姿態穩定 6：俯仰

September 4, 2026

談完偏航穩定性的部份之後，現在讓我們開始進入俯仰穩定性的探討內容。不過在開始進行算術分析之前，本篇先讓我們從更加概念性的角度概覽飛機在俯仰方向上面對的情況，以及解決問題的方案思路。

俯仰的穩定性控制其實在原理上和偏航是一樣的。也就是說從氣動原理來看，俯仰的控制就是基於偏航原理之下的更複雜變化版本；或者換個方式說，偏航題目就是俯仰題目的簡單版本。說這話的意思就是告訴你，本系列的俯仰穩定內容是基於偏航相關內容的原理基礎上進行擴展的，或者說偏航的篇章其實是俯仰內容的前導知識。因此建議讀者一定要先完成閱讀並理解了偏航穩定的原理 ^[1] 之後，再接著閱讀俯仰穩定的內容，因為接下來的內容基本會假設讀者已經擁有了那些基礎知識。

又另外，與偏航穩定中飛機的不穩定性大多來自於難以估量的機身等情況不同，在俯仰穩定特性中，主翼與配置小翼的作用佔據了絕大部份影響力。也就是說，在俯仰穩定的分析設計中，只要能調配平衡與俯仰相關的幾個翼面之間的作用力，基本就能完全掌控俯仰特性，而機身等其它部位產生的影響佔比低，可忽略不計。 (當然若你設計的機身形狀過於奇葩以至於無法忽視的情況除外！)

主翼自身即俱穩定性

其實若只是想要得到穩定性的話，也不是真的有什麼難度。與往期 ^[1] 的原理相同，只要主翼的氣動中心位置放在飛機質心的後面，那天然就是穩定的。說到底，主翼與其它翼面相比，除了比較大片且通常不是對稱翼以外，並沒有什麼根本上的不同。因此與垂直尾翼原理相同，只要把主翼放在飛機質心後面而不是質心前面，那就是俯仰穩定的。

既然如此，那麼為什麼還需要其它小翼的輔助呢？如果主翼自己直接就能提供穩定性，那麼問題出在哪裡呢？問題在於「穩定性」的問題雖然解決了，但「平衡點」 ^[2] 的部份卻產生了問題！假設我們的主翼使用的是對稱翼，那麼穩定下來的最終平衡角度是多少呢？按照往期 ^[1] 推導的內容，穩定的平衡位置是攻角零度。也就是說，主翼在平衡角度下不能產生任何升力，因此無法維持飛機的飛行，如下圖(Figure 1)所示。而正常情況下，我們會希望俯仰平衡的角度是個正的攻角，使機翼能夠產生維持飛行所需要的升力。

但是不對啊，一般通常主翼的翼型都不會是對稱翼，而都是帶彎曲度的翼型，那麼這樣會不會有什麼不一樣呢？使用非對稱翼型的確是真的不一樣，只不過是情況更差了！絕大多數帶弧度的翼型會天然產生一股令機翼低頭向下的力矩 ^[3] ，因此這時飛機能達到俯仰力矩平衡的角度會是一個負的攻角，也就是處於一種低頭向下的姿勢，如下圖(Figure 2)所示。在這樣的姿勢下，機翼負攻角產生的負向升力才能與帶弧機翼自然產生的低頭力矩互相對消並達到平衡。只不過這下可好，不帶弧的對稱翼型只是產生不了升力而已，帶弧的翼型卻得產生負向的升力，簡直就是嫌飛機墜的不夠快啊！

Figure 1. 只需將對稱翼型的主翼安置於飛機的質心後面即可得到俯仰穩定性，只不過因為穩定之攻角為零而無法產生升力！

Figure 2. 同樣的配置下將對稱翼型更換為帶弧翼型則結果更加惡化，機翼需以負攻角產生下壓力才能使飛機達到平衡！

Tip	對於翼型的力矩(指翼型本身因為帶彎曲弧度而產生的力矩，而非升力作用在機身上產生的力矩)，本篇所繪製的力矩方向與往期 ^[3] 不同。該篇文章的重點在於交代作用力的定義，因此將力的作用方向按照定義的方向繪製，並令實際力矩為負值；而本期則按照力的實際作用方向繪製，以符合直觀的想像理解。

機翼佈局策略

無尾佈局

看著上圖(Figure 2)，不知有沒有讀者心裡在想著：如果有一種翼型產生的力矩不是低頭力矩，而是抬頭力矩，那該多好啊？其實這確實是一種可行且存在案例的解決方案。

