航空概论2-22-飞机的基本结构

飞机的基本结构

主要内容★对飞机构造的要求★机体构造

1.机翼构造

2.尾翼构造

3.机身构造

第三章飞机的基本结构

第一节对飞机构造的要求

要求:

一.有足够的强度和刚度,且重量轻在保证足够强度条件下,尽量减轻结构重量.

二.工艺性和经济性好在保证质量前提下,尽量节约生产成本.

三.使用维修方便第二节机体构造

一.机翼构造(一)机翼的外载荷及分类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弹药仓和油箱，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。

由于飞机是在空中飞行的，因此和一般

的运输工具和机械相比，就有很大的不同。

飞机的各个组成部分要求在能够满足结构强

度和刚度的情况下尽可能轻，机翼自然也不

例外，加之机翼是产生升力的主要部件，而

且许多飞机的发动机也安

装在机翼上或机翼下，因

此所承受的载荷就更大，

这就需要机翼有很好的结

构强度以承受这巨大的载

荷，同时也要有很大的刚

度保证机翼在巨大载荷的作用下不会过分变

形。

机翼的分类方法有很多种，常用的分类方

法有：

*按机翼的数量分类：可分为单翼机、双翼

机、多翼机等；

*按机翼的平面形状分类：可分为平直翼、

后掠翼、前掠翼、三角翼等等；

*按机翼的构造形式分类：可分为构架式、

梁式、壁板式、整体式等等。

此外，机翼的剖面形状

也是多种多样，从早期的平

直矩形机翼剖面到后来的流

线形剖面、菱形剖面，机翼

的升力性能越来越好，相反

受到的空气阻力越来越小，

也就是说机翼的升力系数越来越大，相同面

积的机翼所产生的升力就越来越大。

机翼的几何参数

(二)机翼的受力构件

由于飞机是在空中飞行，并且速度十分高，这就要求飞机上的每一个部件都要有很好的强度和刚度，才能够承受巨大的气动载荷，保证飞机的飞行安全。机翼的基本受力构件包括纵向骨架、横向骨架、蒙皮和接头。其中接头的作用是将机翼上的载荷传递到机身上，而有些飞机整个就是一个大的飞翼（如美国的B－2隐形轰炸机），则根本就没有接头。以下是典型的梁式机翼的结构。

