垂直安定面

定义

垂直尾翼由两部分组成：固定不动的翼面称为垂直安定面，铰接在其后缘、可操纵偏转的称为方向舵。垂直安定面位于垂直尾翼前部，下端固定于机身或尾梁，后缘通过悬挂接头与方向舵相连^[1][3]。

该部件用于保证飞机航向的平衡与稳定，并悬挂方向舵以对飞机实施航向操纵。除自身的气动载荷与惯性载荷外，它还要承受方向舵经悬挂接头和操纵接头传来的集中载荷^[3]。

在外形与构造上，垂直安定面与机翼相近，可由铝合金骨架和蒙皮组成，内部为梁、肋构成的承力盒段^[4]。

原理

飞机作近似匀速直线飞行时，垂直安定面两侧气流对称，不会产生多余力矩。当气流扰动使机头偏转、出现侧滑时，迎面气流以一定侧滑角作用于安定面，相当于给它带来迎角，于是在水平方向产生侧向力；该力作用在重心之后，绕重心形成与偏转方向相反的力矩，把机头拉回原有航向^[1][3]。

在侧滑角不大时，垂直安定面产生的偏航力矩随侧滑角近似线性增大，这一性质称为航向静稳定性，也叫风标静稳定性。除静稳定性外，它还提供使摆动尽快收敛的阻尼力矩，即航向动稳定性^[5][6]。

垂尾能提供多大稳定性，取决于其面积与到尾力臂的组合，工程上用垂尾容量 $V_V=\dfrac{S_F l_F}{Sb}$ 衡量，其中 $S_F$ 为垂尾面积，$l_F$ 为重心到垂尾气动中心的距离，$S$ 与 $b$ 分别为机翼面积和展长^[5]。

发展历程

垂直安定面的构造长期沿用与机翼相似的做法，由铝合金骨架和蒙皮共同承力^[4]。

民用飞机垂直安定面盒段后来形成两种主要型式。一种是由双梁（或增设辅助中梁）、翼肋和壁板组成主承力翼盒的单闭室结构，空客各型客机、波音737，以及高平尾布局的MD-82/90和CRJ系列都采用了这种方案；另一种是在主承力翼盒之外增加前缘舱作为辅助扭力盒的双闭室结构，自波音747开始使用，并一直沿用到波音787^[3]。

双闭室方案零件更多、装配更繁琐，但由于前梁之前多了一根前缘梁，垂尾前缘的抗鸟撞能力与抗扭刚度明显提高，前缘舱还为系统构件提供了安装空间，便于检查与更换^[3]。

复合材料逐步进入尾翼结构。波音777的尾翼即由主承力盒与辅助前扭矩盒组成，主承力盒采用碳纤维增强复合材料，蒙皮为整体加筋层压板^[7]。

与机身的连接方式主要有梁框连接、整体接头和独立接头三种，复合材料壁板结构的垂直安定面多采用后两种，以优化重量与维护性。空客A350改用独立接头，其垂直安定面根部通过五对金属接头与机身相连^[3]。

在军用领域，一部分飞机取消了固定的垂直安定面，改为整块翼面均可偏转的全动垂尾。SR-71采用全动垂尾，以便在方向稳定性允许较小的条件下仍获得足够操纵能力；歼-20同样采用全动双垂尾。

应用

常规布局的飞机把垂直安定面固定在机身后部，仅后缘方向舵可以活动，垂尾由此同时担当稳定与操纵两种职能。

垂直安定面表面一般装有高频通信系统天线、航向道/甚高频导航系统天线，以及垂尾皮托管^[2]。

当单垂尾面积受尺寸限制，或大迎角下稳定性不足时，可采用双垂尾、多垂尾，或加装腹鳍作为补充；螺旋桨飞机还常把垂尾布置在螺旋桨滑流中，以提高低速时的方向舵效率^[8][5]。

局限

大迎角飞行时，机身与机翼产生的尾流会遮蔽垂直安定面，其效率明显下降，飞机的航向静稳定性随之降低，这是高机动或尾旋状态下航向控制困难的重要原因^[5]。

依靠加大垂尾面积或尾力臂来补足稳定性会带来副作用：面积和力臂增大意味着结构重量与废阻上升，尾力臂过长还会在起飞滑跑抬头时造成擦尾^[5]。

结构上，垂直安定面一般按刚度设计，以满足临界颤振速度和方向舵正常偏转的要求；若结构型式选择不当，刚度与强度都会受到影响^[3]。

全动垂尾取消了固定安定面，可以减小体积和阻力，但偏转很小的角度就会引起较大的力矩变化，容易破坏横向稳定性，对飞控系统要求很高，并存在抖振问题^[9]。

参见

• 垂直尾翼 —— 垂直安定面是其固定翼面部分，与方向舵共同组成整个垂直尾翼。

• 方向舵 —— 铰接在垂直安定面后缘，负责航向操纵。

• 水平安定面 —— 水平尾翼中与之对应的固定翼面，负责俯仰方向的稳定。

• 全动垂尾 —— 取消固定安定面、整块翼面均可偏转的垂尾形式。

• 腹鳍 —— 在大迎角条件下补充航向稳定性的辅助翼面。