2-飞机的气动布局设计

飞机的气动布局设计第一飞机设计研究院上海飞机设计研究院张锡金2010年5月5日前言飞机的《气动布局设计》决定飞机的全局。所以，气动布局专业是总体、气动各个专业中最重要的一个专业，是总体中的总体。在新飞机的总体方案设计阶段，所有各个专业的工作，都要围绕气动布局、配合总体方案。飞机的气动布局设计2008.09本人应邀来上海飞机设计研究院参加大型客机C919的气动设计工作，到后第一件事是写了一份报告《气动布局的专业建设》，建议领导尽快组建真正意义上的“气动布局组”，建议很快被采纳。本文是以这个报告为基础改编的，应该说是在多年气动布局设计中的一点点想法。在介绍《空气动力学在飞机设计中的作用》时绘制了一个“飞机总体设计流程”。现在看一看“飞机气动布局设计”在流程图中的位置。气动布局目录飞机的气动布局设计1飞机的分类和用途2气动布局初步方案设计3气动布局设计的主要工作4发挥CFD在设计中的作用5飞机型号的系列发展飞机的气动布局设计1.1军用飞机1.2民用飞机1.2.1商用飞机1.2.1通用飞机1飞机的分类与用途2气动布局初步方案设计3气动布局设计的主要工作4发挥CFD在设计中的作用5飞机型号的系列发展1飞机的分类与用途飞机的分类框图在介绍“飞机总体气动布局设计”的时候，首先对现有的各种飞机有一个比较全面的、概貌的了解，看看有人驾驶飞机的分类和用途。1飞机的分类与用途飞机的分类框图军用飞机通用飞机商用飞机有人驾驶飞机民用飞机特种飞机轰炸飞机歼击飞机运输飞机货运飞机旅客飞机客货飞机轻型飞机小型飞机超轻飞机干线客机支线客机宽体客机通勤飞机公务飞机农用飞机私人飞机初教练机航体飞机1飞机的分类与用途飞机的分类框图军用飞机通用飞机商用飞机有人驾驶飞机民用飞机特种飞机轰炸飞机歼击飞机运输飞机货运飞机旅客飞机客货飞机轻型飞机小型飞机超轻飞机干线客机支线客机宽体客机通勤飞机公务飞机农用飞机私人飞机初教练机航体飞机歼击机J-31轰炸机H-6K运输机Y-20《空警500》1飞机的分类与用途飞机的分类框图军用飞机通用飞机商用飞机有人驾驶飞机民用飞机特种飞机轰炸飞机歼击飞机运输飞机货运飞机旅客飞机客货飞机轻型飞机小型飞机超轻飞机干线客机支线客机宽体客机通勤飞机公务飞机农用飞机私人飞机初教练机航体飞机B-707-320A-300C4B727-100C1飞机的分类与用途飞机的分类框图军用飞机通用飞机商用飞机有人驾驶飞机民用飞机特种飞机轰炸飞机歼击飞机运输飞机货运飞机旅客飞机客货飞机轻型飞机小型飞机超轻飞机干线客机支线客机宽体客机通勤飞机公务飞机农用飞机私人飞机初教练机航体飞机1飞机的分类与用途飞机的分类框图军用飞机通用飞机商用飞机有人驾驶飞机民用飞机特种飞机轰炸飞机歼击飞机运输飞机货运飞机旅客飞机客货飞机轻型飞机小型飞机超轻飞机干线客机支线客机宽体客机通勤飞机公务飞机农用飞机私人飞机初教练机航体飞机CRJ-700B737-300B-7471飞机的分类与用途飞机的分类框图军用飞机通用飞机商用飞机有人驾驶飞机民用飞机特种飞机轰炸飞机歼击飞机运输飞机货运飞机旅客飞机客货飞机轻型飞机小型飞机超轻飞机干线客机支线客机宽体客机通勤飞机公务飞机农用飞机私人飞机初教练机航体飞机Cessna-414Cessna-560Y-5小鹰-700飞机的气动布局设计（1）飞机的总体设计（2）气动布局设计流程（3）布局形式与总重量（4）推重比与翼载1飞机的分类与用途2气动布局初步方案设计3气动布局设计的主要工作4发挥CFD在设计中的作用5飞机型号的系列发展2气动布局初步方案设计2气动布局初步方案设计2.1飞机的总体设计飞机的总体设计包括气动布局设计和总体布置。气动布局设计就是画飞机的总体三面图。给出“飞机定义”，搞气动布局的人员要把总设计师的设想体现在飞机的三面图上。了解飞机的分类与用途之后，知道有哪些飞机，都有什么用途。根据需要选择设计的飞机，进行飞机的总体设计。2气动布局初步方案设计2气动布局初步方案设计2.1飞机的总体设计说到“飞机设计”，就是画飞机的总体三面图。