飞机总体设计-4第四讲_飞机总体布局型式的选择_大飞机

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4.2 飞机总体布局
应尽量减小机身与机翼结合部、机翼与发动机短舱间 或机身与发动机短舱间的干扰阻力，相交的部件最好 以钝角或接近90°相交，否则需要加整流罩。 尽可能对强受力构件作综合利用，使其具备多种功能 以减轻结构重量。机身加强框——机翼、起落架，尾 部加强框——垂尾、平尾。 布置主要部件时，经常考虑到重量轻、结构简单、易 接近、维护方便、成本低。
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4.3 飞机配平形式选择
正常式布局
多数飞机采用正常式布局，主要是因为正常式 飞机布局积累的知识和设计经验比较丰富。
飞机正常飞行时，保证飞机各部分的合力通过 飞机的重心，保持稳定的运动。
正常式布局的水平尾翼一般提供向下的负升力， 为了保证飞机的飞行安全 ，飞机机翼的迎角大 于尾翼的迎角。
三翼面布局
F-15S/MDT验证机 F-15D双座战斗机
前掠翼布局
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4.3 飞机配平形式选择
联翼布局
鲲鹏-700 （北航3305 T6）
BURNELLI布局
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4.3 飞机配平形式选择
斜翼布局
在跨音速范围内，斜机翼布局与常规固定后掠或变后 掠机翼飞机相比，有利于降低阻力。 只有一个转轴代替了常规变后掠机翼的两个转轴。有 利于降低飞机的结构重量。
满足强度和气动弹性要求，使机翼具有足够的结构刚 度、较轻的结构重量及较大的颤振速度。
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中弧线＋ 基本厚度分布 弦长b 最大弯度f 相对弯度f/b 最大厚度c 相对厚度c/b 最大厚度的 相对位置Xc/b 前缘半径r 后缘角τ
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4.4.1 翼型选择
翼型气动特性的影响因素—前缘半径
前缘半径小，前缘在小迎角时就开始分离，随迎角增加再 附着，前缘半径越小越易分离，最大升力系数小，但波阻 也小——适于超音速飞机 前缘半径大，圆前缘翼型从后缘开始失速，随迎角增加分 离前移，失速迎角大，最大升力系数大，但波阻也大—— 适于亚音速飞机
4.2.1 全机布局的几个原则
应使燃油、装载与空机的重心在纵向位置上尽可能接 近，使全机重心移动范围缩小，减少配平对尾翼面积 的需要，从而降低飞机浸润面积，减小阻力，还减轻 重量。 亚声速飞机的巡航速度不超过阻力发散速度。这决定 了机翼的后掠角、翼型及相对厚度等设计参数。 安定面及操纵面的临界马赫数应比机翼高。这影响到 安定面及操纵面的相对厚度、后掠角及展弦比的选择。
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4.1 飞机型式的含义与内容
飞机型式没有严格的定义。
飞机型式就是飞机的总体气动布局型式，是飞 机各部件外形、数目和相对位置的总称。
具体是指飞机部件几何外形特征及装载布置方 案，如机翼、机身、尾翼及发动机、起落架安 装位置、装载布置方案等不同的组合。
为满足不同的飞机设计要求，不同的气动、重 量、刚度和使用维护等各方面的要求，这些部 件有各不相同的外形，其组合又可有不同的型 式。
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4.4.1 翼型选择
翼型气动特性的影响因素—相对弯度
弯度的确定通常是保证翼型在正常的巡航速度飞行时 处于设计升力系数状态。设计升力系数指的是具有最 小阻力时的升力系数。 对于任何一种翼型，在其设计升力系数附近，有最有 利的压力分布，阻力最小，升阻比最大。 对于低速飞机，巡航速度比较小，所需的升力系数要 大，应当采用相对弯度较大的翼型，对于高速飞机则 应选取相对弯度较小的翼型或无弯度的对称翼型。 平尾、立尾等翼面要在正负迎角、正负侧滑角下工作， 因此这些翼面都要采用对称翼型。
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4.3 飞机配平形式选择
飞机总体配平型式也就是飞机的气动布局型式， 通常指不同承力面的安排型式。
机翼是产生升力的主要部件，前翼、水平尾翼和 垂直尾翼等是辅助承力面，用于保证飞机的操纵 性和稳定性。 飞机配平型式的选择是一个复杂的创造性的设计 过程，技术因素是首先要研究的问题。另外，飞 机型式选择还会受到其他非技术因素的制约，例 如：市场 、设计人员的风格和习惯等。
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4.2 飞机总体布局
4.2.2 喷气客机布局形式 概况
a. 载客量：>120人，20世纪末平均载客158人。 b. 巡航速度：高亚声速，约Ma0.8。 c. 动力装置：涡轮风扇发动机，从安全考虑必须多发， 2~4发。多发飞机必须保证在1发不工作时，剩余发动 机仍能满足适航标准所规定的安全要求。这对双发飞 机要求苛刻，但其研制及直接运营成本低。20世纪末 以后的型号有广泛采用双发的趋势。
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4.4.1 翼型选择
翼型气动特性的影响因素—相对厚度
随着翼型相对厚度增加，最大升力系数先增大，然后 减小。对于每一种翼型，有一个最佳的相对厚度，范 围大约为10%～14%，亚音速飞机翼型的相对厚度多 在此范围内。 超临界翼型有助于 推迟激波的形成， 并减小给定相对 厚度翼型的阻力
相对厚度经验曲线
＊近距与远距鸭翼的更多介绍 －方宝瑞，《飞机气动布局设计》
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4.3 飞机配平形式选择
