第07讲：机身外形的设计

航空宇航学院机身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•设计机身所考虑的主要因素•机身外形的主要参数•机身参数对气动和结构的影响•机身外形主要参数的初步确定•机身外形的初步设计要点•面积律•机身外形初步设计的步骤•举例航空宇航学院设计机身所考虑的主要因素•装载要求：有足够大的内部容积•气动要求：气动阻力小•结构要求：有利于结构布置航空宇航学院机身外形的主要参数•描述方法之一：-总长度：L身-最大横截面积S：身-机身长径比：λ身=L身/d身max,4身身Sdd身是S身的当量直径：-头部长径比：λ头=L头/d头-尾部长径比：λ尾=L尾/d尾航空宇航学院描述方法之二：-最大直径：df-总长度lf-lfc,θfc航空宇航学院机身参数对气动和结构特性的影响•机身长径比λ身对阻力的影响1）机身的压差阻力和波阻，随增大而降低。2）摩擦阻力随有可能增加。航空宇航学院整个机身的阻力系数与M数有关：M=0.6时，=3.5最有利M=0.9时，=6.5最有利对应一定M数，存在一个最有利的长径比•θfc的影响1）θfc变大：摩擦阻力小，型阻增大，尾翼面积会增加；2）θfc变小：摩擦阻力增大，型阻小，尾翼面积减小；3）θfc的大小与着陆时着地角有关航空宇航学院机身外形参数的初步确定•机身长径比λ的选择（参考统计数据）长径比低速M0.7高亚音速M（0.8-0.9）超音速λ身6-98-1310-20λ头1.2-2.01.7-2.54-6λ尾2-33-45-7航空宇航学院•df/lf，lfc,θfc的选择机型lf/dflfc/dfθfc(deg)单发螺旋浆5-83-43-9双发螺旋浆3.6-82.6-46-13战斗机7-113-50-8喷气旅客机喷气公务机6.8-11.57–9.51.8–42.5-511–166-11航空宇航学院•最大横截面积S身的确定原则：按照机身内部装载要求，由里向外方式确定S身对于战斗机：h5cm小型民用机:h3.8cm喷气旅客机:h0.02df+2.54（cm)h航空宇航学院机身外形的初步设计•控制截面的确定-按内部装载的要求定出各个横截面-截面形状尽量设计成圆形表面面积小，有利于减少摩擦阻力；对于气密舱，有利于承受内压；-不能采用圆形时，由圆弧组成-低速轻型飞机，主要考虑装载要求，常采用非圆形截面。航空宇航学院战斗机大型客机•客舱的高度应该不小于1.9米，但也不能大于2.5米。航空宇航学院各种非圆形机身截面形状航空宇航学院公务机由多段圆弧构成的截面航空宇航学院超大型客机的截面形状航空宇航学院A380的机身截面形状航空宇航学院客舱的等级航空宇航学院座椅的尺寸参见第9章航空宇航学院座椅的纵向布置参见第9章航空宇航学院•客舱的座位安排：与长径比协调航空宇航学院•側视图外形的设计亚音速：流线型，最大横截面在1/3处高亚音速：层流机身，最大横截面在45%处超音速：指数曲线系列或抛物线系列•机尾外形的设计θfc通常11~16°左右（喷气客机）lfc/df通常为1.8~4航空宇航学院•机头外形的设计-驾驶员视角大于15度。-考虑临界M的要求航空宇航学院航空宇航学院面积律•面积律是研究飞机机体横截面积的分布规律与波阻之间相互关系的理论•为使飞机在跨音速范围内的阻力最小，飞机各个部件组合在一起的横截面积的分布图形，应该相当于一个最小阻力的当量旋成体图形。航空宇航学院（1）不考虑面积律要求（2）考虑面积律要求（a）机翼－机身组合体（b）当量旋成体（c）横截面积分布航空宇航学院•按面积律的要求对飞机进行修形：-将机身中段收缩成蜂腰形-将平尾、垂尾及发动机短舱等部件的纵向位置错开•应用例子-美国F102和B-58-我国Q-5型强击机和J-12歼击机航空宇航学院美国B-58飞机横截面积分布图1－机身；2－机翼；3－内侧发动机短舱；4－挂架；5－外侧发动机短舱；6－挂架；7－整流包皮；8－尾翼。航空宇航学院按面积律要求修形的效果注：当＞1.5以后，效果就不显著航空宇航学院机身外形初步设计的步骤•回顾设计要求的有效载荷，列出有效载荷项目（如旅客人数等）；•根据所选的内部座位和装载要求，确定最大当量直径df和横截面形状，以及控制截面形状；•考虑结构高度要求，将df和横截面形状适当放大。•参考同类飞机，选定长径比λ身，λ头，λ尾或lf/df，lfc/df，θfc；•根据λ身和df确定机身长度或根据装载要求根据机身长度；•画出机身外形草图。航空宇航学院DC-9系列飞机航空宇航学院MD-82飞机航空宇航学院MD-82飞机商载空重比表1全机总长、商载和空重数据表2商载空重比航空宇航学院MD-82改型和DC-9-50改型收益的比较表3MD-82和DC-9-50改型收益比较航空宇航学院加长机身的影响1.拉长机身，恶化了大迎角状态下的纵向力矩特性2.机身的加长使机身纵向刚度降低3.加长机身增加了飞机纵向和侧向惯量矩航空宇航学院机身头部和尾段设计1.影响机身头部阻力主要是头部形状和长细比航空宇航学院机身头部和尾段设计2.机身尾段外形对阻力的影响航空宇航学院机身头部和尾段设计A300B机身尾部外形试验方案上掠角与机身阻力系数增量曲线图