飞行器总体设计课件(二)

第2章飞机型式的选择与初始参数的确定飞机总体设计框架图2.1飞机型式的选择2.1.1概述所谓飞机型式，是指飞机几何外形的主要特征及各种装载布置方案的统称。而飞机外形主要特征大致是指飞机各部件(机翼、机身、尾翼、动力装置、起落架等)的数目、外形和相对位置的统称。一些可能的飞机型式如下：图不同类型飞机的布局型式是不同的：超音速战斗机一般采用中等后掠角(50º左右)、小展弦比(2~4)薄机翼(相对厚度3~5%)的正常式、鸭式或三翼面布局型式；为了减小超音速波阻，提高亚音速机动和隐身能力，现在大都采用翼身融合的型式。图正常式布局鸭式布局三翼面布局无尾式布局鸭式加前掠翼气动布局中、远程轰炸机要有一定的超音速突防能力，一般采用变后掠机翼。图对于强调隐身突防能力的轰炸机，外形基本按照隐身要求设计，但不能超音速飞行，如F-117A、B-2等。图变后掠翼后掠翼飞翼式布局后掠翼加V型尾翼布局鸭式布局前掠翼布局(Ju-287)强击机要求具有很好的低空低速机动性能、很大的载弹量和很强的生存力。一般采用大展弦比直机翼、双发布局亚音速运输机和旅客机，一般采用大展弦比(8~10)、小后掠角(35º左右)，用超临界翼型的机翼，以获得在大巡航马赫数时的高升阻比。图通用航空飞机——乘员在10人以下的亚音速小飞机，力求便宜好用，通常采用无尖削比的平直机翼，展弦比在6以上，正常式布局型式。图正常式布局、发动机翼吊正常式布局、发动机尾吊选择飞机型式，主要要决定下列内容：(1)机翼外形和机翼与机身的相对位置(2)尾翼外形及其与机翼、机身的相对位置(3)机身形状(4)发动机及进气道的数目及安装形式(5)起落架及其收放型式及位置等选择飞机型式，应根据飞机设计要求，从气动、强度、工艺、使用维护、重量等方面进行综合分析考虑，选择理想、恰当的飞机型式。同样的设计要求，会有多种不同的飞机型式。飞机型式的优劣，是不能以简单的解析式或数字来表达的。例1例2火神B-47相同类型、级别和性能的飞机可以具有完全不同的布局形式飞机总体设计的任务，就是给出能够满足飞机设计要求的最佳方案。这是一个渐进的过程，飞机型式的选择是这个过程的第一步。飞机的基本型式大致可分为正常式、无(平)尾式、鸭式和三翼面等。2.1.2机翼的平面形状及在机身上的安排I.机翼平面形状的选择现代飞机机翼基本的平面形状主要有：直机翼、后掠翼和三角翼等。机翼平面形状对飞行性能有较大的影响，应根据飞机设计要求综合分析比较进行选择，重点是考虑不同平面形状对机翼气动特性的影响。CD0~M曲线CL~α曲线(1)直机翼低速飞机一般采用大展弦比的矩形翼和梯形翼。这种机翼的特点是：低速性能良好、诱导阻力小、升阻比大。此外，低速翼型一般相对厚度大，对结构布置、刚度、强度、重量等特性有利。美国的超音速战斗机F-104采用小展弦比的梯形直机翼。采用小展弦比直机翼的超音速飞机小展弦比直机翼与三角翼和后掠翼相比，当M数较大时，其零升阻力系数CD0较小，升阻比较大；其刚度、强度及重量特性介于三角翼和后掠翼之间。单纯的小展弦比直机翼的缺点是跨音速气动特性较差，焦点变化剧烈，因此在超音速飞机上较少采用。(2)后掠翼对亚音速飞机而言，后掠翼能有效提高临界马赫数，延缓局部激波的产生，避免过早出现波阻。对超音速飞机而言，后掠翼可改善其跨音速气动性能：后掠翼的CD0~M变化较缓，升力线斜率虽然小于直机翼但比三角翼大。后掠翼的主要缺点表现在：大后掠角和大梯形比的条件下，大迎角时翼尖先失速，使飞机的操稳特性变坏(这一问题可通过几何/气动扭转、加翼刀及机翼前缘缺口等方法来改善)。后掠角越大，对结构布置、刚度、强度、重量等特性影响越不利(这一问题可以通过加大翼根弦长来改善)大后掠机翼的高速特性较好，小后掠角机翼的低速特性较好。要兼顾高速和低速性能，可采用变后掠机翼。变后掠机翼设计难点之一是飞机的平衡问题：当增大后掠角时，气动中心后移，重心也后移，但前者移动量大，飞机会出现低头现象，需要通过调整燃油来调整重心位置或者增加平尾向下的载荷(同时增加了配平阻力)来克服。