受到的离心力是水平向外(转弯外侧)的,大概在【140km/h】左右的速度下轻微的转向也会让人有明显的感觉,而且【速度越大这个效应就越明显】。
如果飞机在【200KIAS】的速度,也就是【360km/h】的速度下做同样的水平转弯,人感受到的离心力将会是大得极其不舒服而且持久的。

带坡度转弯会把离心力交付给飞机的机翼来承担,人感受到的会是轻微的超重,但在坡度较小的情况下几乎感觉不到。

不安全:
而且机翼承受垂直扭力的能力比机身承受水平扭力的能力强的多。

最重要的一点,飞机存在失速速度,既在这个速度以下就会处在无法保持姿态,速度,高度的危险状态,侧滑会让这个速度增大,使飞机提早失速,换句话说就是【非常的】不安全。

不经济:
由于同样的原因,这样转弯会损失一部分气动性能,要用更大的推力来弥补,既增加了燃油消耗。

grapeot

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这个问题如果从设计的角度来看更清楚一些。假设你现在是飞机的设计师,你会怎么让飞机来转弯呢?

首先得明确什么是转弯。转弯不是说让机头指向的方向变了就完了,更关键的是让飞机运动的方向也随之改变。如下图所示



以这个图为例,根据牛顿定律,你得有一个向右边的力才能给飞机一个向右的加速度,以此让它的速度从图中的向上变成图中的向右上。因为飞机的质量非常大,这个力也必须非常非常大才行。作为一个设计师,你手上有哪种力能到达这个量级呢?第一就是发动机的推力,第二就是翅膀的升力。如果用发动机的话,得设计一种机制,让它平时向后喷气,转弯的时候向左喷气。这种机械想象一下会非常复杂,让我们先搁到一边。如果用升力的话,一种简单的机制就是题主贴的图,让升力从竖直向上变成向右上方,从而提供一个向右的分量。问题就解决了。

逆向的思考,从设计者的角度思考问题,往往会有更深刻的体会同时也能领略到当时设计的美感。

郭孝阳

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可以,就像汽车理论上可以完全由差速转向,但就是没人这么干,
蛤蛤蛤蛤哈蛤蛤蛤蛤。




方向舵名字不贴切,是防止偏航的,一般用的少,它默默发挥作用。

我还听说过在降落时在地面上左右猛踩减速的( ・ิϖ・ิ)っ
靠,又跑题了。





↓↓o





有错误请指出。

--c-----f--------------r------///////x-----

1、履带车确实是靠差速,那是因为履带本身是二维,不能弯♂曲♂,又没找到更好的方法代替其在特定领域的优势。 同理适用于早期飞机,哪有什么劳什子襟副翼,转向全靠它,不然竖♂着♂这货为什么叫方向舵?
( ・ิϖ・ิ)っ

2、方向舵这东西没多结实,哪怕玩过固定翼航模的人都知道飞起来空气带来的力道有多大。之前在美国有过一架空客误♂入♂之前起飞的日本一架波音747的乱流,飞行员多次左右猛踩方向舵导致其断裂,飞机失控,击中居民区之间的加油站,导致好多好多人死亡(机型A300,谢评论区补充,之前数字有误。有详细内容的欢迎补充或纠错(这句适用于全文))。

补充一下真实性的问题,我看见的这个信息来自中央九的一个纪录片,评论区
@statm 已指出并丢了相关链接。



综上,我的结论为:
现有飞机不行;
新设计未知,有可行性,但费效比差,难以普及,大量的额外加固会给疲劳预测带来巨大的麻烦。

__'/-_:--//__-_///9.10更新///-v-_-//-_

结论加几句,单靠方向舵永远不行,因为额外的阻力和偏转角(还记得高中物理力的合成与分解吗?)会抵消部分推力,导致飞机低头或失速,故文中“可以”或“不行”指的都是有副翼辅助保持高度和迎角的情况下。早期飞机普遍较小,受影响也小。当然,如果发功机能自动跟据垂尾方向舵的偏转角度调整推力大小和角度的话,自然没问题(注意,发动机尾喷旋转同样会损失的推力,故还需额外加力),但目前没见过发动机和方向舵联动的设计(It's all about money( ・ิϖ・ิ)っ)。

