第三章飞机型式的选择

第三章 飞机型式的选择§3.1 概述在飞机总体方案的初步设计阶段，当飞机的设计要求和一些最主要的总体设计的技术经济性指标经过全面、充分的论证，最后确定下来以后，首先就需要对所设计飞机的外貌作全面的构思，即进行飞机型式的初步选择。

飞机设计是一项实践性很强的综合性科学技术，涉及空气动力学、航空发动机、飞行控制、结构强度、制造工艺和使用维护等很多的专业，需要设计者进行综合和协调。

因此，在飞机设计过程中，有许多问题都需要设计者通过分析和判断，全面地考虑各方面的要求后做出适当的选择。

飞机型式的选择就是在飞机总体设计的初始阶段，设计师需要做出的影响全局的重要决策。

所谓飞机的型式并没有严格的定义，有时认为飞机的型式就是指飞机的气动布局型式，但更广泛的含义则应该是指飞机几何外形的主要特征及飞机各种装载布置方案的总称。

通常区分飞机的型式主要是看其机翼、尾翼、机身、发动机及起落架等部件的数目、几何外形和相对位置的各种不同的组合。

飞机总体布局型式，经过一百年来人类的不断创新与发展，已有很多种型式。

在图 3.1中，给出了一些不同型式的实际飞机的例子，也可供研究飞机型式时参考。

目前主要可归纳为以下几种：·正常布局(后置平尾)·鸭式布局·三翼面布局·无尾布局·飞翼型布局根据机翼平面形状设计形式，又可分为：平直机翼形式、后掠翼形式、前掠翼形式、三角翼形式、变后掠翼形式、斜置翼形式、X型翼形式、变斜翼形式以及在上述形式基础上的一些变化。

从翼面个数来分，飞机布局形式又可分为单翼型、双翼型或多翼型、多尾型等。

飞机总体设计的基本任务是给出能够全面满足飞机设计要求的最佳设计方案，这是一个逐次渐近的过程。

飞机型式的选择是这个过程的第一步，为了完成这项工作，应该根据飞机的设计要求，从气动、强度、制造工艺和使用维护等诸方面提出一些评定飞机型式优劣的指标，通过综合分析比较，才能选出最理想的飞机型式。

图3.1(a) 一些可能的飞机型式图3.1(b) 一些可能的飞机型式图3.1(c) 一些可能的飞机型式最好的飞机型式，应该在技术经济上能最有效地满足飞机设计的要求。

但是由于飞机设计工作的复杂性和飞机设计要求及飞机型式的多样性，在设计开始时又往往很难准确地判断出哪一种飞机型式最好。

这是因为飞机的设计要求和飞机的型式之间，虽然存在着深刻的内在联系，但却没有简明的解析关系，更不存在什么单值的解析解。

一些实际飞机的情况也表明，在设计要求完全一样或基本一样的情况下，实际飞机的型式也可能完全不同。

美国的B-47和英国的“火神”（Vulcan）喷气轰炸机，法国的“幻影-2000”（Mirage-2000）和美国的F-16战斗机就是两个很典型的例子。

图3.2是美国B-47和英国“火神”的三面图。

美国的B-47和英国的“火神”都是在40年代至50年代研制和生产的中程战略轰炸机，“火神”一直是英国的主要轰炸机，B-47美国生产了将近2000架，它们的起飞质量、载弹量、最大平飞速度和航程等主要设计要求基本相同：Vulcan B-47起飞质量 81.6 T 79 T载弹量 9.5 T 10 T最大速度 1038 km/h 1050 km/h航程 7650 km 6500 km图3.2 B-47与“火神”飞机的三面图但其型式却完全不同，“火神”采用的是无尾三角翼的布局形式，机翼面积为368.3m2；四台发动机装在机翼根部，采用翼根进气的型式，起落架采用前三点式。

而B-47则采用后掠角为35°、展弦比为9.5的后掠翼的布局型式，机翼面积为132.7m2，六台发动机分别装在翼下吊舱内，自行车式起落架，前、后轮均向前收入机身内。

图3.3是美国F-16和法国幻影-2000的三面图。

这两种飞机是美国和法国正在服役的、设计相当成功的战斗机，其基本飞行性能也很相近，但可以看出它们在布局型式上是截然不同的，幻影-2000采用的是无尾三角翼布局型式，继承了法国研制幻影系列无尾三角翼的实践经验，机翼前缘后掠角为58°，多梁下单翼，并用变弯度的翼型，全翼展的自动前缘襟翼与机翼后缘的升降副翼联动，机身按面积律设计成蜂腰形，一台发动机装在机身尾段，采用机身两侧的进气道，进气道旁边设有进气的导流片，其机翼面积有40m2，翼载荷较低，只有220kg／m2。

F-16是采用带全动水平尾翼的正常式的布局型式，前缘后掠角为40°的切角三角形的中单翼，采用翼身融合体的形式使机翼与机身的连接园滑过渡，从机翼根部前缘沿机身两侧有向前延伸的大后掠的边条翼，水平尾翼有25°的下反角，虽然也是一台发动机装在机身尾段内，但不是机身两侧进气，而是采用的机身腹部进气，为了防止在地面滑跑时吸入杂物，前起落布置在进气口后面。

