飞机设计气动布局的选择

2.5 飞机气动布局的选择飞机的气动布局通常是指其不同的气动力承力面的安排形式。全机气动特性取决于各承力面之间的相互位置以及相对尺寸和形状。机翼是主承力面，它是产生升力的主要部件，前翼、平尾、垂尾等是辅助承力面，主要用于保证飞机的安定性和操纵性。根据各辅助翼面与机翼相对位置及辅助面的多少，有以下几种气动布局形式：——正常式布局，水平尾翼在机翼之后；——鸭式布局，水平前翼在机翼的前面；——无尾或“飞翼”，飞机只有一对机翼；——三翼面布局，机翼前面有水平前翼，机翼后面有水平尾翼。其共同点是对不同的升力值都能进行配平，在给定某一升力值时都能保持稳定的运动。操纵性和稳定性是实现飞机任何一种气动布局型式的基础，因此，上面所谈到的四种基本型式又叫做飞机配平的布局型式。它们可以由呈平面的承力面组成，这时“无尾”式只能配平有限的纵向静稳定度（中立稳定。）采用“扭转”的承力面，可以在保持飞机稳定性的条件下合理地（升阻比损失最小）对所有各种布局型式进行配平。2.6.1 正常式布局多数战斗机都采用正常式布局。现代战斗机更强调中、低空机动性，要求飞机具有良好的大迎角特性。在20世纪70年代发展了边条机翼，在中到大迎角范围边条产生的脱体涡除本身具有高的涡升力增量外，还控制和发展了基本翼的外翼分离流动，从而提高了基本翼对升力的贡献（如图2.6.1所示）。图2.6.1 正常式布局飞机2.6.2 鸭式布局随着主动控制技术的发展，电传操纵技术的成熟，把前翼设计得比较大（相对面积8％～15％）并靠近机翼构成所谓近耦合鸭式布局已成为现实。在中、大迎角时，前翼和机翼前缘同时产生脱体涡，两者相互干扰，使涡系更稳定而产生很高的涡升力。它与边条翼不同之处在于其主翼（基本翼后掠角也大）也产生脱体涡，两个脱体涡产生强有利干扰，属于脱体涡流型；而边条翼仅边条产生脱体涡，基本流仍是分离流，属于混合流型。由于其大迎角特性优越，也是一种具有高机动性能的气动布局型式，典型代表机种有瑞典的JAS－39、法国的“阵风”、欧洲四国的EF－2000（如图2.6.2所示）。鸭式布局的难点是鸭翼位置的选择以及大迎角俯仰力矩上仰的问题。因鸭翼面积大产生的大升力在重心之前，俯仰力矩在大迎角时上仰严重，由于无平尾，如何保证在大迎角具有足够的低头操纵力矩成为难题，有时在后机身加边条（X－29）或限制放宽静稳定度；当推力矢量技术成熟后，该问题就容易解决了。图2.6.2 近距耦合鸭式布局为了在配平的条件下保证飞机的纵向静稳定度（C

0

），必须满足“纵向Ⅴ法则”的要mCL求，即：任何由两个串列翼面组成的空气动力系统，在配平的条件下（C

0

，）为了保证其纵向m静稳定度，前翼面的迎角1

必须大于后翼面的迎角2

。对于鸭式飞机，此规则相当于鸭翼的迎角大于机翼的迎角；对于正常式飞机，此规则相当于机翼的迎角大于平尾的迎角。2.6.3 无尾式布局由于无尾飞机没有前翼和平尾，其飞机的纵向操纵和配平仅靠机翼后缘的升降舵来实现，其一尾臂较短，效率不高；其二在飞机起降时，增加升力需下偏较大角度，由此带来低头力矩，为了配平又需上偏，造成操纵困难和配平阻力增加，因而限制了飞机的气动性能，现代飞机比较少用，仅有法国的幻影Ⅲ和SR－71为无尾飞机，其优点是超音速阻力小。有了电传操纵系统后，可放宽静稳定度，纵向操纵及配平问题得以解决，但大迎角气动特性不好，因此，一般第三代高机动战斗机都不采用，仅幻影2000和B－2隐身轰炸机采用了飞翼型式，现在进一步发展无垂尾的飞机如美国的试验X－36（如图2.6.3所示。）图2.6.3 无尾飞机机种2.6.4 三翼面布局三翼面布局是在正常式布局的基础上增加一个水平前翼而构成的（即前翼+机翼+平尾），因此，它综合了正常式和鸭式布局的优点，经过仔细设计，有可能得到更好的确定特性，特别是操纵和配平特性。F－15加前翼构成三翼面布局（AFTI－15布局，）其机动性改善是明显的；俄罗斯把苏－27加小前翼改为舰载型，又把苏－27加大前翼改成苏－35，其机动性得到更大提高，主要得益于升力的增加（如图2.6.4所示。）在正常式布局的机翼前面加一个前翼，使气动载荷分配更合理，从而可以减轻机翼上的载荷，减少结构重量。此外，增加一个前翼操纵自由度，它与机翼的前、后缘襟翼及水平尾翼结合在一起可进行直接控制及保证足够的低头恢复力矩，改善大迎角特性，提高最大升力；其缺点是因增加前翼而使零升阻力和重量稍有增加。图2.6.4 三翼面布局典型机种综上所述，各种布局型式特点不同，选择确定布局型式是一个综合、折衷的过程。根据经验，鸭式和无尾式布局用于超音速为基本飞行状态的飞机是合理的，而常规式布局则用于亚音速飞机或以亚音速飞行状态为主，超音速飞行状态为次的飞机最合适。2.6.5 选择飞机布局时要考虑的其它因素在选择飞机布局时，除选择气动配平的型式外，还要考虑其它因素。首先要选择机翼的平面形状、尾翼的尺寸和在飞机上的安装位置，然后是选择起落架的型式及其在飞机上的安装位置。在飞机气动阻力中称为干扰阻力的部分决定于飞机各部分之间的相互影响，最主要的中机翼和机身之间的相互干扰。中单翼的干扰阻力最小。只要中央翼段不妨碍机身内的货舱和发动机进气道的安排，则大多数军用飞机都采用中单翼布局。旅客机和货机实际上不可能采用这种布局，因为中央翼段穿过机身中间，不能构成统一的客舱和货舱。上单翼飞机的干扰阻力特性与中单翼飞机的差不多。上单翼布局在布局上和构造上有以下缺点：——起落架不能装在机翼内，或者（在不大的飞机上）起落架的主支柱很长、很重。在这种情况下，起落架通常是装在机身内，机身要承受很大的集中力。这些力和气密机身的载荷加在一起，会大大地增加其结构的重量和缩短其使用寿命。——在应急着陆时，机翼（尤其是其上装有发动机时）可能压坏支撑它的机身和货舱或客舱。为了避免这种情况，在安装机翼处机身的结构要加强，这将使其重量大为增加。——当在水上应急降落时，机身在水面以下，应急疏散旅客困难。上单翼布局有个很大的优点——机身距离地面的高度小。这使得现在所有军用运输机都采用上单翼布局，从而保证能够从机身前面或后面下部的舷梯或斜板（货桥）轻易地，装卸武器、装备和人员。下单翼的干扰阻力最大。在机翼和机身