飞机的设计基本原理

飞机设计基本原理袁昌盛西北工业大学航空学院主要内容1.航空航天基本概念2.飞行器的分类3.飞机的主要组成部分与功用4.飞机的空气动力5.飞机的飞行性能6.飞行的稳定与操纵7.机翼和尾翼8.飞机设计方法与过程航空与航天的概念•航空–大气层内•航天–大气层外特点应用广泛高度综合许多相关学科航空与航天的联系：飞行器到大气层外航行必须穿过大气层；如欲返回，又必须再入大气层垂直方向上特性变化显著（密度、温度、压强、…）10km高度ρ≈1/3ρ0p≈1/4p0100km高度ρ≈4*10-7ρ0p≈3*10-7p0大气层飞行器的分类•航空器轻于空气重于空气•航天器无人航天器载人航天器•火箭和导弹在地球大气层内或大气层外空间飞行的器械，统称飞行器航空器•轻于空气航空器•重于空气航空器航天器•无人航天器人造地球卫星空间探测器•载人航天器载人飞船航天站航天飞机火箭和导弹•火箭以火箭发动机为动力，可在大气层内或大气层外飞行•导弹带战斗部，由制导控制系统控制飞行，可以装备火箭发动机、涡轮喷气发动机或冲压发动机等轻于空气的航空器•气球•飞艇气球ULDB-UltraLongDurationBalloonDuration:upto100days.Load:6,000poundsHeight:~110,000feetconstructedofthin,0.02-millimeterpolyethylenefilm,fillwithhelium飞艇CargoLifterCL-160CL160-DerÜberblickTechnik:halbstarresKiel-LuftschifffürSchwerlast-TransporteAbmessungen:65MeterDurchmesser260MeterLänge82MeterHöheinsgesamtHüllenvolumen:550.000KubikmeterTraggas:HeliumLeergewicht:ca.260TonnenLadevolumen:50Meterx8Meterx8MeterNutzlast:maximal160TonnenTransportgeschwindigkeit:durchschnittlich90StundenkilometerHaupt-Einsatzreichweite:Vor-undNachlauf,kontinentaleMidRangebiszu3.000KilometerLongRangebiszu10.000KilometerZeppelinNTAbmessungenLänge75mMax.Breite19.5mHöhe17.4mHüllenvolumen8.225m³Ballonet-Volumen2.200m³GondelSitzplätze2+12Kabinenvolumen26m³Kabinenlänge10.7mMasseMax.Startgewicht10.690kgZuladung**1.900kgFlugleistungMax.Geschwindigkeit125km/hReichweite900kmMax.Flughöhe***2.600mMax.Flugdauerca.24hZeppelinNT重于空气的航空器•固定翼航空器飞机滑翔机•旋翼航空器直升机旋翼机•扑翼机飞机ThebeginningofthefirstflightDecember17,1903莱特兄弟的第一次飞行滑翔机旋翼航空器扑翼机飞机的分类•民用旅客机，货机（民用运输机），…农用机，运动机，救护机，试验研究机，…•军用歼击机、截击机、强击机、侦察机、轰炸机（重型、中型、轻型，或战术、战略）、歼击轰炸机、其他（反潜、预警、电子干扰、军用运输、空中加油、舰载机、…）Q&A飞机的主要组成部分与功用飞机的各个部件机身驾驶舱发动机机翼水平尾翼垂直尾翼升降舵方向舵副翼襟翼飞机的各个部件飞机各部件的功用•机翼•尾翼•舵面•机身•起落架•动力系统•操纵系统•机载设备—产生升力—稳定和操纵—升降舵、方向舵、副翼、扰流片……—装载、连接其他部件—起降滑跑、地面支撑—产生推力。