第四节课：飞机的布局与飞行器发展

1、航航 空空 概概 论（四）论（四）飞机的布局与飞行器发展飞机的布局与飞行器发展 郭郭 庆庆 莱特兄弟首次成功动力飞行莱特兄弟首次成功动力飞行1903年12月14日至17日美国人莱特兄弟设计制造的飞机首次实现了人类历史上的动力飞行。这架飞机的翼展为这架飞机的翼展为13.213.2米，着陆装置为滑橇式。最好的一米，着陆装置为滑橇式。最好的一次飞行次飞行260260米，留空米，留空5959秒。秒。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

2、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。 机 翼 机 翼机翼的功用 机翼是飞机的重要部件之一，安装在机身上。其最主要作用是产生升力，同时也可以在机翼内布置油箱和弹药仓，在飞行中可以收藏起落架。另外，在机翼上还安装有改善起飞和着陆性能的襟翼和用于飞机横向操纵的副翼，有的还在机翼前缘装有缝翼等增加升力的装置。 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实例摘自“Understanding

3、Flight”,(David F. Anderson, Scott Eberhardt)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RectangularTaperedRounded or EllipticalStraight WingSweepback WingSlight SweepbackModerate SweepbackGreat SweepbackForwardComplexDelta WingSimpleSwing-wing机翼的平面形状 机翼的几何参数机翼的几何特性q机翼

4、面积机翼面积S Sq翼展翼展l l -机翼左右翼尖之间的长度。q翼弦翼弦b b -翼弦是指机翼沿机身方向的弦长。q平均几何弦长平均几何弦长 b bavav（b0b1）/2 b0-翼根、 b1-翼尖或bav=S/lq展弦比展弦比 -翼展l和平均几何弦长bav的比值。l/bav 或 l2/Sq后掠角后掠角 -机翼与机身轴线的垂线之间的夹角。q前缘后掠角前缘后掠角 -机翼前缘与机身轴线的垂线之间的夹角，一般用0表示q后缘后掠角后缘后掠角 -机翼后缘与机身轴线的垂线之间的夹角，一般用1表示q1/41/4弦线后掠角弦线后掠角 -机翼1/4弦线与机身轴线的垂线之间的夹角，一般用0.25表示。q前掠角前掠角

5、 -如果飞机的机翼向前掠，则后掠角就为负值,变成了前掠角。q根梢比根梢比 -翼根弦长b0与翼尖弦长b1的比值，b0/b1。机翼的平面形状分类 机翼按平面形状大致可以分为：椭圆翼、平直翼、梯形翼、后掠翼、前掠翼、三角翼（双三角翼）等。 椭圆翼：平直翼三座小客机阿克-1（-1）平直翼：适合于低速飞行。目前的高速飞机很少采用平直机翼。 英国 “防御者”小型预警机 梯形翼后掠翼后掠翼：四分之一弦线处后掠角大于25度的机翼叫做后掠翼。由于这种机翼前缘后掠，因此可以延缓激波的生成，适合于高亚音速飞行。目前许多战斗机和大部分的民用飞机都采用后掠翼。 如F14“雄猫”战斗机为了兼顾高速和低速情况下的机动性，还

6、采用了后掠角可变的变后掠翼技术。 F14“雄猫”战斗机的变后掠翼技术。 低速机翼低速机翼超音速机翼超音速机翼亚音速机翼亚音速机翼 前掠翼：前掠翼与后掠翼刚好相反，其机翼是向前掠的。目前采用前掠翼的飞机较少，只有一些高机动性战斗机上（如俄罗斯的S37“金雕”）三角翼双三角翼除此之外，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 上反角布局下反角布局机 身 机 身机身的功用机身的主要功用是：装载人员、货物、燃油、各 种装备和设备等；把机翼、尾翼、起落架连接 成为一个整体。 按照机身的功用，首先在使用方面，应要求它具有尽可能大的空间，使它的单位体积利用率最高，以便能装