许多非航空界的人士都这样想。中、小学生的飞机设计梦想，也是这样。其实，飞机设计是多学科、综合性的系统工程。一个飞机设计单位，有几十个部门，上百个专业，2000～3000人，画飞机的总体三面图是气动布局设计专业（10～20人）的工作，其中只有二、三个人才是画飞机总体三面图的。我国第一型超音速歼击轰炸机“中国飞豹”，当时第四方案大改，要我担任气动布局组组长，有幸画了三面图。2气动布局初步方案设计2气动布局初步方案设计2.1飞机的总体设计老一辈的飞机设计师说过：“飞机设计是一门科学，也是一种艺术”。本人理解：飞机设计需要科学的理论和科学的态度，还需要搞艺术的一种悟性，一种清晰的设计思路，卓越的综合能力。善于在多种矛盾的复杂情况中，作出分析、判断、取舍和优选，得到飞机最佳的综合性能。飞机的总体设计中有许多、各种各样的矛盾。例如：气动与结构专业的矛盾，气动专业希望机翼厚度很小，最好象一张纸，阻力最小；结构专业希望机翼厚度很大，最好象一个方盒子，这样强度高，重量轻。气动专业本身也有各种矛盾，例如：高速性能要求机翼面积小一些；低速性能希望机翼面积大一些。2.2气动布局方案设计流程在“飞机总体气动布局方案设计”中，有大量的气动力设计工作。还有飞行力学、结构、强度、动力装置、特设、系统等各个专业的协调和配合。2气动布局初步方案设计2.1飞机的总体设计2气动布局初步方案设计下面是飞机气动布局设计的流程。2气动布局初步方案设计飞机气动布局设计的流程设计一架新型飞机，根据飞机的设计要求，首先考虑两个问题：（1）要搞一型什么样的飞机？（2）要搞一型多大的飞机？（1）要搞一型什么样的飞机？——选择飞机的总体气动布局形式。2.3布局形式与总重量2.3布局形式与总重量（1）气动布局形式选择。①常规布局的飞机当前空中最常见的飞机布局：由机身、机翼、尾翼组成。其中，大部分旅客机、运输机、大型轰炸机为大展弦比机翼的常规布局。大多数军用战斗机是小展弦比机翼的常规布局。2气动布局初步方案设计民用旅客机军用战斗机2.3布局形式与总重量（1）气动布局形式选择。①常规布局的飞机当前，虽不是空中航线上最常见的，还是在军用机场上比较常见的布局——先进气动布局。其中有：鸭式布局、无尾布局和三翼面布局的飞机。②先进布局的飞机2气动布局初步方案设计三翼面布局无尾布局鸭式布局。2.3布局形式与总重量（1）气动布局形式选择。①常规布局的飞机特殊布局的飞机，当前空中极少见到的，是在科技刊物上看见、设想远景布局飞机。其中有：飞翼布局、双身布局和环翼（盒式翼）布局。②先进布局的飞机③特殊布局的飞机2气动布局初步方案设计飞翼布局。双身布局。环翼布局。双身布局飞翼布局环翼布局2气动布局初步方案设计（1）要搞一型什么样的飞机？——选择飞机的总体气动布局形式。2.3布局形式与总重量（2）要搞一型多大的飞机？——估计飞机的重量（大致顿位）。2.3布局形式与总重量2气动布局初步方案设计（1）气动布局形式选择（2）估计飞机的重量各种不同要求的飞机有不同的重量M10658公斤ARJ2140500公斤大运180000公斤《M10》小飞机《ARJ21-700》《运20》大运2.3布局形式与总重量①装载重量这型飞机做什么用？是装载：旅客、货物、武器或者特殊设备。②结构重量结构重量多大？机体结构、系统特设和动力装置的重量，叫做“制造空机重量”。③燃油重量这型飞机需要飞多远、多长时间？2气动布局初步方案设计（1）气动布局形式选择（2）估计飞机的重量主要包括三部分重量：2.1飞机的总体设计2.2气动布局方案设计流程2.3布局形式与总重量（1）推重比与发动机选择（2）翼载与机翼面积确定2气动布局初步方案设计2气动布局初步方案设计2.4推重比与翼载（1）推重比与发动机选择推重比——发动机推力与飞机重量之比T/W。一般情况，使用发动机最大（台架）推力和飞机最大起飞重量。2.4推重比与翼载推重比大，机动性能比较好。所以，军用作战飞机推重比比较大，T/W接近1。