2014-飞机总体设计-4第四讲-总体布局设计-Part1

飞机系航空科学与工程学院飞机总体设计第四讲飞机总体布局设计（第一部分）部件及分系统设计飞机总体布置和几何建模飞机性能综合分析评估总体布局设计经济性、环保性分析多学科设计优化(MDO)配平型式选择机舱与装载布置机翼参数选择推进系统设计尾翼参数选择起落架布置结构布局及重量本讲内容在设计流程中的位置2第四讲飞机总体布局设计4.1飞机型式的含义与内容4.2飞机配平形式选择4.3隐身对布局设计的影响4.4机翼参数选择4.5尾翼布置及参数选择34.1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4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4.1飞机型式的含义与内容5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。4.1飞机型式的含义与内容6飞机型式选择的主要工作4.1飞机型式的含义与内容74.2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。84.2飞机配平形式选择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。幻影III幻影2000阵风94.2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104.2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。114.2飞机配平形式选择正常式布局124.2飞机配平形式选择正常式布局134.2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》144.2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154.2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。164.2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。174.2飞机配平形式选择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。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184.2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194.2飞机配平形式选择三翼面布局F-15S/MTD验证机F-15E204.2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。4.2飞机配平形式选择其它新概念布局介绍翼身融合体（BlendedWingBody,BWB）机翼与机身高度融合气动效率较高，但因其无垂尾，对操稳控制系统的要求也较高3.2飞机配平形式选择支撑机翼（Strut-BracedWing）在常规布局飞机机翼上增加一个支撑可减小机翼弯矩，增大展弦比和升阻比，减轻重量234.2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）244.2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254.2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。264.3隐身对布局设计的影响隐身技术的基本概念隐身技术(StealthTechnology)又称为低可探测技术(LowObservabilityTechnology)，泛指为了减少飞机被敌方侦察手段扑捉、跟踪和攻击所采用的设计技术，涉及的侦察手段包括雷达、红外线、光电和目视等。274.3隐身对布局设计的影响雷达散射截面（RCS）的定义RCS用以度量目标在雷达波照射下所产生的回波强度大小，用表示，常用单位为m2或分贝平方米dBsmRCS越大，说明反射越强，越容易被发现4lim42射功率目标处单位面积上的入的入射功率接收天线处单位面积上射功率目标处单位面积上的入散射功率目标处单位立体角内的RR*参考《飞行器隐身技术－雷达散射截面控制》（武哲）284.3隐身对布局设计的影响雷达散射截面的量纲(dBsm）m2dBsm100030100201010100.1-100.01-20log10dBsm294.3隐身对布局设计的影响雷达散射截面曲线图一架飞机的RCS对于不同照射方向，其值不同，通常用头向或全向的均值来衡量计算软件：SEACD入射波长：0.03m（X波段）计算方法：不考虑遮挡的物理光学法T9（330504）Vs.F-16（Demo）304.3隐身对布局设计的影响雷达散射截面和探测距离LRCS(m2)L(km)101005841560.1320.01184~L314.3隐身对布局设计的影响雷达散射截面的实例B-52----150平方米（头向）B-2----0.03平方米（头向）F-16----3平方米（头向）幻影2000----9平方米（头向）F-117----0.02平方米（头向）F-22----0.05平方米（头向）序号名称长度直径横向头向(mm)(mm)RCS(dBsm)RCS(dBsm)1蓝翅蝗虫204-30-402工蜂136-40-453绿头苍蝇93-46-504成年鸭子12磅-12dBsm324.3隐身对布局设计的影响外形隐身设计的基本原则1.消除能形成角反射器的外形布局。如采用翼身融合消除垂直侧面机身与机翼的角反射器，采用倾斜的双立尾来消除垂直立尾与平尾的角反射器334.3隐身对布局设计的影响2.变后向散射为非后向散射3.采用一个部件对另一强散射部件的遮挡措施，如采用背负式进气道，用机身和机翼遮挡进气道344.3隐身对布局设计的影响4.将全机各翼面的棱边都安排在少数几个非重要的照射方向上去（大于正前方40°以外），使雷达波反射尖峰叠在一起以减少强尖峰个数354.3隐身对布局设计的影响5.采取措施消除强散射源：对于进气道，采用进气口斜切及将进气道设计成S弯形；武器尽量内埋，取消外挂364.3隐身对布局设计的影响6.结构细节设计，包括铆钉、台阶等的处理，以及将口盖边缘和缝隙等设计成锯齿形状7.当某些部件不能采用外形隐身措施时，可以利用吸波材料降低回波强度B-2专用恒温机库371.飞机型式选择的主要内容是什么？2.简述飞机鸭式、无尾式和三翼面布局的特点。3.简述飞机外形隐身设计的基本原则。复习题38谢谢！