穩(wěn)定性與操縱性是飛行器的重要性質(zhì)，在過(guò)去的100年中，穩(wěn)定性和操縱性領(lǐng)域的發(fā)展是航空技術(shù)的最大進(jìn)步之一。穩(wěn)定性是指如果飛行器受到擾動(dòng)偏離原平衡狀態(tài)，當(dāng)擾動(dòng)消除后，自動(dòng)恢復(fù)原有狀態(tài)的特性，而操縱性則是指飛行器改變其自身飛行狀態(tài)的能力。
石器時(shí)代的弓箭箭頭
在遠(yuǎn)古時(shí)期，人類(lèi)就發(fā)現(xiàn)了改善飛行中物體穩(wěn)定性的方法，他們利用細(xì)長(zhǎng)的箭身和箭尾的羽毛增強(qiáng)箭支在空中飛行的穩(wěn)定性以提高命中率。自飛行器誕生之后，工程師們一直致力于改善飛機(jī)的穩(wěn)定性與操縱性，而直到第二次世界大戰(zhàn)之后，定量的方法才被用于飛行器設(shè)計(jì)，大量飛行力學(xué)理論的基礎(chǔ)使得這一階段的飛機(jī)從氣動(dòng)外形上獲得了較強(qiáng)的穩(wěn)定性。后來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們已經(jīng)可以在保證飛機(jī)穩(wěn)定飛行的前提下，獲得極高的操縱性，從而使飛機(jī)具有超強(qiáng)的機(jī)動(dòng)能力。
飛行器的穩(wěn)定性
想要理解飛行器的穩(wěn)定性，首先我們需要理解什么是“穩(wěn)定”。在生活中，我們可以比較容易地判斷一些常見(jiàn)簡(jiǎn)單系統(tǒng)的穩(wěn)定性，比如：如果我們將一根筷子立在桌面上，那么一陣微風(fēng)吹過(guò)，或者一點(diǎn)小小的振動(dòng)，筷子就會(huì)倒下，我們就會(huì)說(shuō)這種狀態(tài)是“不穩(wěn)定的”，但如果將筷子平放在桌面上，微風(fēng)或者小小的振動(dòng)就不能輕易地改變他的狀態(tài)了，我們就說(shuō)這種狀態(tài)比剛才的狀態(tài)“穩(wěn)定”。而對(duì)于相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)，我們則需要了解產(chǎn)生穩(wěn)定性的原理從而判斷其穩(wěn)定性。
（1）靜穩(wěn)定性
如下圖所示，最左側(cè)的小球，偏離原位置后，所受的重力與支持力的合力會(huì)使其回到原位置，這樣的系統(tǒng)則具有正的靜穩(wěn)定性，在這個(gè)系統(tǒng)中，我們將重力與支持力的合力，即使得系統(tǒng)恢復(fù)原狀態(tài)的力，稱(chēng)為穩(wěn)定力；最右側(cè)小球，偏離原位置后，重力與支持力的合力會(huì)使其繼續(xù)偏離原來(lái)的位置，這樣的系統(tǒng)具有負(fù)的靜穩(wěn)定性；而如果小球是在一個(gè)平面上，那么當(dāng)其偏離原位置后，重力和支持力的合力為零，既不會(huì)使其遠(yuǎn)離原位，也不會(huì)使其返回，這樣的系統(tǒng)則具有中立的靜穩(wěn)定性。
靜穩(wěn)定性
（2）動(dòng)穩(wěn)定性
在上述例子中，如果最左邊的弧面與小球之間沒(méi)有摩擦（阻尼），那么雖然當(dāng)小球偏離初始位置后會(huì)自動(dòng)回到原位，但它并不會(huì)停在原來(lái)位置，而是會(huì)繼續(xù)前進(jìn)，朝反方向偏移，最終形成圍繞原平衡位置的持續(xù)震蕩，這就是因?yàn)檫@個(gè)系統(tǒng)不具有動(dòng)穩(wěn)定性。動(dòng)穩(wěn)定性事實(shí)上指的是系統(tǒng)中的阻尼，也就是使系統(tǒng)最終停留在平衡位置的能力。如下圖所示，如果系統(tǒng)的震蕩能夠逐漸減小，最終停留在平衡點(diǎn)，那么這樣的系統(tǒng)具有正的動(dòng)穩(wěn)定性，如果系統(tǒng)的震蕩越來(lái)越大，則這樣的系統(tǒng)具有負(fù)的動(dòng)穩(wěn)定性；如果系統(tǒng)的震蕩幅度既不增大，也不減小，則具有中立的動(dòng)穩(wěn)定性。對(duì)多數(shù)飛機(jī)而言，我們都能通過(guò)空氣的阻尼來(lái)獲得動(dòng)穩(wěn)定性。
動(dòng)穩(wěn)定性
（3）飛行器穩(wěn)定性的產(chǎn)生原理
飛行器的穩(wěn)定性，可以由其本身氣動(dòng)性能產(chǎn)生，也可以由先進(jìn)的自動(dòng)駕駛儀來(lái)產(chǎn)生，而無(wú)論哪一種產(chǎn)生方式，從根本上講都是在飛行器偏離原狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生使其恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)的穩(wěn)定力，同時(shí)具有足夠的阻尼，使得飛行器不致繞穩(wěn)定狀態(tài)震蕩。
