飞机总体设计

飞机总体布局型式的选择飞行器工程学院飞行器设计工程系飞机总体设计第三章本章内容在设计流程中的位置飞机设计的依据总体设计的第一次近似总体布局型式选择主要设计参数选择机舱及装载布置动力装置及燃油系统起落装置设计飞机的总体布置重量特性估算飞机性能综合分析与评估部件及分系统设计与布置多学科设计优化（MDO）2第三章飞机总体布局型式的选择3.1飞机型式的含义与内容3.2飞机配平形式选择3.3机翼参数选择3.4尾翼布置及参数选择3.5隐身对布局设计的影响33.1飞机型式的含义与内容明确了飞机的设计要求后，就要对飞机的外形进行全面的构思，即进行飞机型式的初步选择43.1飞机型式的含义与内容飞机型式没有严格的定义。飞机型式就是飞机的总体气动布局型式。飞机型式是指飞机部件几何外形特征及装载布置方案的总称，如机翼、机身、尾翼及发动机、起落架安装位置、装载布置方案等不同的组合。为满足不同的飞机设计要求，不同的气动、重量、刚度和使用维护等各方面的要求，这些部件有各不相同的外形，其组合又可有不同的型式。飞机型式是飞机各部件数目，外形和相对位置的总称5飞机型式选择在飞机设计中的地位和作用飞机设计过程中，影响飞机性能的重大决策基本上都是在飞机型式选择过程中作出的飞机的气动力特性、强度刚度特性、使用维护性能、制造工艺性能等各个方面的特性，在飞机的型式确定下来以后就基本上确定了正确地选择飞机型式对设计速度和设计质量有很大的影响不恰当的飞机型式，会引起以后设计中的重大返工。如果在风洞试验甚至在试飞之后，发现飞机的性能或操纵安定性差，则可能推翻整个方案，就会大大影响设计速度3.1飞机型式的含义与内容6飞机型式选择和飞机的设计要求之间不存在一一对应关系设计人员应当综合地分析问题，合理妥善地处理一系列相互矛盾的要求，来正确选择飞机各部件的外形及相互位置，这些部件的组合就决定了飞机型式。3.1飞机型式的含义与内容7飞机型式选择的主要工作3.1飞机型式的含义与内容83.2飞机配平形式选择飞机总体配平型式也就是飞机的气动布局型式，通常指不同承力面的安排型式。机翼是产生升力的主要部件，前翼、水平尾翼和垂直尾翼等是辅助承力面，用于保证飞机的操纵性和稳定性。飞机配平型式的选择是一个复杂的创造性的设计过程，技术因素是首先要研究的问题。另外，飞机型式选择还会受到其他非技术因素的制约，例如：市场、设计人员的风格和习惯等。93.2飞机配平形式选择达索公司的设计传统幻影III幻影2000阵风103.2飞机配平形式选择根据配平翼面和机翼之间的相对位置和配平翼面的多少，通常分为以下几种型式正常式布局：水平尾翼位于机翼之后鸭式布局：水平尾翼位于机翼之前无尾布局：只有一对机翼，但立尾有无不确定三翼面布局：机翼前面有前翼，后面有平尾113.2飞机配平形式选择正常式布局多数飞机采用正常式布局，主要是因为正常式飞机布局积累的知识和设计经验比较丰富。飞机正常飞行时，保证飞机各部分的合力通过飞机的重心，保持稳定的运动。正常式布局的水平尾翼一般提供向下的负升力，为了保证飞机的静稳定性，飞机机翼的迎角大于尾翼的迎角。123.2飞机配平形式选择正常式布局133.2飞机配平形式选择正常式布局143.2飞机配平形式选择鸭式布局鸭式布局是飞机最早采用的布局型式，莱特兄弟设计的飞机就是鸭式布局，但是由于鸭翼提供的不稳定的俯仰力矩造成鸭式飞机发展缓慢。随着主动控制技术的发展，鸭式布局技术日趋成熟，鸭式飞机在中、大迎角飞行时，如果采用近距耦合鸭翼型式＊，前翼和机翼前缘同时产生脱体涡，两者相互干扰，使涡系更稳定，产生很高的涡升力。＊近距与远距鸭翼的更多介绍－方宝瑞，《飞机气动布局设计》153.2飞机配平形式选择鸭式布局的难点是鸭翼位置的选择和大迎角时俯仰力矩上仰的问题。