鸭式布局的难点是鸭翼位置的选择和大迎角时俯仰 力矩上仰的问题。由于鸭翼位于飞机的重心之前， 俯仰力矩在大迎角的情况下提供较大的抬头力矩 （上仰力矩），不能够稳定的飞行，因此必须提供 足够的低头力矩来平衡之 • 在后机身加边条（X-29） • 限制放宽静稳定余度 • 采用发动机推力矢量技术等
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4.3 飞机配平形式选择
达索公司的设计传统
幻影III
幻影2000
阵风
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4.3 飞机配平形式选择
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：有一对机翼，立尾可能有或无 三翼面布局：机翼前面有前翼，后面有平尾
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4.3 飞机配平形式选择
正常式布局
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4.3 飞机配平形式选择
正常式布局
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4.3 飞机配平形式选择
鸭式布局
鸭式布局是飞机最早采用的布局型式，莱特兄弟设计的 飞机就是鸭式布局，但是由于鸭翼提供的不稳定的俯仰 力矩造成鸭式飞机发展缓慢。 随着主动控制技术的发展，鸭式布局技术日趋成熟，鸭 式飞机在中、大迎角飞行时，如果采用近距耦合鸭翼型 式＊，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，产生很高的涡升力。
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4.1 飞机型式的含义与内容
飞机型式选择在飞机设计中的地位和作用
飞机设计过程中，影响飞机性能的重大决策基本上都是 在飞机型式选择过程中作出的。
飞机的气动力、强度刚度、使用维护、制造工艺等各个 方面的特性，在飞机的型式确定下来以后就基本上确定 了。
正确地选择飞机型式对设计速度和设计质量有很大的影 响。 不恰当的飞机型式，会引起以后设计中的重大返工。如 果在风洞试验甚至试飞之后，发现飞机的性能或操纵安 定性差，则可能推翻整个方案，大大影响设计速度。
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4.4 机翼参数选择
4.4.1 翼型选择 4.4.2 机翼外形设计 4.4.3 机翼的增升装置和副翼
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4.4.1 翼型选择
翼型是构成翼面的重要部分，直接影响到飞机的性能 和飞行品质 选择翼型时不仅要满足气动要求，还须兼顾结构、强 度及工艺的需要
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4.4.1 翼型选择
翼型的参数
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4.3 飞机配平形式选择
前翼尖端涡流布置不当，会引起机翼弯矩增加， 阻力增大，所以对于客机常常采用将前翼布置在 机翼的远前下方，减少前翼对主翼的气动影响。
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4.3 飞机配平形式选择
无尾布局
无尾布局飞机一般采用大后掠角的三角形机翼，用机 翼后缘的升降襟翼作为纵向配平的操纵面。 无尾飞机配平时，升降襟翼的升力方向向下，引起升 力损失，同时力臂较短，效率不高。飞机起飞时，需 要较大的升力，为此必须将升降襟翼向下偏，这样会 引起较大的低头力矩，为了配平低头力矩升降襟翼又 需上偏，造成操纵困难，配平阻力增加。 因此，无尾式布局的飞机通常采用扭转机翼的办法， 保证飞机的零升力矩系数大于零，这样可以有效的降 低飞机飞行时的配平阻力。
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4.2 飞机总体布局
d. 航程：近程：1500~2500km；中程：2500~4000km； 远程：7000~10000km。 e. 安全标准：各国政府都有“适航标准”。我国对喷气 客机适用“适航标准第25部”，与国际民航组织要求、 美国的“FAR25部”、欧洲的“JAR25部”相当。 f. 设计目标演变：除了基本的要求外，20世纪后期有3 次追求大幅改进的尝试。60’s超声速化，“协和”、 图-144，“SST”，噪声、耗油率。80’s桨扇化，节 油，石油危机缓解。90’s超大型化，航空港拥挤，单 座使用成本低。
大飞机总体设计 第四讲 根据《飞机总体设计》 改编
飞机总体布局 型式的选择
航空科学与工程学院
飞机系
第四讲 飞机总体布局型式的选择
4.1 飞机型式的含义与内容 4.2 飞机总体布局 4.3 飞机配平形式选择 4.4 机翼参数选择 4.5 尾翼布置及参数选择
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4.1 飞机型式的含义与内容
明确了飞机的设计要求后，就要对飞机的外形进 行全面的构思，即进行飞机型式的初步选择
还需注意翼型的 配置，翼尖用失 速性能好的翼型， 翼根则用升阻比 高、相对厚度大 的翼型。
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4.4.2 机翼外形设计
机翼设计的依据
满足飞机性能要求为主要依据，即应保证
• 在起飞、着陆和空中机动状态下有尽可能大的升力及高的升 阻比； • 在巡航状态和大速度下有尽可能小的气动阻力； • 在全包线范围内有良好的纵向及横航向的操纵安定特性，特 别是在低速时要有线性的俯仰力矩特性、较高的副翼效率及 良好的横航向特性。
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4.4.1 翼型选择
大展弦比、小后掠的亚音速运输机
一般采用超临界翼型，如美国的NASA SC(2)-0614，西 工大的跨音速飞机用的NPU-S73613。