第09讲：机翼平面形状设计

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？航空宇航学院机翼的设计•翼型的选择与设计•机翼平面形状设计•机翼安装角和上反角的确定•关于边条翼、翼梢形状和YehudiFlap•增升装置的设计•副翼的设计•设计举例航空宇航学院机翼平面形状设计•描述机翼平面形状的几何参数•机翼平面形状设计时所考虑的因素•几何参数对气动特性和结构重量的影响•机翼平面形状的几何参数的确定航空宇航学院描述机翼平面形状的几何参数•机翼面积:SL/2•展弦比:Sl/2•后掠角:前缘4/1•根梢比:尖根cc•平均气动弦长平均气动弦长是把给定机翼展向各面的气动力矩特性加以平均而计算出来的等面积矩形相当机翼的弦长，该矩形翼的力矩特性各不变，该矩形翼的力矩特性与给定的力矩特性相同。航空宇航学院4/1,,,S如果给定：则：Sl)]1(/[21lSc根根尖cc1)1(1322根ccA)]1(/[)1(114/1tgtg前缘•几何参数之间的关系航空宇航学院•平均气动力弦长cA2/022lAdzcSc2/02lAxcdzSx2/02lAycdzSy•对于梯形机翼:)1(13220ccA1231尖xxA1231尖yyA•求平均气动力弦长的几何作图法航空宇航学院机翼平面形状设计时所考虑的因素•气动特性•结构重量•内部容积–燃油箱布置–起落架布置航空宇航学院几何参数对气动特性和结构重量影响•展弦比1）对气动阻力的影响对低速飞机，增大，诱导阻力减小；对高速飞机，增大，波阻增大；2）对升力线斜率的影响增大，升力线斜率增大。不同展弦比机翼的MCx~不同展弦比机翼的~yC航空宇航学院3）对失速攻角和失速速度的影响：▲增大，失速攻角减小。▲减小，可防止大攻角时翼尖失速。4）对稳定性和操纵性影响：▲减小，减小从亚音速到超音速过程中气动焦点的移动量；▲减小，降低了飞机横滚阻尼特性5）对结构重量的影响：▲增大，机翼根部弯矩增大，导致结构重量增加；▲减小，机翼根部弦长增大，结构高度增加，有利于承力构件布置；6）对内部容积的影响：▲减小，有利于起落架布置；▲减小，可增加燃油容积。航空宇航学院6）展弦比统计值亚声速飞机：69，最大可达10超声速飞机：35，最小可至2飞机名称乘客（人）机翼展长（米）机翼面积（米2）展弦比阿夫罗RJ70（英）70~8526.377.38.95CRJ700ER（加）66~7823.368.77.90ERJ170LR（巴）7026.072.89.29728JET（美）70~8526.675.09.43福克70（荷）70~7928.793.58.69航空宇航学院•根梢比1）对气动诱导阻力的影响▲根据Prandtl机翼理论，当升力分布为椭圆形时，诱导阻力最小；▲若机翼没有扭转和后掠，则机翼平面形状为椭圆形时，升力分布为椭圆形，诱导阻力最小；▲当=2.2时，升力分布接近椭圆形，故许多低速飞机为2.2左右。2）对结构重量的影响▲增加，可减轻机翼结构重量3）对内部容积的影响▲增加，有利于布置起落架4）对于高速飞机▲=35，主要是从结构重量考虑航空宇航学院•后掠角1）对气动特性的影响▲增大，可以提高临M界数，延缓激波的产生；▲增大，波阻降低；▲增大，升力线斜率降低；cos)(0LLCC▲增大，最大升力系数降低；▲增大，机翼升阻比K降低；航空宇航学院2）对结构重量的影响▲增大，机翼结构重量增加。3）对内部容积的影响▲过大，不有利于布置起落架。