由于鸭翼位于飞机的重心之前，俯仰力矩在大迎角的情况下提供较大的抬头力矩（上仰力矩），不能够稳定的飞行，因此必须提供足够的低头力矩来平衡之•在后机身加边条（X-29）•限制放宽静稳定余度•采用发动机推力矢量技术等163.2飞机配平形式选择前翼尖端涡流布置不当，会引起机翼弯矩增加，阻力增大，所以对于客机常常采用将前翼布置在机翼的远前下方，减少前翼对主翼的气动影响。173.2飞机配平形式选择无尾布局无尾布局飞机一般采用大后掠角的三角形机翼，用机翼后缘的襟副翼作为纵向配平的操作面。无尾飞机配平时，襟副翼的升力方向向下，引起升力损失，同时力臂较短，效率不高。飞机起飞时，需要较大的升力，为此必须将襟副翼向下偏，这样会引起较大的低头力矩，为了配平低头力矩襟副翼又需上偏，造成操纵困难，配平阻力增加。因此，无尾式布局的飞机通常采用扭转机翼的办法，保证飞机的零升力矩系数大于零，这样可以有效的降低飞机飞行时的配平阻力。183.2飞机配平形式选择无尾式布局同正常式布局飞机相比有如下的优点•飞机结构重量轻•隐身特性好•气动阻力较小•超音速阻力更小193.2飞机配平形式选择三翼面布局在正常式布局的基础上增加了水平前翼构成的，它综合了正常式布局和鸭式布局的优点，有望得到更好的气动特性，特别是操纵和配平特性•增加前翼可以使全机气动载荷分布更为合理，减轻机翼上的气动载荷，有效的减轻机翼的结构重量；•前翼和机翼的襟副翼，水平尾翼一起构成飞机的操纵控制面，保证飞机大迎角的情况下有足够的恢复力矩，允许有更大的重心移动的范围；•前翼的脱体涡提供非线性升力，提高全机最大升力。缺点是由于增加前翼使得飞机的总重有所增加203.2飞机配平形式选择三翼面布局F-15S/MDT验证机F-15D双座战斗机213.2飞机配平形式选择前掠翼布局前掠机翼具有后掠机翼的气动优点，但不存在后掠机翼翼梢分离的缺点：在迎角增大时，机翼根部最先进入失速。因为失速区不包围副翼，这样的失速不导致飞机横向操纵性的丧失。这就提高了飞行的安全性，并提高了超音速飞机的大迎角机动性能。前掠翼布局之所以还未被广泛应用，是因为前掠机翼的弯扭扩散的问题。223.2飞机配平形式选择联翼布局与常规布局相比较，联翼优点如下：提高了抗弯扭强度，减轻了结构重量提供直接升力和直接侧向力控制能力减少了诱导阻力减少了跨音速和超音速波阻，可以更好的采用面积律鲲鹏-700（北航3305T6）233.2飞机配平形式选择BURNELLI布局设计思路是让机身也参与产生升力。但是如果采用增压客舱，机身将变得非常重对于大型运输机而言，Burnelli的应用有待深入的研究243.2飞机配平形式选择斜翼布局在跨音速范围内，斜机翼布局与常规固定后掠或变后掠机翼飞机相比，有利于降低阻力。只有一个转轴代替了常规变后掠机翼的两个转轴。有利于降低飞机的结构重量。253.2飞机配平形式选择（回顾）根据配平翼面和机翼之间的相对位置和配平翼面的多少，通常分为以下几种型式正常式布局：水平尾翼位于机翼之后鸭式布局：水平尾翼位于机翼之前无尾布局：只有一对机翼，但立尾有无不确定三翼面布局：机翼前面有前翼，后面有平尾263.3机翼参数选择4.3.1翼型选择4.3.2机翼外形设计4.3.3边条4.3.4机翼的增升装置和副翼27翼型是构成翼面的重要部分，直接影响到飞机的性能和飞行品质选择翼型时不仅要满足气动要求，还须兼顾结构、强度及工艺的需要3.3.1翼型选择28翼型的参数中弧线＋基本厚度分布弦长b最大弯度f相对弯度f/b最大厚度c相对厚度c/b最大厚度的相对位置Xc/b前缘半径r后缘角τ3.3.1翼型选择29参数对翼型气动特性的影响—前缘半径前缘半径小，前缘在小迎角时就开始分离，随迎角增加再附着，前缘半径越小越易分离，最大升力系数小，但波阻也小——适于超音速飞机前缘半径大，圆前缘翼型从后缘开始失速，随迎角增加分离前移，失速迎角大，最大升力系数大，但波阻也大——适于亚音速飞机3.3.1翼型选择303.3.1翼型选择参数对翼型气动特性的影响—相对厚度直接影响飞机的阻力（特别是波阻）、最大升力系数、失速特性和结构重量。