1.纵向骨架

机翼的纵向骨架由翼梁、纵樯和桁条

等组成，所谓纵向是指沿翼展方向，它们

都是沿翼展方向布置的。

*翼梁是最主要的纵向构件，它承受全部

或大部分弯矩和剪力。

翼梁一般由凸缘、腹

板和支柱构成（如图

所示）。凸缘通常由

锻造铝合金或高强度

合金钢制成，腹板用

硬铝合金板材制成，与上下凸缘用螺钉或

铆钉相连接。凸缘和腹板组成工字型梁，

承受由外载荷转化而成的弯矩和剪力。

*纵樯与翼梁十分相像，二者的区别

在于纵樯的凸缘很弱并且不与机身相连，

其长度有时仅为翼展的一部分。纵樯通

常布置在机翼的前后缘部分，与上下蒙

皮相连，形成封闭盒段，承受扭矩。靠

后缘的纵樯还可以悬挂襟翼和副翼。

*桁条是用铝合金

挤压或板材弯制而成，

铆接在蒙皮内表面，

支持蒙皮以提高其承

载能力，并共同将气

动力分布载荷传给翼肋。

2.横向骨架

机翼的横向骨架主要是指翼肋，

而翼肋又包括普通翼肋和加强翼肋，

横向是指垂直于翼展的方向，它们的

安装方向一般都垂直于机翼前缘。

*普通翼肋的作用是将纵向骨架和

蒙皮连成一体，把由蒙皮和桁条传来

的空气动力载荷传递给翼梁，并保持

翼剖面的形状。

*加强翼肋就是承受有集中载荷的

翼肋。

3.蒙皮

蒙皮是包围在机翼骨架外的

维形构件，用粘接剂或铆钉固定

于骨架上，形成机翼的气动力外

形。

蒙皮除了形成和维持机翼的

气动外形之外，还能够承受局部

气动力。早期低速飞机的蒙皮是

布质的，而如今飞机的蒙皮多是

用硬铝板材制成的金属蒙皮。

(三)机翼的增升装置

我们知道，机翼是飞机上产生升力的

主要部件，它提供的升力可以维持飞机平

飞和机动。机翼产生的升力可以用下面的

升力公式说明：

Y＝CyρV²S/2

式中ρ代表空气密度，V代表飞行速

度、S代表机翼面积，Cy是升力系数，与机

翼的形状、剖面以及迎角等因素有关。可

见飞机的飞行速度越大，机翼面积越大，

升力系数越大，则所获得的升力就越大。

在飞机出现的早期，由于飞机的飞行速

度比较低，因此飞机在起飞和着陆时不需要

滑跑太长的距离就可以升空或者停下。对高

速飞机来说，由于机翼的设计主要适合于高

速飞行的情况，因此在起飞和着陆阶段的低

速情况下，如何获得足够的升力就成了一大

难题。由于迎角与升力成正比，因此增大飞

机的迎角可以使升力增加，然而对现代的超

音速飞机而言，即使迎角达到极限，升力仍

然不够。如果不采取适当措施，则必须加大

起飞和降落时的速度，才能获得足够的升力。

这样做的后果是不仅使滑跑距离增长，而且

也不安全。解决这个问题的措施就是在机翼

上采用增升装置。

目前飞机上采用的增升装置根据其增升

原理可以归纳为以下四种：

前缘缝翼：采用前缘缝翼可以增加翼型

的弯度，达到增大升力系数的目的。

襟翼：给机翼加装襟翼可以增加机翼的

面积。

附面层控制：此种增升装置可以控制机

翼上的附面层，推迟气流的不利分离，可以

增大机翼的升力系数。

喷气襟翼：此种增升装置可以在机翼上

引入发动机的喷气流，改变空气在机翼上的

流动状态，从而达到增加升力的目的。

二.尾翼构造

尾翼的作用是保证飞机的纵向(俯仰)和方向

(偏航)的平衡,并使飞机在纵向和方向两方面具有必

要的安定和操纵作用.尾翼的结构与机翼相似.

