第11讲：尾翼的外形设计

航空宇航学院尾翼外形的初步设计航空宇航学院飞机总体设计框架设计要求布局型式选择主要参数计算发动机选择部件外形设计机身机翼尾翼起落架进气道三面图部位安排图结构布置图分析计算重量计算气动计算性能计算结构分析是否满足设计要求？最优？航空宇航学院内容提要•尾翼的功用、组成和设计要求•尾容量•确定尾翼外形参数的思路•尾翼外形参数设计的步骤•举例航空宇航学院尾翼的功用、组成和设计要求•功用：-保证飞机稳定性和操纵性•组成：-平尾（前翼）：水平安定面，升降舵-垂尾：垂直安定面，方向舵•设计要求：-按设计规范航空宇航学院尾容量•平尾尾容量AcSLSLSA平尾平尾平尾平尾平尾L平尾平尾尾力臂S平尾平尾面积S机翼面积cA平均气动弦长航空宇航学院尾力臂的定义（1）航空宇航学院尾力臂的定义（2）航空宇航学院•前翼尾容量AcSLSA前翼前翼前翼L平尾前翼尾力臂S平尾前翼面积S机翼面积cA平均气动弦长航空宇航学院•垂尾尾容量LSLSLSA垂尾垂尾垂尾垂尾垂尾L垂尾垂尾尾力臂S垂尾垂尾面积S机翼面积L机翼展长航空宇航学院•讨论：-力矩尾翼面积，力矩尾力臂；-综合效果：力矩尾翼面积尾力臂尾容量-若A尾固定，L尾S尾尾翼结构重量，阻力-当飞机构形为鸭式布局时：a)对于近距耦合情况：L前小，S前大。b)对于远距耦合情况：L前大，S前小。-初步确定A尾时，通常参考统计数据。航空宇航学院各种不同类型A尾统计数据飞机类型A平尾A垂尾Homebuilt0.50.04SingleEngine0.70.04TwinEngine0.800.07Agricultural0.500.04TwinTurboprop0.900.08JetTransport1.000.09JetFighter0.400.07MilitaryCargo/Bomber1.000.09摘自：AircraftDesign:AConceptualApproach航空宇航学院平尾A垂尾A)/(/AAcLcL垂尾平尾飞机型式装涡轮螺桨发动机的干线客机0.80～1.10.05～0.082.0～3.0装涡轮喷气和涡轮风扇发动机的干线客机0.65～0.800.08～0.122.5～3.5后掠翼重型非机动飞机0.50～0.600.06～0.102.5～3.5直机翼重型非机动飞机0.45～0.550.05～0.092.0～3.0高速机动飞机0.40～0.500.05～0.081.5～2.0尾容量统计值的范围航空宇航学院尾吊布局与翼吊布局飞机的尾容量比较机型参数MD-82DC-9-30DC-9-10波音737-200A300BA平尾1.1741.1751.1471.1401.058S平尾/S26%27.5%29.5%31.9%26.7%尾吊布局飞机的A平尾较大，但平尾面积不大。航空宇航学院客机A垂和垂尾相对面积的比较机型MD-82DC-9-30三叉戟F28BAC-111C5A波音737-100波音727-100A300BA垂0.06520.07230.05480.09100.04820.09510.11170.09050.1020S垂/S0.13310.16090.16100.2030.13200.19100.26800.23800.2040尾吊短舱式的尾容量和相对面积较小，因为飞机单发停车不是垂尾设计的严重情况。航空宇航学院确定尾翼外形参数的思路确定A平尾确定L尾确定S尾•平尾的平面参数设计参考机翼•垂尾的平面参数设计参考统计值•操纵面的设计参考统计值航空宇航学院尾翼外形参数设计的步骤1.回顾所选的飞机构型：-正常式；鸭式；无尾式；2.确定尾翼在机身上的前后位置:-先画出机身外形，然后确定尾翼在机身上的前后位置，尾翼位置尽量靠后。航空宇航学院3.根据同类飞机的统计数据，确定A平尾和A垂尾-全动平尾，可减小1015%。-“T”平尾，A垂尾可减小5%，A平尾可减小5%。-“H”平尾，A平尾可减小5%。4.确定尾力臂L平尾和L垂尾-对于拉力式螺旋浆飞机，尾力臂60%L机身。-发动机安装在机翼上时，尾力臂（5055%）L机身。-发动机安装在机身后部，尾力臂（4550%）L机身。