姿態穩定 1：簡介
本系列要來介紹講解飛機的穩定性。 精準來說是飛行姿態上的穩定性，更加精準來說那是在飛機氣動佈局上關於姿態穩定的設計分析。
這個系列與其它系列有一個非常大的不同，作者我認為對於民間玩家來說可能更加意義重大。 其它系列的文章可能看完之後可能得到的就是「哦～懂了，原來是這樣啊！」而已， 但若這個穩定性系列能夠讀完並且讀懂，那你就能擁有自己設計製造飛機的能力了！ 雖然這能力對製造那種高大上的飛機可能還是差距有點大的， 但是對於手擲滑翔機、遙控飛機等需求來說，那已經是相當夠用的了！
不知道大家有沒有不滿足於既有的產品模板而曾經嘗試過自己造飛機？連手擲的滑翔機都算？ 作者我人生第一次嘗試這件事情事在小學三年級的時候， 那時候單純就是覺得手邊的模板不合我意，因此想要自己造一個，而最後的結果就是飛機根本不能飛！ 不過這是另外一個故事了，改天有空再來寫那個故事。
可以這麼說，當我們自己嘗試造飛機的時候，其實最關鍵的大問題就在於姿態穩定； 而只要能夠解決這個問題，那其它次要問題都好說！ 我們自己造飛機可能常是這樣的： 我沒學過流體力學，機翼效率沒有人家高，但無所謂， 就是升力小點、阻力大點、飛的慢點、耗能高點就是了； 我沒學過結構力學，無所謂，不濟就是土師傅造房子， 飛機比人家重一點、消耗比人大一點、飛的比人近一點就是了； 我沒學過阻力分析與功率需求，不會畫飛行任務圖，也不會計算航程和最佳航速，但無所謂， 寧可超過需求選大點的發動機，直接做實驗飛上去遛遛也能知道航程航速， 油箱不夠放那就是航程性能差點就是了。 然而，但是，如果我不會計算處理飛機姿態平衡的話，那還真就不行呢！ 如果不能攻克姿態穩定的問題，那飛機就連穩穩的好好飛行都辦不到，一起飛就是亂漂亂竄然後直接栽根頭！ 如果不知道如何設計佈局才能讓飛機穩定的話，就只能夠購買別人已經設計好的產品外殼， 而無法依據自己的需要與喜好嘗試各種天馬行空的想法。
這樣你看，姿態穩定其實才是當我們設計自己的飛機時，真正最需要的關鍵知識， 是能、與不能成功之間的巨大分歧； 至於其它的知識技術雖然也並不是說完全不重要，但其它的部份其實都存在降級與取捨的空間， 唯獨姿態穩定沒有退路！
三軸姿態
在探討姿態穩定之前，要先來了解飛機的姿態是什麼玩意兒！
作為佔據三維空間的飛機，在三維空間中運動，其之運動具有六個自由度： 三個軸向的平移、以及三個軸向的旋轉。 一般慣例上，我們拿互相垂直的 X、Y、Z 三軸套用在飛機上(如圖 Figure 1)， 其中從機頭穿到機尾的那是 X 軸，上下方向貫穿飛機的是 Z 軸，而剩下一個從左到右橫穿飛機的是 Y 軸； 並且這三個軸都穿過、且交會於飛機的質心(Centre of Gravity (CG))。
Figure 1. 飛機旋轉三軸 [1]
飛機的空間運動分成三個方向的平移和三個方向的旋轉， 而其中關於平移的部份相信各位讀者都已經很了解了，就不多贅述， 比方升力和重力、推力和阻力，描述的就是在兩個平移方向的受力平衡。 至於剩下一個方向，也就是飛機側方向的移動與平衡，因為通常大多情況下的影響過小， 因此通常並不被大多的討論主題裡面納入討論(大概只有降落時遇到大側風的情況例外)。 然而對於專注姿態穩定的本系列內容，我們對於平移方向的受力和平衡其實也並不關心， 因此實際上與本系列有關的部份只有飛機在三個軸向的旋轉運動而已。