民用运输机讲究经济性，选得比较小，大致T/W=0.3～0.4。有了飞机的重量和推重比，就可得到发动机的推力，有了发动机的推力，就可以选择合适的飞机发动机。但是，完全适合新飞机的发动机也不好找，一般可以找一型比较合适的发动机的核心机，进行局部修改，使之与新飞机的要求匹配。2.4推重比与翼载（1）推重比与发动机选择翼载——飞机重量与机翼面积之比W/S（kg/m2）。翼载大，飞机的机翼面积相对较小，阻力也比较小，高速性能会好一些。但是，低速性能比较差。（2）翼载与机翼面积确定一般飞机W/S=350～500kg/m2。通用飞机W/S=50～130；军用战斗机W/S=250～400；大型运输机或轰炸机W/S=600～700。翼载确定之后，机翼面积也就确定了。其实问题并非这么简单，还应从大小速度、机动飞行和起落性能的各种矛盾中作出权衡。2.4推重比与翼载（1）推重比与发动机选择部件气动设计有了机翼面积就可以进行部件气动设计。（2）翼载与机翼面积确定飞机外形参数部件设计后，有了飞机飞机的外形。气动特性数据有了飞机飞机的外形，就可用进行气动计算或风洞试验，获得气动特性数据。性能操稳载荷有了气动特性数据、重量重心和发动机特性，就可用进行性能、操稳、载荷评估。布局设计冻结如果性能、操稳、载荷不满足设计要求，进入下一个循环；如果满足要求，评估布局设计冻结。飞机的气动布局设计3.1气动布局设计的内容—12项工作3.2气动布局设计三阶段1飞机的分类与用途2气动布局初步方案设计3气动布局设计的主要工作4发挥CFD在设计中的作用5飞机型号的系列发展1气动布局概念设计2气动布局方案设计3气动布局方案设计的主要工作3最基本的总体布置4主要部件气动设计5气动特性工程估算6基本飞行性能设计7初步飞行品质设计8飞机与发动机匹配9强度结构初步设计10操纵系统基本设想11经济使用效益分析12其它特殊技术知识绘制飞机气动布局方案三面图气动布局专业的工作是要把总设计师的设计思想体现在飞机的总体布局三面图上。需要开展气动布局设计的12项工作。只介绍前几项3.1气动布局设计的内容②了解国内外现有同类飞机的布局形式及其设计水平；能够看到同类飞机的布局技术发展趋势。①熟悉飞机的常规气动布局形式，了解飞机的特殊气动布局形式：鸭式布局，三面翼布局，飞翼式布局...的特点。③绘制飞机总体气动布局三面图：以飞机统计数据，比较笼统、比较理想的气动布局三面图，包含主要的总体几何参数。（1）气动布局概念设计总体长度宽度高度机翼面积展弦比后掠角梢根比平尾面积、位置垂尾面积、位置（1）气动布局概念设计把气动布局概念设计的比较笼统、比较理想的气动布局变成一个具体的、实际的总体气动布局方案。（2）气动布局方案设计①清晰的设计思路总体设计师，根据设计要求，明确设计目标，梳理主次、轻重。在相互矛盾的各项性能中，想清楚：什么是优先的？什么是确保的？什么是兼顾的？什么是放弃的？“飞机总体设计，一定是有得有失。想要什么都好，结果是什么都不好。”②卓越的综合能力要把各个部件、各个系统的最佳设计，进行取舍、裁剪，组合成一个最好的总体。“飞机总体设计，要求总体最优。各个部件、各个系统最优，不等于组成的总体最优。”③确定基本总体设计参数首先选择原准机（或参考机），预估设计飞机的基本重量；选择当量的发动机，并得到它的基本性能数据。选择推重比和翼载，初步确定飞机的重量和机翼面积。（1）气动布局概念设计（2）气动布局方案设计要有最基本总体布置专业的知识；大致了解机内布置的一般原则；能够作机头的布置，座舱空勤人员（驾驶体制和眼位）的布置，发动机的布置，起落架的布置，燃油的布置，乘坐人员的布置，装载货物的布置。（3）最基本的总体布置（1）气动布局概念设计（2）气动布局方案设计（3）最基本的总体布置要有比较全面的气动专业知识大致了解各个部件的气动力设计技术；清楚各个部件设计对全机气动特性的影响，了解各个部件的气动力设计能达到什么水平，大致的升、阻力，力矩的数量级。（4）