4）如何选定后掠角▲对于亚声速飞机：=0或15o(用于调整重心）▲对于高亚声速飞机：=2540；可以提高临M界数，延缓激波的产生对于战斗机：cos1机翼W航空宇航学院▲对于超声速飞机：A.采用亚声速前缘当M=1.21.8时；相应的=4060航空宇航学院B.采用超声速前缘（当M2时）F-15：前缘=45米格-25：前缘=40原因在于：过大，机翼结构重量太大。的统计值航空宇航学院•为何要变后掠飞机1）大后掠角飞机低速飞行时：▲升力线斜率小；▲最大升力系数小；▲翼尖气流易分离。2）小后掠角飞机高速时▲零升阻力太大3）解决方案：变后掠！F-111第一架变后掠飞机起飞时：前缘=16º亚音速巡航飞行时：前缘=26º超音速飞行时：前缘=72.5º航空宇航学院机翼边条（边条翼）•什么是边条翼？在中等后掠翼（后掠角3040左右）根部前缘，加上一后掠角很大（7080）的细长前缘所形成的复合机翼。原后掠翼称为基本翼，附加的细长前缘称为边条。航空宇航学院•为什么需要边条翼？1）边条前缘产生强的脱体涡，可以直接产生涡升力；2）边条脱体涡对机翼流场的有利干扰会推迟机翼表面的气流分离。3）边条机翼的布局特别适于改进飞机大迎角气动性能，与近距鸭翼有相似的对机翼有利干扰作用。航空宇航学院•边条翼的应用F-16航空宇航学院F-18航空宇航学院米格-29航空宇航学院苏-27航空宇航学院机翼安装角的确定•机翼安装角的定义：机翼根弦与机身轴线之间的夹角•安装角对飞机气动特性和性能的影响：-对巡航时阻力有影响；-对起飞滑跑距离有影响；•如何确定安装角（iw)wLDesLiCC,•统计值喷气客机：1º~5.3º战斗机：-1º~3.6º（CL，Des：巡航时所需的升力系数）航空宇航学院机翼扭转角的确定•定义-几何扭转：1）负扭转—从翼根至翼尖，iw逐渐减小。2）正扭转—从翼根至翼尖，iw逐渐增大。-气动扭转：翼根与翼尖的翼型不同。•对气动特性的影响-负扭转或气动扭转可延缓翼梢气流失速；-可改变升力分布。•如何确定扭转角-根据目标升力分布；-负扭转角的范围：0º~5º航空宇航学院机翼上反角的确定•定义-机翼基准面与飞机对称面的垂线之间的夹角。•对气动特性和布局的影响-对侧向稳定性和荷兰滚稳定性有影响；-外挂与地面之间的距离（Geometricgroundclearance)•如何确定上反角-在概念设计阶段，主要依据统计值航空宇航学院飞机类型机翼位置下单翼中单翼上单翼直机翼5º~7º2º~4º0º~2º亚声速后掠翼3º~7º-2º~2º-5º~2º超声速后掠翼0º~5º-5º~0º-5º~0º上反角的统计值由于上单翼会增加侧向稳定性，故上反角较小；机翼后掠翼会增加侧向稳定性，故上反角较小。航空宇航学院翼梢形状的设计•翼梢形状会影响翼梢处的气流旋涡效应航空宇航学院•各种各样的翼梢形状航空宇航学院•翼梢小翼的应用：双发喷气式公务机航空宇航学院•翼梢小翼的应用：A-330航空宇航学院•采用翼梢小翼的效果对翼梢处的旋涡进行遮挡翼梢小翼设计成有弯度，翼梢涡在小翼产生升力，这个升力方向向前，可减小总阻力。Y7-100，MD-82等许多飞机均应用了翼梢小翼。阻力巡航状态，减小3.1%重量巡航时重量，增加0.5%航程增加117海里，增加3.3%燃油可减少24605升翼尖小翼实验验证结果（Starship-3)航空宇航学院•切翼的应用：Y-12航空宇航学院YehudeFlap•增加根部弦长，便于起落架的布置•可降低根部弦剖面升力系数，便于气动设计波音757—200三面图航空宇航学院波音767-200三面图