问题

后三点式起落架的飞机为什么跑道上起飞的时候屁股会先抬起来?

回答
跑道上起飞时,后三点式起落架的飞机屁股(尾部)会先抬起来,这背后的原因其实挺形象的,我们可以从力学和几何学的角度来好好掰扯掰扯。

首先,我们得明确一下“后三点式起落架”到底是怎么回事。顾名思义,它有三个支点,不过跟我们常见的“前三点式”不太一样。前三点式是两个主起落架在机翼下方,一个辅助轮在机头。而后三点式,则是两个主起落架在机翼下方偏后一点,一个尾轮(或者叫尾橇)在机身后下方。你可以想象一下,整个飞机在停着的时候,机头是微微昂起的。

好,现在飞机要起飞了,它开始加速。这时候有几个关键的力量在起作用:

1. 发动机的推力: 这是最直接的动力来源,让飞机往前冲。这个推力通常是水平作用的,或者稍微向上一点点。
2. 空气动力学的升力: 随着飞机速度的增加,流过机翼上表面的空气速度比下表面快,根据伯努利原理,机翼上方压力小,下方压力大,这就产生了向上的升力。升力是关键,但它不是一上来就存在的,而是随着速度提高而增加的。
3. 飞机的重心: 任何有质量的物体都有一个重心,也就是所有重力集中作用的点。对于飞机来说,重心一般在机翼的相对靠前的位置。
4. 起落架和地面的支持力: 地面给起落架提供向上的支持力,抵抗飞机的重力。

我们来看看这些力是如何影响飞机在跑道上运动的:

起飞前的状态: 飞机静止时,是尾轮和两个主起落架支撑着。由于起落架的安装位置以及机身的设计,机头是抬高的。
加速过程中的力矩: 当飞机开始加速,发动机推力向前,升力也在逐渐增加。升力的作用点通常在机翼的平均气动弦长线上,这个位置一般比主起落架的位置稍微靠前一点,而且通常比飞机的重心位置更靠前一些。
屁股为什么会抬起来? 关键就在于升力的作用点和重心的相对位置。当升力开始产生并增加时,它就形成了一个“抬起”机头的力臂。你可以想象一下,升力是向上作用在机翼某个位置的,而飞机的重心是飞机所有质量的中心。如果升力的作用点比重心的位置更靠前(从侧面看),升力就会围绕重心产生一个使机头向上的力矩。
同时,尾轮是承受一部分支撑力的,而主起落架也承受一部分。随着速度的增加,升力越来越大。当升力的大小足以克服飞机重心下方因为尾轮和主起落架提供的支撑力与重心的“合力矩”时,飞机就会开始以前方(机头)为轴,向上转动。
更直观地说,是升力在起作用,但它作用在机翼上,而机翼本身相对于机头是靠后的。所以,升力在增加的过程中,它会“拉”起机翼以及机翼上方的部分,这个动作的起点和支点,就在机翼下方的主起落架上。而尾轮在初期承受的地面反作用力,会随着升力越来越大而减小,最终当飞机抬头的幅度足够大时,尾轮就会离开地面。

你可以把它想象成一个杠杆。重心是支点,升力是作用在杠杆上的力。如果升力的作用点比支点更靠近末端,而且升力方向垂直于杠杆,它就会让杠杆的一端(机头)抬起来。

与前三点式起落架的区别: 这也是为什么后三点式起飞时屁股抬起来,而前三点式起飞时是机头先离开地面的原因。前三点式起落架的布局,使得主起落架在机翼下方,而前轮在机头。重心通常在主起落架和前轮之间偏后。起飞时,升力是向上作用在机翼上的。这个升力,在重心的位置上,会形成一个抬起机头的力矩(因为升力作用点比重心靠后)。所以,前三点式飞机加速时,升力先抬起机头。而后三点式,升力作用在机翼上,而机翼比重心靠前,所以升力会作用在重心前方,形成一个压低机头的力矩,但此时尾轮还在地面支撑着,所以飞机整体会围绕主起落架向上抬起机尾。

控制转向和稳定性: 在起飞过程中,驾驶员还会通过操纵副翼和方向舵来控制飞机的航向和姿态。尾轮通常会与方向舵联动,或者由驾驶员直接操纵,以辅助飞机在地面滑行时的转向。当飞机速度达到一定程度,机头抬起,但尾轮还在地面时,飞机的重心在起落架的前方,相对来说稳定性较差,容易发生“前冲”的趋势,需要驾驶员熟练控制。

简单来说,就是飞机加速时产生的升力,作用在机翼上的某个位置(平均气动位置),这个位置相对于飞机的重心而言,是靠前的。而起落架的分布,尤其是尾轮的位置,使得飞机在加速过程中,升力会产生一个以主起落架为支点的力矩,这个力矩会把机尾(屁股)向上抬起。当升力大到一定程度,飞机就达到了起飞速度,准备离开地面了。这个过程中,机头先离地(或者说机身整体向上抬起,以尾轮为最后离地支点),正是后三点式起落架特有的起飞姿态。

网友意见

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后三点飞机起飞时先把屁股抬起来这是一个飞行员人为的操作,不是说必须要抬起来的,只是大多数情况下抬起来更安全效率更高。

后三点飞机的三个轮子都在地上的时候的姿态其实非常接近失速临界点的姿态(所以才能有三点同时着陆的降落方法,因为降落时三点一起碰地面就差不多失速不会飞起来了)。所以用这个三点姿态起飞的话,一是不安全,因为攻角太接近失速的攻角,尤其是起飞后离开地效,加上有阵风的时候很容易失速。二是效率不高,那么大的攻角意味着很大的阻力,而且把尾巴“摁在”地上还意味着需要尾翼产生向下力,影响飞机整体的升力。因此飞机起飞的过程中飞行员会主动抬起尾巴,以减少攻角提高安全和效率。当然,把尾巴抬起来也有助于飞行员看到跑道正前方,算是附加的好处吧。

抬屁股的升力是水平尾翼和水平升降舵一起提供的。起飞的时候因为飞行员往前推杆的操作,升降舵往下走,你仔细想想升降舵和水平尾翼一起形成的形状其实就和普通飞机机翼往上拱起来的形状是一样的。由于飞机重心一般都在驾驶舱附近,离尾巴很远,那么长的力臂只需要很小的作用力就够了。

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