一般絕大多數的非對稱翼型自然產生的都是低頭力矩，但是的確存在一部份奇特的翼型，它們產生的是抬頭的力矩。雖然本篇現在還沒有想要探究這種奇特的翼型類型，但其實有一種非常簡單的方案可以讓我們非常簡單的製造出這種翼型出來，那就是：只要把普通翼型上下翻轉過來使用就可以了！這其實就是一般飛機倒飛時的狀態，只不過一般倒飛只是一種暫時的飛行姿態，而我們現在要把它拿來當正常飛行姿態使用。如圖(Figure 3)所示，採用這種特殊翼型(雖然在示例圖中就是把普通翼型給翻過來而已)就解決了所有的問題。放在飛機質心後方的機翼本身俱備穩定性，又現在機翼翼型產生的力矩是抬頭力矩，故需要一定程度的正向升力產生的低頭力矩來互相抗衡平衡，正好就符合一架飛機所需要的飛行狀態，簡直就是太美滿了！

Figure 3. 只需將單獨的主翼翼型更換為能夠產生正向力矩的翼型，即可達到飛行所需的完美平衡和穩定性

既然這種翼型如此美好，也不需要裝設額外的水平尾翼等輔助翼參與，但為何一般卻少見這種機翼佈局呢？其實從上一段的描述及示例圖(Figure 3)中已經很明顯的提示了，其問題就在於空氣動力效率不彰！而效率不彰的源頭就是來自於這種特殊的翼型！雖然上面的示例翼型只是把普通翼型給翻過來使用，你儘管可以嫌棄它潦草粗糙，然而儘管實際上為此目的而專門設計的翼型在氣動效率方面肯定比上面這種隨意代換的翼型要佳，卻仍然從本質上逃脫不了氣動效率不佳的根本性問題。至於關於這部份更多的詳細內容，就留到之後「無尾翼佈局」(或簡稱為「無尾佈局」)的主題再來探究了。總之，由於需要配合使用的翼型之功效較低，因此這種無尾佈局的缺點在於空氣動力效率敬陪末座；然而其優勢在於超音速飛行時的低阻力。由於超音速條件下，相比於升力多那一點還是少那一點的計較，阻力往往才是佔據關鍵影響力的角色，而無尾翼的佈局由於少掉了一整片尾翼，其阻力硬生生就是比別人少一大塊，並因此佔據低阻力優勢。

如果說採用自然能產生正向(抬頭)力矩的特殊翼型本身存在一些缺點，使得一般通常我們還是偏好使用會產生負向(低頭)力矩的翼型，然後又希望飛機的俯仰平衡位置是帶點正攻角的抬頭狀態，那麼很自然就會得到要把機翼放在飛機質心前方的結果，如圖(Figure 4)所示。這種機翼佈置方案決了俯仰平衡點的問題，使機翼在平衡狀態下可以提供正向升力，又能夠使用一般正常的非對稱翼型；然而唯一的問題就是這個方案是屬於靜態不穩定的佈局！在以往，這種佈局並不屬於合理的選項範圍之內；而在現代，有賴於電子計算機與飛控邏輯的加持而使其成為可行的方案，並且也確實被許多現代飛機所採用；然而就如同我在前篇 ^[1] 所述，本系列不會去深入探討這種佈局方案。

Figure 4. 使用正常的帶弧翼型安至於機身質心前方，即可得到良好的平衡性，但卻不穩定！

尾翼佈局

只靠主翼自己達到能提供正向升力且能提供俯仰穩定性的方案至此算是列舉完成了。但是繼續延伸下去，如果不讓主翼一個人扛下所有一切，如果我們可以找一些額外的其它幫手來幫忙呢？如果除了主翼之外我們能再加上一些小機翼來輔助的話呢？因此接下來就讓我們來看看採用輔助小翼的方案，首先來看的就是我們平常最常能見到的飛機所流行採用的方案：尾翼。

在前面提過的把主翼放在飛機質心後面的方案天然俱備俯仰穩定性，只是俯仰平衡的角度是個負攻角。那麼如果我們加上個小機翼給它提供一個力矩，把飛機的俯仰平衡位置給扭過來呢？如圖(Figure 5)所示，在飛機尾巴裝上另外的輔助小機翼，這小機翼就被稱為「水平尾翼」。水平尾翼通常產生的是向下的作用力，透過機身的槓桿這麼一翹，就把飛機的俯仰平衡位置給扭到合適的正攻角來了！並且水平尾翼的位置同樣也位於機身質心後方，在解決俯仰平衡位置的同時還增強了穩定性，甚至於因此還能容許主翼小幅度的跑到飛機質心的前面去 (或者說是因為貨物裝載等因素導致飛機質心跑到主翼後面去)，簡直就是一個相當美好的方案。於是這種被稱為「尾翼佈局」的機翼佈局就成為絕大部份飛機所採用的最流行方案。