变后掠机翼设计的另一个难点是由于转轴机构及其集中传力而带来的机翼结构复杂和机翼重量的增加(机翼大致增重20%以上)以及由此引起的全机重量的增加。此外，变后掠机翼难于满足大迎角机动性能及隐身能力等要求，因此在新一代战斗机的设计中已经不再采用。机翼后掠不仅仅是为了降低波阻，在低速飞机上还被用于配平、改善飞机纵向和横航向安定性与后掠翼相比，前掠翼从根本上克服了翼尖先失速的缺点x-29、s-37。但前掠翼(以及斜机翼)存在气动弹性发散(弯扭耦合)问题，需要通过各向异性材料来解决。(3)三角翼三角翼具有小展弦比和大后掠角两方面的特点，其跨音速和超音速气动特性良好，焦点变化平稳；由于根弦较长，在翼型相对厚度相同的情况下，可以得到较大的结构高度，故其气动、刚度、强度、重量等特性均较好，因而被超音速飞机广泛采用。三角翼的缺点是升力线斜率较小，低速时需要大迎角才能产生足够的升力。改善三角翼的低速特性可采取一些专门措施，如Jas-39、Saab-37、J-10的近距耦合鸭式布局，“协和”/图-144在起降时机头下折，有的飞机将前起落架做成可伸缩的等，但要付出重量代价。Tu-144协和•可伸缩的前起落架•带有前缘缝翼•前缘有扰流片，可延迟机翼失速此外，大迎角时，三角翼会产生强烈的气流下洗，造成尾翼困难。如果尾翼处于机翼强烈的下洗流中时，会使飞机的操稳特性难于保证。因此，不少三角翼飞机采用无(平)尾式或鸭式布局。而只有那些后掠角较小的三角翼飞机才采用有平尾的正常式布局。三角形机翼，以其基本的形状采用的较多，区别仅仅是前缘后掠角的大小。但是也有一些飞机，由于气动特性和结构安排的需要，采用了改进了平面形状的三角翼，如双三角翼(Saab-35/37)、S形前缘的狭长三角翼(“协和”超音速客机)、前边带有边条翼的三角翼(SR-71)等。歼-7EMig-21Saab-35龙(4)边条翼加中等后掠角的后掠翼优点：•边条翼可以减小波阻，因此机翼后掠角可以减小，改善了亚音速性能，解决了高、低速性能要求的矛盾•边条翼可以产生很大的涡升力，有助于改善机动性，并且实现大攻角飞行缺点：•边条翼有可能导致无法配平的上扬•边条涡可能非对称破裂，导致滚转、偏航•边条涡破裂后可能导致垂尾振动，导致结构疲劳、破坏II.机翼在机身上的安装位置机翼在机身上的上下位置，通常有3种(单翼)型式：上单翼、中单翼和下单翼。究竟选择那一种型式，需要从气动干扰、平尾的配置、起落架的安装、机身容积的利用、发动机的安装以及对结构重量的影响等方面进行分析比较，同时还要考虑对整机性能的影响。机翼与机身之间的气动干扰问题，是在选型时首先要考虑的问题。三种型式中，中单翼的气动干扰阻力最小；下单翼的气动干扰阻力最大，但在机翼-机身结合部位进行整流后，可使其干扰阻力明显下降；超音速时情况较复杂，但中单翼有利于翼-身融合，并有利于采用能降低波阻的面积律。选择机翼的上下位置时，必须考虑机翼对正常式布局飞机的平尾的气动干扰，鸭式布局时需注意与鸭翼之间的相互影响。这些问题比较复杂，一般只能通过风洞试验确定。初始布局时，通常的做法是尽量将机翼与平尾位置错开。上单翼、中单翼和下单翼的优缺点的比较见下表：上单翼中单翼下单翼翼-身干扰阻力中小大结构布置难易/重量易/轻难/重较易/较轻机身容积利用率/机身高度好/低差/适中较好/高中央翼盒能否贯穿机身可以不可以可以翼吊发动机寿命/维修性长/难较长/较易短/易机翼上安装起落架难/重较易/较轻易/轻对操稳特性影响相当于机翼上反相当于机翼下反概括地讲，大型旅客机以下单翼型式居多；重型军用运输机一般多采用上单翼型式；战斗机一般情况下采用中单翼型式的较多。机翼在机身上的前后位置，决定了飞机的纵向操稳特性，通常要到重心定位阶段才能确定。2.1.3尾翼的位置I.水平尾翼的前后位置飞机的气动特性取决于各承力翼面的相对位置以及相对尺寸和形状，其中机翼是产生升力的主承力翼面，前翼、平尾等是辅助承力翼面。