包括发动机及其附件系统。—操纵飞机。—飞行仪表、通讯、导航、环境控制、生命保障、能源供给等等。Q&A飞机的空气动力飞机的外力作用在飞机上的空气动力•升力—更大的重量•阻力—更小发动机功率问题：如何增大升力、减小阻力迎角相对气流方向与翼弦之间的夹角AngleofAttack(AoA)不同于飞机的姿态升力气流→翼型→上表面流线变密→流管变细下表面平坦→流线变化不大(与远前方流线相比)连续性定理、伯努利定理→翼型的上表面→流管变细→流管截面积减小→气流速度增大→故压强减小翼型的下表面→流管变化不大→压强基本不变上下表面产生了压强差→总空气动力RR的方向向后向上→分力：升力L、阻力D不同迎角对应的压力分布失速通常，机翼的升力与迎角成正比。迎角增加，升力随之增大(图1、图2)。但是，当迎角增大到某一值时，则会出现相反的情况，即迎角增加升力反而急剧下降。这个迎角就称为临界迎角。当机翼迎角超过临界点时，流经上翼面的气流会出现严重分离，形成大量涡流，升力大幅下降，阻力急剧增加。飞机减速并抖动，各操纵面传到杆、舵上的外力变轻，随后飞机下坠，机头下俯，这种现象称为失速。弯度和迎角的作用改变后缘弯度的作用阻力•摩擦阻力•压差阻力•干扰阻力•诱导阻力•激波阻力阻力1：摩擦阻力由空气的粘性造成附面层(层流附面层紊流附面层)层流流动，摩擦阻力小；紊流流动，摩擦阻力大的多-尽量使物体表面的流动保持层流状态附面层阻力2：压差阻力运动着的物体前后所形成的压强差所产生的同物体的迎风面积、形状和在气流中的位置都有很大的关系迎面阻力•摩擦阻力和压差阻力合起来叫做“迎面阻力”一个物体究竟哪种阻力占主要部分，主要取决于物体的形状•流线体，迎面阻力中主要是摩擦阻力•远离流线体的式样，压差阻力占主要部分，摩擦阻力则居次要位置，且总的迎面阻力也较大机翼的三元效应上翼面压强低，下翼面压强高-压差-漩涡-下洗阻力3：诱导阻力翼尖涡使流过机翼的气流向下偏转一个角度（下洗）。升力与气流方向垂直（向后倾斜），产生了向后的分力（阻力）诱导阻力同机翼的平面形状，翼剖面形状，展弦比，特别是同升力有关。伴随升力而产生的阻力4：干扰阻力气流流过翼-身连接处，由于部件形状的关系，形成了一个气流的通道。B处高压区形成气流阻塞，使气流开始分离，产生旋涡，能量消耗和飞机不同部件之间的相对位置有关阻力5：激波阻力属于压差阻力Q&A飞机的飞行性能飞行性能等速直线飞行性能（基本飞行性能）续航性能起飞着陆性能机动飞行性能等速直线飞行性能水平等速直线飞行性能(定直平飞)最大平飞速度最小平飞速度巡航速度最大平飞速度主要限制:推力=阻力不同高度的Vmax等速直线飞行性能最小平飞速度CL=CLmax时，可获得最小平飞速度常用安全/允许升力系数（70~90%CLmax）作为计算vmin的依据。安全SCGv2min主要限制:升力=重力等速直线飞行性能巡航速度耗油最少（每千米耗油量）或最慢（每小时耗油量）对应的速度取决于：飞机的最大升阻比发动机的高度特性、速度特性等速直线飞行性能爬升性能1、定直上升航迹角力平衡T=D+Gsinθθ=arcsin[(T–D)/G]=arcsin(ΔT/G)最大爬升角θmax对应于最大剩余推力ΔTmax2、上升率vy飞行速度v的铅垂分量vy=v*sinθ3、静升限飞机能作定直飞行的最大高度（vy=0所对应的高度）等速直线飞行性能上升率曲线理论升限和实用升限飞机定常飞行的高度-速度范围（飞行包线）续航性能与可用燃料量发动机工作状态飞行高度飞行速度等参数有关指标：航程、航时可用燃料量=总燃料量减去-(1)地面试车、滑行、起飞和着陆所需的燃料；-(2)为保证安全而必须贮备的燃料；-(3)残留在油箱和供油系统中无法用尽的燃料。