然而尾翼佈局也不是沒有缺點的。安裝在飛機後方的尾翼必需要產生向下壓的力量才能提供使飛機抬頭的力矩；這裡畫重點，尾翼產生的是向下的負升力！也就是說，尾翼會一定程度消減主翼所產生的升力，使整機的氣動效能有所折扣；或者換句話說，尾翼佈局需要更大的翼面積才能供應足夠的升力，而這就增加了阻力和重量。因此與那些效率更高的其它佈局相比，因為內耗較大的關係，尾翼佈局會在航速和航程上稍佔劣勢；而其優勢主要就在於能提供絕佳的俯仰穩定性及操控性，以及容許飛機質心變化的裕度更大。

Figure 5. 外加尾翼來扭轉平衡攻角，解決平衡點問題，並且還加強了穩定性！

前翼(鴨翼)佈局

延續上面的尾翼佈局想法思路，如果將尾翼提供的穩定性只看作是額外的副作用，那麼它主要的目的就是將飛機的俯仰平衡位置給扭轉到合適的正攻角。既然如此，那麼輔助小翼又為何一定只能放在飛機後面呢？如果我把小翼放到機頭去行不行？這種方案也是確實可行並且存在實際案例的，即被稱為「前翼佈局」或「鴨翼佈局」的方案。

如圖(Figure 6)所示，不像尾翼能同時解決穩定性和平衡攻角的問題，前翼僅僅只解決了平衡攻角的部份，而不能夠提供俯仰穩定性；事實上，由於前翼被安裝在飛機質心的前方，因此它其實還是不穩定的因素！這是一個比較反口語直覺的事情，一般我們在口語上總將這些小機翼稱呼為「穩定翼」，然而前翼(鴨翼)其實並不能提供穩定性，反而還提供了不穩定性。一般不容易意識到的是前翼佈局的穩定性其實是由主翼來負擔的，而前翼只擔負了扭轉俯仰平衡角的作用。

Figure 6. 外加前翼來扭轉平衡攻角，解決平衡點問題，但卻降低了穩定性！

由於前翼被安裝在前方，因此同樣是提供抬頭力矩，尾翼需要產生往下壓的力道，而前翼產生的卻是往上抬的力道。也就是說，前翼不只不消耗主翼的升力，還能給整機額外分擔一些升力的供應。因此相比於其它機翼佈局，前翼佈局的優勢在於較佳的空氣動力效能，使其在航程和航速上能稍佔優勢；然其缺點在於較差的穩定性與操控性，以及需要更加小心巧妙的設計佈置。 (當然也可以採用靜不穩定配置搭配電腦主動控制來解決這些問題，只不過這裡不討論這種方案！)

由於前翼產生不穩定的作用，因此主翼產生的穩定性需要大於前翼產生的不穩定性，才能維持飛機的俯仰穩定；然而如果主翼的俯仰作用太大，則又會讓前翼產生的力矩不足以將飛機的俯仰平衡攻角抬高到預期位置；然又如果加大前翼的作用，則又可能導致整機最終不能穩定的結果。所以前翼佈局會需要設計者在使前翼具有足夠的作用，卻又不能完全消耗掉主翼產生的穩定性之間妥善拿捏平衡。因此最後的結果就是俯仰穩定性能與俯仰操控性始終不如其它佈局，並且對於機身重心位置的偏移也是相當敏感且容受變化空間小，換成白話來說就是對於油料、武器、貨物、人員等重量分佈變化造成的重心偏移耐受力較低；而優點則在於能提供較佳的燃油效率與航程，並且能飛的比別人更快一些。

Note

「前翼」之所以又被稱為「鴨翼」，其典故來自於法國人 Santos-Dumont 早年(1906 年，距離萊特兄弟第一次飛行的 1903 年才過去了 3 年) 所製造的 14-bis 飛機。該飛機的造型如下圖(Figure 7)，其樣態神韻看上去就如同一支伸長了脖子在飛行的鴨子(Figure 8)，因此當時的人們便打趣的稱呼其為「鴨子」，而 canard 即為法語中的鴨子。於是即便後來的前翼式飛機已經長的並沒有像經典案例那般那麼像鴨子了，但這個第一印象仍定型在人們心中，使之成為語言上的約定名詞，更在後來成為航空領域的專有名詞。所以後來的人們就將所有這種被佈置在飛機前方的小翼都稱為「鴨翼」(Canard)，並將這種使用前翼的機翼佈局稱呼為鴨翼佈局(Canard Configuration)。