在三軸姿態中，飛機繞著 Z 軸旋轉的狀態被稱為「偏航」(Yaw)。 以飛機的視角來說，偏航反應的是飛機左右擺頭的動作， 其中偏航角是飛機的機頭方向與從前方吹來的自由氣流之間的夾角，右偏為正，左偏為負。 飛機繞著 Y 軸旋轉的狀態被稱為「俯仰」(Pitch)。 以飛機的視角來說，俯仰反應的是飛機上下抬頭或低頭的動作， 其中俯仰角是飛機的機頭方向與從前方吹來的自由氣流之間的夾角，抬頭為正，低頭為負。 飛機繞著 X 軸旋轉的狀態被稱為「滾轉」(Roll)。 以飛機的視角來說，滾轉就是機頭盯著前方不動的狀態下，向左或向右滾動的動作， 其中滾轉角以飛機正向平飛狀態為零，右滾為正，左滾為負。
Figure 2. 飛機三軸姿態：左為俯仰(Pitch)，中為滾轉(Roll)，右為偏航(Yaw) [2]
了解飛機的三軸姿態定義，有助於在我們腦海中建立一個共同的想像畫面， 不至於出現我講解的和你理解的內容不一致，或疑惑於我某個時候到底在說哪一個部份的問題， 我想特別是對於那些對飛機與飛行相關領域還並沒有相關名詞基本認知的朋友來說是非常重要的。 那麼在理解了飛機的三軸姿態是什麼以後，接下來就讓我們開始進入有關姿態穩定的正題了。
姿態穩定
什麼是穩定？使狀態保持在某種位置而不改變稱為穩定； 即使外力施加干擾試圖使狀態離開某位置，但撒手之後它又會自己跑回那個狀態位置，就是穩定。 比方我們騎腳踏車，我們騎乘時能讓車子保持直立就叫作穩定； 當發生外力，比方被陣風吹一下，或被惡作劇朋友推了一把，也許一下子反應不過來而搖晃傾斜， 但最後仍讓車子回到直立的位置就叫作穩定； 反之若被風吹一下，搖搖晃晃然後就倒了，這就叫不穩定。
那麼什麼是姿態穩定呢？就是指飛機在三軸姿態能夠維持住的能力， 若再細分則可分別為 偏航穩定性(Directional/Yaw Stability)、 俯仰穩定性(Longitudinal/Pitch Stability)、及 滾轉穩定性(Lateral/Roll Stability)。 也許吹來一股亂流、或是有人在飛機內走動、或是飛行中遭遇了一點點小小的隨機擾動而讓飛機的姿態跑偏了， 但是飛機姿態篇了以後竟然能夠自己擺回來，這就叫具有姿態穩定性； 而若姿態小小偏了一下飛機卻不能自己擺回來，甚至愈偏愈大，直至整個翻掉，這就叫不俱備姿態穩定性！ 而後者可能是我們門外漢在自製飛機的時候最常發生的情況。 若飛機受干擾導致姿態跑偏，但飛機能夠自己擺回來， 即便強力的擾動用力讓飛機大幅偏離原來的姿態，飛機依然能夠快速的擺回原來的姿態， 這就叫俱備高度穩定性； 而若飛機雖然通常能夠自己擺動回來， 但當擾動外力大或偏離大的時候擺回的速度比較慢，或者當遇擾動過大的時候可能會無法回復姿態， 這就叫俱備低度穩定性。
本系列的內容即在於探究如何在氣動佈局上做設計，使得飛機具有在偏離姿態以後能夠自動擺正的能力。 這些能力通常是使用額外配置的小機翼來達成的。 於是雖然我們現在可能還不了解實際它到底如何達成飛機姿態穩定的原理， 但只少現在我們除了知道飛機上的主機翼(也就是面積最大的那片機翼)提供升力讓飛機可以離地飛行之外， 也知道其它的那些小機翼是在幹什麼用的了。 那些小機翼的作用就是在巧妙的設計配置下，使飛機俱備姿態穩定能力的作用。 因此本系列後面的內容，主要就是在探討、分析、計算這些小翼片的佈置方式內容。