起飞性能过程：起飞滑跑–加速–抬前轮–继续加速–离地爬升–至安全高度着陆性能过程：下滑-拉平-平飞减速-飘落-着陆滑跑机动飞行性能平飞加速加大油门同时操纵驾驶杆减小迎角平飞减速DTagG减小油门同时操纵驾驶杆加大迎角机动飞行性能盘旋水平面内一定的半径和速度绕空中某一点做圆周、连续改变飞行方向而高度不变的曲线运动定常盘旋飞行速度、迎角、倾角、侧滑角均保持不变正常盘旋不带侧滑的定常盘旋指标：盘旋半径、角速度盘旋俯冲、跃升、筋斗战斗转弯势能动能空间机动Q&A飞行的稳定与操纵飞机的稳定性平衡状态：外力与外力矩之和都为零平衡状态常会因为各种因素的影响而遭到破坏（如燃油消耗、收放起落架、收放襟翼、发动机推力改变或投掷炸弹等）。此时，驾驶员可以通过偏转相应的操纵面来保持飞机的平衡，称为配平。稳定性受扰动后恢复平衡状态的能力欲使处于平衡状态的物体具有稳定性，其必要条件：物体在受到扰动后能够产生稳定力/力矩，使物体具有自动恢复到原来平衡状态的趋势；在恢复过程中同时产生阻尼力/力矩，保证物体最终恢复到原来平衡状态。飞机的纵向稳定重心位置与静稳定性飞机各部分的附加升力飞机的操纵升降舵主要舵面方向舵副翼飞机的操纵•俯仰飞机的操纵•滚转飞机的操纵•偏航Q&A机翼和尾翼翼型(a)薄翼剖面(b)凹凸翼型(c)平凸翼型(d)双凸翼型(e)对称翼型(f)S形翼型(g)超临界翼型(h)菱形翼型(i)双弧形翼型翼型(翼剖面)平行于对称面或垂直于前缘的剖面形状翼型几何参数弦长c(作为基准)相对厚度t最大相对厚度位置xt相对弯度fcxttmaxfl机翼的平面形状•基本类型平直翼后掠/前掠翼三角翼RectangularTaperedRoundedorEllipticalStraightWingSweepbackWingSlightSweepbackModerateSweepbackGreatSweepbackForwardComplexDeltaWingSimpleSwing-wing机翼的平面形状机翼的几何特性•机翼面积翼展展弦比梯形比后掠角Λ0.25Λ0Λ1.0bc1c0机翼的几何参数机翼的几何特性机翼面积S翼展l--机翼左右翼尖之间的长度。翼弦b--翼弦是指机翼沿机身方向的弦长。平均几何弦长bav＝（b0＋b1）/2[b0-翼根、b1-翼尖]或bav=S/l展弦比λ--翼展l和平均几何弦长bav的比值。λ＝l/bav或λ＝l2/S后掠角--机翼与机身轴线的垂线之间的夹角。前缘后掠角--机翼前缘与机身轴线的垂线之间的夹角，一般用χ0表示后缘后掠角--机翼后缘与机身轴线的垂线之间的夹角，一般用χ1表示1/4弦线后掠角--机翼1/4弦线与机身轴线的垂线之间的夹角，一般用χ0.25表示。前掠角--如果飞机的机翼向前掠，则后掠角就为负值,变成了前掠角。根梢比η--翼根弦长b0与翼尖弦长b1的比值，η＝b0/b1。除此之外，机翼在安装时还可能带有上反角或者下反角(前视)机翼的前视形状•上反角与下反角椭圆翼SpitFireLa-5FN三面图平直翼三座小客机阿克-1（АК-1）梯形翼后掠翼三角翼双三角翼上反角上反角下反角下反角尾翼的组成•水平尾翼(平尾)•垂直尾翼(垂尾或立尾)•舵面+安定面——低速•全动尾翼——超音速背鳍和腹鳍•改善方向稳定的特性尾翼的型式(a)常规尾翼(b)双垂尾式(c)双机身(双尾撑)上的双垂尾(d)宽机身上的双垂尾(e)“T”字型尾翼(f)“＋”字型尾翼(g)“V”型尾翼(h)无(平)尾式(i)鸭翼（a）（b）（c）（g）（i）（h）（f）（e）（d）Q&A飞机设计方法与过程飞机研制的一般过程1.拟定设计要求2.概念设计3.初步设计4.详细设计5.原型机试制6.试飞7.成批生产8.使用和改进改型拟定设计要求•从本质上讲，飞机是一种载具（附属性）。飞机设计要求的研究和制定影响到它的装备和使用•大型飞机从设计要求的制定到开始使用一般都需要10年以上的时间，要预计10年后的政治、经济、技术环境•军