7、载更多的人和物资，同时连接必须安全可靠。应有良好的通风加温和隔音设备；视界必须广阔，以利于飞机的起飞和降落。机身的功用 其次在气动方面，它的迎风面积应减小到最小，表面应光滑，减小阻力。 另外，在保证有足够的强度、刚度和抗疲劳的能力情况下，应使它的重量最轻。对于具有气密座舱的机身，抗疲劳的能力尤为重要。 机身的形式 飞机机身的型式一般有机身型、船身型和短舱型，机身型是陆上飞机的机体，水上飞机机体一般采用船身型，至于短舱型则是没有尾翼的机体，它包括双机身和双尾撑。机身型飞机（陆上飞机）机身型飞机（陆上飞机）双机身双机身机身的形式水上飞机水上飞机机身的外形 机身的外形和发动机的类型、数目及安装位置有

8、关。例如活塞发动机螺旋桨式飞机的机身，就与喷气式发动机飞机的机身有所不同。 从机身外形来看，侧面形状一般为拉长的流线体。现代飞机的侧面形状受到驾驶舱的很大影响。有的驾驶舱平滑地露于气流之中，有的则埋藏在机身之内，前者多用于中小型飞机，后者多用于大型飞机。 机身的外形小型战斗机驾驶舱暴露于气流中机身的外形大型运输机驾驶舱埋于机体中大型运输机驾驶舱埋于机体中机身的外形 现代超音速战斗机根据跨音速飞行的阻力特点，它的机头往往做得很尖，使用激波杆，远远地伸出在迎面气流之中。这也有助于削弱激波的强度，减小波阻； 另外随着速度的不断增长，飞机机身的“长细比”不断增大，即用细而长的旋转体作机身。现代超音速飞

9、机机身的长细比已超过10。 而且随着速度的提高，飞机机身相对于机翼尺寸也越来越大。机身的外形 还有些超音速飞机为了减小阻力，尽量将驾驶舱埋藏于机身外形轮廓线之内。这样就使得飞机在着陆时座舱视界大大恶化。为了改善这种情况，就将机头做成活动的，着陆时可以下垂。例如“协和”号超音速旅客机机头就可下垂17.5度。其机头可有三种状态。超音速飞行时，机头呈流线形；亚音速飞行时，档整流罩放下，以扩大驾驶员的视界；进场和着陆时则全部下垂，驾驶员视界就更扩大了。 机身的外形 机身剖面形状：低速飞机可用方形，而具有气密座舱的高亚音速大型客机多用圆形或椭圆形。喷气式战斗机一般采用不规则的形状。 隐身战斗机所使用的机

10、翼和机身融为一体的翼身融合体； 除去机身和尾翼的飞翼； 除去机翼的升力体机身； 以汽车作为机身的汽车飞机等等。 机身的外形 罕见机身外形 尾 翼 尾 翼尾翼的组成 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 超音速水平尾翼的功用 水平尾翼的功用：保持飞机在飞行中的稳定，操纵飞机抬头或低头运动。 垂直尾翼的功用 是用来保持飞机在飞行中的稳定性和控制飞机的飞行姿态。不同的是垂直尾翼是使飞机在左右（偏航）方向具有一定的静稳定性，并控制飞机在左右（偏航）方向的运动。6、尾翼的布置 尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼，是飞机纵向和侧向上的平衡、稳定及操纵机构。 尾翼设计的成败，直

11、接关系到飞机的稳定性和操纵性，同时在一定程度上影响飞机的飞行性能，如速度、升限等，所以尾翼是根据飞机的操纵 、稳定性要求进行设计的。46尾翼的布置后置尾翼变化情况47尾翼的布置 常规型尾翼通常可在重量最轻的情况，提供足够的稳定性和操纵性 T型比常规型重得多，因为尾翼必须加强，以支撑平尾 由于存在端板效应，T型的垂尾可以较小 T型把平尾抬高，避开了机翼尾流和螺旋桨滑流，使其效率提高，从而减小平尾尺寸 T型减小了平尾颤振，从而减轻了结构和飞行员的疲劳 十字型是介于上述二者之间的这种方案：既避免喷流对平尾或方向舵的干扰，又减小重量代价；但无法利用端板效应来减小尾翼的面积48尾翼的布置 双立尾可以把方