以后想到什么还会来更,哪怕没人看。
这是情怀(雾)
( ・ิϖ・ิ)っ

gyroscope

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飞机转弯需要动两部分。一个是副翼偏转让飞机倾斜,这个过程使升力产生水平分量,作为向心力;一个是方向舵偏转产生偏航力矩,使飞机机头朝向改变。

你说的转动机头摆动尾部就是偏航部分。但仅仅这样还不够。飞机的动量方向还是向前的。要改变飞机的动量方向需要有向心力。

灵剑

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必须要这样。飞机、车、船转弯,其实都可以分成两个过程:一个是让飞机、车船的速度转向指定的方向,另一个是让飞机、车、船的头部指向指定的方向,这其实是两个物理过程。让速度转向的是向心力,让头部转向的是转向力矩。要正确转向,这两者缺一不可。
对于车和船来说,提供转向力矩的是控制方向的活动轮或者舵,它们本身只能提供转动力矩而不能提供向心力,之所以会产生向心力,和车船的结构有关:
汽车的车轮,在车轮滚动方向的摩擦力,和车轴方向的摩擦力是不同的,滚动方向的摩擦力是滚动摩擦,而车轴方向是滑动摩擦,远远比滚动摩擦大,这意味着如果车轮朝向与车的前进方向不一致,它在两个方向上产生的摩擦分量是不一样大的:沿着车轴,也就是垂直于车身方向的摩擦力远远大于前进方向的摩擦力,因此合力大致垂直于车身,这个摩擦力形成了转向时的向心力。当然这个力也有一个上限,如果转向过猛,就会发生侧滑,特技表演中的漂移就是这么回事;为了防止高速转向时摩擦力不足,有时会垫高转向外侧的道路,这样就跟飞机倾斜着转向很像了。
船也是一样的道理,船都一条狭长的龙骨,它插入水中后,沿着龙骨运动时水的阻力远远小于垂直龙骨运动时水的阻力,因此当船的速度方向与龙骨方向不一致时就会自动产生向心力。

然而飞机与这两者是不同的,飞机飞在空中,空气提供的阻力非常小,不能有效靠空气阻力产生向心力,如果要像船那样工作,需要一个巨大无比的龙骨,显然这对于飞机来说是不可能的事情。因此飞机转向时的向心力,完全靠升力与重力的合力来提供,这和赛车在赛道上转向时,利用倾斜的赛道的支持力和重力的合力来提供向心力是一个道理。飞机的向心力提供和转向力矩是两个独立的过程,向心力使用操纵杆使飞机倾斜来得到,而转向力矩利用尾部垂直翼或者是矢量喷口来获得。这两者必须在转向过程中完全一致,所以飞行员在转向的时候必须同时控制好倾斜角度和尾部方向舵,始终让飞机的机头朝向运动速度方向,否则就会有非常严重的后果。飞机上有专门的仪器来显示这两者是否一致。所以飞机转向要比车、船转向困难一些,而且不可能不倾斜转向,有矢量喷口也不行。
如果飞机在地面滑行,那就可以跟车一样,利用起落架轮的摩擦力来转向了,这时候只需要使用方向舵(也不能倾斜机身,否则就翻了……)

柴健翌

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那样叫侧滑,转起来又慢阻力又大人又不舒服,要它有毛用?

橡皮

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玩固定翼航模的。略懂吧。强答一发。
载人的飞机一般是副翼转弯,方向舵在关键的时候修正航线。方向舵打太猛还会出事故。CCTV9播出过一部纪录片的第六集就是一架飞机方向舵打太猛失事了。(纪录片名字忘了)。
在航模里,练习机和真机差不多,副翼转弯方向舵修航线。方向舵打猛也会失速。3d机则是方向舵转弯,副翼修平,补点油门,升降。而3d机推重比很大,很多动作本身就是失速动作。
才疏学浅,如有错误,还请指正。

Falconroid

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速度矢量的改变要靠向心力,侧滑转向就只能靠机身侧向升力了

机身侧向升力和升阻比极低,只能产生非常小的侧向力,而且会产生极大的阻力,何苦呢?

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