(一)垂直尾翼

垂直尾翼简称垂尾，也叫做立尾，安装在机身

后部，其功能与水平尾翼类似，也是用来保持飞机

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。同水平尾翼一样，垂直尾翼由固定的垂直安定

面和可偏转的方向舵组成。

(二)垂直安定面

飞机的垂直安定面的作用是使飞机

在偏航方向上（即飞机左转或右转）具

有静稳定性。垂直安定面是垂直尾翼中

的固定翼面部分。当飞机沿直线作近似

匀速直线运动飞行时，垂直安定面不会

对飞机产生额外的力矩，但当飞机受到

气流的扰动，机头偏向左或右时，此时

作用在垂直安定面上的气动力就会产生

一个与偏转方向相反的力矩，使飞机恢

复到原来的飞行姿态。而且一般来说，

飞机偏航得越厉害，垂直安定面所产生

的恢复力矩就越大。

(三)方向舵

方向舵是垂直尾翼中可操纵的翼面部分，

其作用是对飞机进行偏航操纵。上面所说的

情况是假设飞机作自由运动，而没有飞行员

操纵。当我们需要控制飞机的航向时，飞行

员就可以操纵垂直尾翼中的方向舵达到偏航

的目的。

方向舵的操纵原理与升降

舵类似，当飞机需要左转飞行

时，驾驶员就会操纵方向舵向

左偏转，此时方向舵所受到的

气动力就会产生一个使机头向

左偏转的力矩，飞机的航向也随之改变。同样，

如果驾驶员操纵方向舵向右偏转，飞机的机头

就会在气动力矩的作用下向右转。

(四)水平尾翼

水平尾翼简称平尾，安装在机身后部，

主要用于保持飞机在飞行中的稳定性和控制

飞机的飞行姿态。尾翼的内部结构与机翼十

分相似，通常都是由骨架和蒙皮构成，但它

们的表面尺寸一般较小，厚度较薄，在构造

形式上有一些特点。一般来说，水平尾翼由

固定的水平安定面和可偏转的升降舵组成。

(五)水平安定面

安定面的作用是使飞机具有适当的静稳定性。当

飞机在空中作近似匀速直线运动飞行时，常常会受到

各种上升气流或者侧向风的影响，此时飞机的航行姿

态就会发生改变，飞机会围绕质心左右（偏航）、上

下（俯仰）以及滚转。如果飞机是静不稳定的，就无

法自动恢复到原来的飞行姿态，即如果飞机受到风的

扰动而抬头，那么飞机就会持续抬头，而且当这股扰

动气流消失以后，飞机就会保持抬头姿态，而无法恢

复到原来的姿态。

飞机的水平安定面就能够使飞机在俯仰方向上

（即飞机抬头或低头）具有静稳定性。水平安定面是

水平尾翼中的固定翼面部分。当飞机水平飞行时，水

平安定面不会对飞机产生额外的力矩；而当飞机受到

扰动抬头时，此时作用在水平安定面上的气动力就会

产生一个使飞机低头的力矩，使飞机恢复到水平飞行

姿态；同样，如果飞机低头，则水平安定面产生的力

矩就会使飞机抬头，直至恢复水平飞行为止。

(六)升降舵

上面所说的情况是假设飞机作自由运动，

而没有飞行员操纵。当我们需要操纵飞机抬头

或低头时，水平尾翼中的升降舵就会发生作用。

升降舵是水平尾翼中可操纵的翼面部分，其作

用是对飞机进行俯仰操纵。

当需要飞机抬头向上飞行时，驾驶员就会

操纵升降舵向上偏转，此

时升降舵所受到的气动力

就会产生一个抬头的力矩，

飞机就抬头向上了（如左

图所示）。反之，如果驾

驶员操纵升降舵向下偏转，飞机就会在气动力

矩的作用下低头。

(七)全动平尾

一般来说，传统飞机的水平尾翼都是由固定的

水平安定面和可偏转的升降舵组成。随着飞机的不

断发展，为了进一步提高飞机的操纵性能，尤其是

在超音速飞行时的操纵能力，

如今许多超音速飞机（尤其是

高性能的战斗机，如俄罗斯的

Su－27、美国的F－15“鹰”

战斗机等）都将水平尾翼设计

成可偏转的整体，称为全动平尾。

全动平尾是将飞机的水平安定面和升降舵合而

为一的部件，它通过转轴与机身结合，飞行员可以

控制整个平尾偏转，这使得飞机

的操纵性能大大提高。根据转轴

的安排形式，我们可以将全动平

尾分为两大类：直轴式全动平尾

和斜轴式全动平尾。

1.直轴式全动平尾

直轴式全动平尾的转轴与机身轴线相垂

直，构造比较简单，适用于小展弦比的梯形

和三角形平尾。其缺点是空气动力载荷对转

轴的扭矩较大。

2.斜轴式全动平尾。

斜轴式全动平尾的转轴

与机身轴线不垂直，往往带

有一定的后掠角，适用于后

掠平尾。斜轴式全动平尾的优点是便于将转

轴安排在平尾翼型最大厚度线附近，也有利

于减小空气动力载荷对转轴的扭矩。其缺点

是：转轴在机身内的安排比较复杂，此外，

如果要在左右转轴连接处用一个摇臂推动两

边的平尾同时偏转，则接头的构造相当复杂。

三.机身构造

飞机机身的功用主要是装载人员、货物、燃油、

武器、各种装备和其他物资，它还可用于连接机翼、

尾翼、起落架和其他有关的构件，并把它们连接成

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

调，以利于飞机的起落。

其次在气动方面，它的迎风面积应减小到最小，

表面应光滑，形状应流线化

而没有突角和缝隙，以便尽

可能地减小阻力。

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。

(一)机身的外载荷

机身的受力和机翼相似，也包括分布载

荷和集中载荷，而以后者为主。集中载荷包

括由机翼、尾翼和起落架等的固定接头传来

的载荷，以及机身各部分的质量力。分布载

荷则包括空气动力和机身结构本身的质量力。

这些外力作用到机身使它承受剪力、弯矩和

扭矩。这种情况与机翼相似。

对于机身而言，其受力的特殊性有下列两点：

第一、机身上起主要作用的是各个集中载荷，如

机翼的反作用力，尾翼的反作用力，设备舱、驾驶员

及座椅、发动机的质量力等。

至于分布载荷如由机身结构质量力而来的分布载

荷和空气动力分布载荷则不是主要的；而在机翼上，

起主要作用的是空气

动力分布载荷。因为

机身表面上作用的空

气动力较小，机身结

构本身的质量力也比

较小。

第二、必须考虑机身的侧向水平载荷，因为这一

载荷很大，同时机身沿水平方向的抗弯刚度又比机翼

小得多，而且在受侧向载荷作用时，经常附带有扭转，

这就更增加了受力的严重性。

(二)机身的形式

飞机机体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。

短舱型包括双机身和双尾撑。

另外，二战中还有一种侦察/轰炸飞机，

介于双机身和双尾撑形式之间：一侧机身有

座舱，另一侧机身则连接尾翼，这种不对称

布局在飞机上较少见。

(三)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，不外乎侧面形

状和剖面形状两种。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。

现代超音速战斗机根据跨音速飞行的阻

力特点，首先采用了跨音速面积律，即安装

机翼部位的机身截面适当缩小，形成蜂腰机

身；其次它的机头往往做得很尖，或者在头

部用空速管作为激波杆，远远地伸出在迎面