平尾(或辅助翼面)与机翼的前后相对位置是代表不同飞机型式的显著的标志。根据平尾(或辅助翼面)与机翼的前后位置关系，可以将飞机型式分为4种：正常式：水平尾翼位于机翼之后鸭式：水平前翼/鸭翼位于机翼之前无尾式：没有水平尾翼三翼面布局：机翼之前有水平前翼，机翼之后有水平尾翼不论采用何种型式，都要求飞机能进行有效的操纵和改变飞行状态，并在新的飞行状态下能保持平衡和稳定飞行。(1)正常式①配平能力强：平尾升力可上可下。②为保证纵向静稳定性，全机焦点应落在全机重心之后。③为保证纵向静操纵性，机翼安装角应大于平尾安装角，即机翼迎角应大于平尾迎角，也即要求机翼先失速，尾翼后失速。④从亚音速到超音速，焦点后移量大，操纵困难。⑤机翼的下洗对平尾有不利的影响，布置不当配平阻力较大。(2)鸭式①两种形式：远距耦合的操纵鸭翼和近距耦合的升力鸭翼JAS39，EF2000，“阵风”，J-10。②能够同时满足高速飞行中对飞机外形的低阻特性和起降过程中的高升力特性。③从亚音速到超音速，全机焦点移动量小甚至可以基本不变，对操稳特性有利，比较适合以跨音速飞行为主的飞机。④鸭翼宜先失速(保证纵向稳定性)，即鸭翼迎角应大于机翼迎角。⑤鸭翼的下洗对机翼的影响必须考虑。亚音速飞行时，鸭翼下洗所引起的机翼升力增量(方向向下)与鸭翼的升力大致相当。近距耦合鸭式布局可明显改善起降性能，对飞行性能的提高也是有利的。(3)无尾式①浸湿面积小，阻力小，结构重量轻，比较适合于以超音速飞行为主的飞机。②纵向配平和操纵均靠升降副翼，升降副翼既是横向操纵面又是纵向操纵面。为使布置在机翼后缘的升降副翼获得尽可能大的纵向操纵力臂，同时为了为保证焦点一般采用小展弦、大后掠三角翼加边条的形式。③由于大后掠三角翼的升力线斜率小，无尾式飞机的起降性能不易保证。(4)三翼面布局①在正常式布局的基础上加上水平前翼苏-35，综合了正常式和鸭式布局的优点，操纵和配平特性好。②气动载荷分配合理，机翼载荷小且结构重量轻。③水平前翼和机翼前/后缘襟翼、平尾配合，有利于改善飞机的大迎角特性。④增加水平前翼使飞机零升阻力和重量均有增加。II.水平尾翼的高低位置平尾安装在机身上时，分为3种情况：上平尾、中平尾和下平尾(类似于机翼与机身的相对位置关系)。图平尾安装在垂尾上时，分为2种情况：高置平尾(十字形)和T尾。选择平尾的高低位置，主要考虑的问题是机翼和尾翼之间的气动干扰和结构布置的难易程度。(1)平尾应避开机翼尾涡的不利干扰。一般来说，机翼尾涡随迎角增大而增强，因而将平尾布置在机翼弦平面上下不超过5%平均气动弦长的位置，有可能满足大迎角时的纵向操稳要求，因而现代飞机采用下平尾和中平尾的型式居多。(2)高置平尾由于存在4个直角，阻力较大，同时垂尾重量也较大。(3)T尾的优点是平尾速度阻滞系数大，效率高；同时平尾相当于垂尾的端板，也使垂尾的效率提高。这种形式的主要缺点是垂尾的结构重量较大，而且只对于平直或者小后掠的垂尾才有可能。(4)平尾安装在机身上有利于减轻结构重量，下平尾和上平尾在机身上的安装和主承力构件的布置较易，重量较轻；中平尾的结构重量较重(类似于机翼与机身的上下位置关系)。III.垂直尾翼的位置(1)垂直尾翼一般安装在机身尾部，通常由固定在机身上的垂直安定面和可动的操纵面方向舵组成，只有极个别飞机采用全动垂尾(SR-71)。(2)大多数飞机采用单垂尾的型式，许多高速飞机通过在机身腹部和背部加装腹鳍和背鳍来起到增加垂尾面积的作用。(3)双垂尾的压心较低，可以减小由侧力引起的机身扭矩；但双垂尾需较大的机身宽度，比较适合于高机动性的飞机；同时，双垂尾有时还可以起到降低飞机雷达反射截面积(RCS)的目的(通过垂尾向内或向外倾斜一定角度的方式)。(4)其他尾翼布置2.1.4发动机数目、安装型式及进气道布置I.发动机数目及安装型式发动机数目取决于发动机推力和飞机所需的推力。单发：操纵简单，附加设备重量轻，成本低；喷气发动机一般安装在机身尾段，螺旋桨发动机一般安装在头部。双/多