12、向舵设置得离开飞机中心线，通常比具有同等面积的单垂尾重，但往往更有效，也直接减少了所需的高度 在大迎角下，双立尾可能被机翼或前机身挡住 双立尾外倾对隐身有较大好处，一般外倾角在1525之间 V型尾翼是为了减小浸湿面积，与常规平尾和垂尾上对应的力是V型尾翼上的力在水平和垂直方向的投影 NACA研究表明，要获得满意的操稳性，V尾的尺寸需增大到其面积大约与所需的平尾和垂尾分开时的面积的总和相等，且操纵动作复杂，不过干扰阻力可以较低尾翼的型式 (a)常规尾翼常规尾翼(b)双垂尾式双垂尾式(c)双机身双机身(双尾撑双尾撑)上的双垂尾上的双垂尾(d)宽机身上的双宽机身上的双垂尾垂尾(e)“T”字型尾翼字型

13、尾翼(f)“”字型尾翼字型尾翼(g) “ V” 型尾翼型尾翼(h)无无(平平)尾式尾式(i)鸭翼鸭翼（a）（b）（c）（g）（i）（h）（f）（e）（d）50尾翼的布置F/A-18E尾翼错开尾翼错开J-10的双腹鳍的双腹鳍背鳍和腹鳍改善方向稳定的特性 布局 飞机的布局52飞机的布局 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53飞机的布局 正常式布局54飞机的布局 正常式布局55飞机的布局 鸭式布局56飞机的布局 无尾

14、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57飞机的布局 三翼面布局F-15S/MDT验证机验证机SU-3558飞机的布局 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。 59飞机的布局 联翼布局 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

15、跨音速和超音速波阻， 串列翼翼身融合 BWB 空中航母，1000乘客。飞翼XB-35 YB-49 影片JetAge飞行器的发展方向飞行器的发展方向 综合设计 数字化 信息化aerosphere flight vehicle综合设计(F22)五代机与UCAVX-47B数字化(Boeing777) CAD/CAE/CAM/PDM/ERP信息化(ProtoType)结构试验铁鸟系统风洞试验电磁试验信息化(ProtoType)ISR全球通战场感知数据链 影片起落架 JetAge起落架的布置形式 起落架的布置有三种形式：起落架的布置有三种形式： 后三点式 飞机重心在两个主轮之后； 前三点式 飞机重心在两

16、个主轮之前； 自行车式 飞机的两组主轮分别安置在机身下， 另外有两个辅助护翼轮。后三点式起落架优点：构造简单，重量轻；易于在螺旋桨飞机上布置；飞机停机角与最佳起飞迎角接近，易于起飞；便于利用气动阻力使飞机减速。后三点式起落架缺点：方向稳定性差，飞机容易打地转后三点式起落架缺点： 着陆必须三点接点，操纵较困难后三点式起落架缺点：两点接地时可导致飞机“跳跃”；后三点式起落架缺点： 飞机在高速滑行过程中采用刹车时，容易发生倒立、翻筋斗现象。后三点式起落架采用后三点式起落架的飞机：B17轰炸机前三点式起落架优点：优点：滑行时方向稳定性好；滑行时方向稳定性好；着陆时两主轮接地，容易操纵；着陆时两主轮接地，容易操纵；可以大力使用刹车，缩短着陆滑跑距离；可以大力使用刹车，缩短着陆滑跑距离；驾驶员视野良好；驾驶员视野良好；缺点：缺点：前起落架所受载荷较大，前轮在滑跑时容易摆振。前起落架所受载荷较大，