在具有氣動(dòng)靜穩(wěn)定性的飛機(jī)上，提供穩(wěn)定力的主要是尾翼，如下圖所示，當(dāng)飛機(jī)受擾低頭時(shí)，水平尾翼的攻角變小，從而產(chǎn)生向下的力，使飛機(jī)向抬頭方向轉(zhuǎn)動(dòng)，反之，若飛機(jī)受擾抬頭，則水平尾翼的攻角變大，從而產(chǎn)生向上的力，使飛機(jī)向抬頭方向轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣就產(chǎn)生了使飛機(jī)恢復(fù)受擾前狀態(tài)的穩(wěn)定力，從而使飛機(jī)具有靜穩(wěn)定性，而在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的空氣阻力則提供了阻尼，使飛機(jī)具有動(dòng)穩(wěn)定性。我們可以用同樣的原理來(lái)解釋垂直尾翼產(chǎn)生方向穩(wěn)定性的的過(guò)程。而古人之所以在發(fā)明弓箭時(shí)，在箭尾增加羽毛，起的就是同飛機(jī)尾翼同樣的作用。
水平尾翼產(chǎn)生的靜穩(wěn)定性
英國(guó)長(zhǎng)弓箭的箭羽
飛機(jī)的操縱性
飛機(jī)的操縱性是指駕駛員通過(guò)操縱設(shè)備來(lái)改變飛機(jī)飛行狀態(tài)的能力。飛機(jī)的基本運(yùn)動(dòng)有三種：俯仰運(yùn)動(dòng)，滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和偏航運(yùn)動(dòng)，通常，這些運(yùn)動(dòng)由不同的氣動(dòng)舵面偏轉(zhuǎn)而產(chǎn)生。
飛機(jī)三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)
一般來(lái)說(shuō)，飛行員主要通過(guò)駕駛桿和腳蹬來(lái)對(duì)飛機(jī)進(jìn)行操縱。
飛機(jī)駕駛艙
俯仰運(yùn)動(dòng)
當(dāng)飛行員前后操縱駕駛桿時(shí)，升降舵會(huì)偏轉(zhuǎn)，從而使飛機(jī)產(chǎn)生俯仰運(yùn)動(dòng)。對(duì)于正常式布局的一般飛機(jī)而言，當(dāng)飛行員向后拉桿時(shí)，升降舵后緣向上偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向下的空氣動(dòng)力，使飛機(jī)抬頭；當(dāng)飛行員向前推桿時(shí)，升降舵后緣向下偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向下的空氣動(dòng)力，使飛機(jī)低頭。
俯仰運(yùn)動(dòng)控制
滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)
當(dāng)飛行員左右操縱駕駛桿時(shí)，副翼會(huì)發(fā)生差動(dòng)，即一邊向上，一邊向下偏轉(zhuǎn)，從而使飛機(jī)產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于一般飛機(jī)而言，當(dāng)飛行員向左壓桿時(shí)，飛機(jī)左側(cè)副翼向上偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向下的氣動(dòng)力，右側(cè)副翼向下偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向上的氣動(dòng)力，從而使整個(gè)飛機(jī)向左滾轉(zhuǎn)，向右壓桿則相反產(chǎn)生向右的滾轉(zhuǎn)。
滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制
偏航運(yùn)動(dòng)
飛機(jī)的偏航運(yùn)動(dòng)主要由方向舵控制。當(dāng)飛行員蹬左側(cè)或者右側(cè)的腳蹬時(shí)，方向舵會(huì)向相應(yīng)的方向偏轉(zhuǎn)，從而使飛機(jī)產(chǎn)生向左或向右的偏航運(yùn)動(dòng)。
偏航運(yùn)動(dòng)控制
飛機(jī)的設(shè)計(jì)需要在操縱性與穩(wěn)定性之間尋求平衡。穩(wěn)定性過(guò)高往往導(dǎo)致飛機(jī)姿態(tài)難以改變，機(jī)動(dòng)性差，而過(guò)高的操縱性也會(huì)帶來(lái)飛機(jī)的不穩(wěn)定，隨著現(xiàn)代化飛行控制器以及電傳操縱的出現(xiàn)和普及，在一些需要高機(jī)動(dòng)的飛行器如戰(zhàn)斗機(jī)上，工程師開(kāi)始放寬其氣動(dòng)穩(wěn)定性，用飛行控制器與電傳操縱系統(tǒng)使飛機(jī)穩(wěn)定，從而追求更高的操縱性。
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