相对厚度对亚音速阻力影响不大，而超音速时波阻增加约与的平方成正比。超音速战斗机的一般在4%~6%，如太小则影响结构高度与机翼的可用容积；最大厚度位置在40%-45%，有利减阻cc313.3.1翼型选择参数对翼型气动特性的影响—相对厚度随着翼型相对厚度增加，最大升力系数先增大，然后减小。对于每一种翼型，有一个最佳的相对厚度，范围大约为10%～14%，亚音速飞机翼型的相对厚度多在此范围内。超临界翼型有助于推迟激波的形成，并减小给定相对厚度翼型的阻力相对厚度经验曲线323.3.1翼型选择参数对翼型气动特性的影响—相对弯度弯度的确定通常是保证翼型在正常的巡航速度飞行时处于设计升力系数状态。设计升力系数指的是具有最小阻力时的升力系数。对于任何一种翼型，在其设计升力系数附近，有最有利的压力分布，阻力最小，升阻比最大对于低速飞机，巡航速度比较小，所需的升力系数要大，应当采用相对弯度较大的翼型，对于高速飞机则应选取相对弯度较小的翼型或无弯度的对称翼型。平尾、立尾等翼面要在正负迎角、正负侧滑角下工作，因此这些翼面都要采用对称翼型333.3.1翼型选择高速战斗机的方案设计初期不必花太多的时间去精选合适的翼型，经常是利用已有气动试验数据的翼型，从中选择比较合适的，如NACA64A或65A的对称翼型，确定好相对厚度；而前缘半径、弯度和扭转，则可在详细设计时根据不同的任务要求和机翼平面形状再进行精修设计大展弦比、小后掠的亚音速运输机一般采用自己设计的超临界翼型，如美国的NASASC(2)-0614，西工大的跨音速飞机用的NPU-S73613还需注意翼型的配置，翼尖用失速性能好的翼型，翼根则用升阻比高、相对厚度大的翼型343.3.2机翼外形设计机翼设计的依据满足设计要求的飞机性能为主要依据，即应保证•在起飞、着陆和空中机动状态下有尽可能大的升力及高的升阻比；•在巡航状态和大速度下有尽可能小的气动阻力；•在全包线范围内有良好的纵向及横侧向的操纵安定特性，特别是在低速时要有线性的俯仰力矩特性、较高的副翼效率及横向特性。满足强度和气动弹性要求，使机翼具有足够的结构刚度和较轻的结构重量及较大的颤振速度。353.3.2机翼外形设计机翼几何形状定义S——机翼参考面积；l——机翼展长；b0——翼根弦长；b1——翼尖弦长；——机翼展弦比；——机翼前缘后掠角；——根梢比（梯形比）;——翼型相对厚度;——扭转角c363.3.2机翼外形设计机翼几何形状定义美英等国的表示符号——s——b——c根——c尖——A；——ΛLE——λ尖削比（梢根比）=1/η——t/c;S——机翼参考面积；l——机翼展长；b0——翼根弦长；b1——翼尖弦长；——机翼展弦比；——机翼前缘后掠角；——根梢比（梯形比）;——翼型相对厚度;——扭转角c373.3.2机翼外形设计机翼的平均气动弦翼型在亚音速流中的俯仰力矩数据通常相对于1/4弦点给出。翼型绕该点的俯仰力矩随着迎角的变化基本为一常数，该点即为翼型的“气动中心”完整的梯形机翼的气动中心落在“平均气动弦”上，其位置如右图确定：c=(2/3)C根（1+λ+λ2）/（1+λ）=（b/6）[(1+2λ)/(1+λ)]典型的气动中心=0.25亚音速=0.4超音速cc383.3.2机翼外形设计主要参数选取－展弦比展弦比越大，即翼展长，翼尖效应（翼尖处下面高压气流流向上翼面，减小了翼尖附近的升力）对机翼影响区比例越小，其升力线斜率即升阻比都较大由于翼尖涡减小了翼尖处的有效迎角，所以小展弦比机翼的失速迎角大393.3.2机翼外形设计主要参数选取－展弦比大型民用旅客机和军用运输机为提高升阻比，减小升致阻力，展弦比选在10左右战斗机着眼于高机动性和减少超声速阻力，展弦比一般选2.0~4.0403.3.2机翼外形设计主要参数选取－后掠角增加后掠角，可以提高临界Ma数