-对于鸭式布局：L前（3050%）L机身-经验公式：L平尾=1.2CA(三角翼）=（1.52）CA（后掠翼）=（2.52.9)CA（直机翼）-参考教材中的表6-5。航空宇航学院5.确定平尾面积S平尾和垂尾面积S垂尾平尾平尾平尾LScASA/垂尾垂尾垂尾LSLAS/航空宇航学院6.确定尾翼的翼型和平面参数-翼型：大多采用对称翼型或反弯翼型（正常式）1）低速飞机：相对厚度1015%2）高速飞机：相对厚度36%3）鸭式布局：要考虑前翼先失速-平尾的平面参数：1）同机翼平面参数的选择类似；2）为保证平尾不能比机翼先失速，平尾较小：*对于大展弦比飞机：平尾35*对于小展弦比飞机：平尾23*根梢比平尾23.5-垂尾的平面参数：1）参考同类飞机；2）一般情况：垂尾0.81.5;垂尾23.5垂尾3560航空宇航学院平尾的和统计值机型737727A300B707MD-82DC-9-30C5AF28三叉戟雅克-40平尾4.162.404.133.375.144.934.893.834.004.33平尾2.632.502.002.3753.002.842.752.101.722.32航空宇航学院7.确定升降舵和方向舵的尺寸-在概念设计阶段，主要参考同类飞机的数据；-许多高速飞机采用全动平尾；飞机型号S升降舵/S平尾S方向舵/S垂尾Boeing727-2000.250.16Boeing737-2000.270.24DC-9-500.380.41A3100.260.35FokkerF-280.200.16一些喷气客机的统计数据摘自：AirplaneDesign,Part2,Roskam航空宇航学院8.画出尾翼的平面草图航空宇航学院实例分析（MD-82尾翼设计分析）水平安定面和升降舵一、尾容量，焦点和纵向静稳定度•设计平尾尾容量一般是根据纵向静稳定性要求以及在配平的起飞状态下抬前轮情况。•飞机的焦点和纵向静稳定度是联系在一起的。表航空宇航学院•民航机对配平阻力有一定的设计要求，一般在巡航状态下不超过全机阻力的5％。二、配平阻力特性航空宇航学院选择了较高的根梢比使平尾临界M数大于机翼的临界M数尽可能减少平尾面积的增加采用大的展弦比采用对称翼型平尾和垂尾最大厚度位置前后错开布置增加安定面的下反角三、面积、参数和翼型航空宇航学院四、升降舵设计采取了大的舵面相对参数结合简单而有效的降低铰链力矩的措施采取了升降舵外形修形升降舵头部修形基本呈圆形航空宇航学院垂直安定面和方向舵一、垂尾尾容量机型MD-82DC-9-30三叉戟F28BAC-111C5A波音737-100波音727-100A300BA垂0.06520.07230.05480.09100.04820.09510.11170.09050.1020S垂/S0.13310.16090.16100.2030.13200.19100.26800.23800.2040航空宇航学院二、高平尾布局垂尾结构重量的特点刚度高重量大航空宇航学院三、横航向稳定特性飞行状态迎角Iy/Ixк上反角巡航5.2°-0.00290-0.002804.13.963°起飞9°-0.00212-0.003164.16.103°ymxm评价飞机横航向稳定和操纵特性的主要指标之一是在横航向扰动过程中，最大相对滚转角速度和最大相对偏航角速度的比值K(K)。一般要求K应在0～3范围内，最佳值为1～2。maxxmaxyxyyxIImm航空宇航学院四、大后掠的垂尾垂尾后掠角和平均相对厚度的组合要求与平尾相同，即满足垂尾翼面出现激波迟于机翼。MD-82垂尾的1／4弦后掠角达到了43.5°(比机翼大19°)，平均相对厚度为11％与机翼基本相同。航空宇航学院五、翼型垂尾的翼型亦是麦道公司的DSMA系列的对称翼型，除有较高的阻力发散M数和气动效率外，具有更大的失速侧滑角和良好的失速特性，并使舵面本身具有较高的舵面效率和小的铰链力矩。航空宇航学院六、航向操纵MD-82航向操纵是直接操纵方向舵和通过操纵调整片来偏转方向舵二种操纵方式的组合。航空宇航学院七、无配重的方向舵MD-82方向舵中没有平衡配重，这是T形尾翼布置的特点之一。