上面例子中，究竟哪一种型式最好，很难一概而论。

在设计时要由设计师自己去判断，要根据飞机的设计要求，遵照全面综合的原则，选定最有利的型式。

在进行初步选择飞机型式时，需重点考虑和决定的大问题有以下几个方面，现分述如下。

图3.3 F-16和幻影-2000飞机的三面图§3.2 尾翼的位置和布局设计一、水平尾翼的前后位置水平尾翼与机翼的前后相对位置是代表不同飞机型式最显著的标志，可以分为三种不同的型式：即正常式（水平尾翼位于机翼之后）、鸭式（水平前翼位于机翼之前）、和无尾式。

图3.4给出了这三种不同的飞机型式示意图。

这三种型式，实际上是飞机最基本的气动布局型式。

不论是哪一种型式，都必须能保证飞机具有良好的操纵性和稳定性，也就是说，要求每一种型式都能使飞机进行有效地操纵和改变其飞行状态，并在新的飞行状态下，保持平衡和稳定的飞行。

通常所说的尾翼等操纵面要能够使飞机在各种飞行姿态下得以配平，也是这个意思，因此，这三种不同的型式实际上是三种不同的使飞机上的气动力如何配平的型式。

下面进行简要的分析。

（a）正常式飞机 (b)无尾飞机 (c)鸭式飞机 图3.4 按平尾前后位置不同的三种飞机型式 （一）正常式在正常式飞机上，空气动力的作用情况如图3.5所示。

图3.5 正常式飞机在配平的情况下，∑=mg n Y y ；，飞机各部分升力的合力Y 通过飞机的质量中心，即。

而因迎角改变而产生的气动力增量则总是通过飞机焦点的，即0=∑z M G P x x =F P x x =∆)(α。

从而得到以下的平衡方程式：平尾机翼＋Y Y mg n Y y == (3.1）)(P G z x x Y M −=0)(＝平尾平尾无尾机翼L Y x x Y F G −−= （3.2）当迎角改变α∆时，升力和纵向力矩的增量表达式为：)()()(ααα∆∆+∆∆=∆=∆∆平尾机翼Y Y mg n Y y （3.3）))((F G z x x Y M −∆∆=∆α)))((αα∆∆−−∆∆=（平尾平尾无尾机翼Y L x x Y F G （3.4） 其中水平尾翼升力的增量，需考虑机翼下洗的影响。

ααεα∆∂∂−=∆∆平尾平尾平尾平尾qS k C Y a y 1()( 从(3.2）式可知，当机翼的升力为正值时，水平尾翼所提供的升力的方向是向上还是向下，决定于飞机重心和无平尾飞机焦点的相对位置。

即： 机翼平尾无尾平尾＝Y L x x Y F G − (3.5) 也就是说，如果，则水平尾翼提供向上的正升力；如果，则水平尾翼产生向下的负升力。

可见水平尾翼对全机升力贡献的大小与飞机质量中心的位置有关。

无尾F G x x >无尾F G x x < 飞机全机焦点及纵向静稳定度，受水平尾翼影响的关系式如下： F x y Cz m 平尾无尾F F F x x x ∆+= （3.6）平尾无尾－F Cz C z x m m yy ∆= （3.7） 式中，A F F b x x /=为相对焦点位置，同理，无尾F x 、平尾F x ∆也是相对值。

平尾F x ∆是水平尾翼引起的飞机焦点位置的增量，其表达式为：αααεy y F C L S C k x /])1([平尾平尾平尾平尾平尾∂∂−=∆ （3.8） 其中：A b S S /平尾平尾=，A b L L /平尾平尾= 从图（3.5）可知，由于无尾无尾F G Cy z x x m −=，故：无尾平尾平尾平尾平尾无尾y y Cy z C L S C k m /= (3.9）将（3.8）式、（3.9）式代入（3.7）式得到全机表达式：y C z m 从（3.10）式得知，为了使飞机具有纵向静稳定性＜0，必须满足以下条件： y C z m或)]1([/αεαααα∂∂−>=平尾平尾平尾无尾无尾无尾＝y y y y C C C C这里的无尾α是指去掉平尾的翼身组合体的迎角，实际上主要是机翼起作用，故机翼无尾＝αα。

这个条件就是说，为了保证飞机的纵向静稳定性，对于正常式的布局型式，机翼的迎角应大于尾翼的迎角。

（二）鸭式鸭式布局设计的主要类型，根据鸭翼与机翼的相对距离，可分为远距鸭式布局和近距鸭式布局两种设计型式。

传统的鸭式布局设计形式多为远距鸭翼，如1903年莱特兄弟设计成功的第一架飞机就是将水平操纵面设计在机翼之前，但他们当时尚未认识到鸭式布局的稳定性问题(其纵向实际上是“不稳定”的)。

下面我们来分析一下鸭式布局的静稳定性问题，鸭式飞机型式如图3.6所示。

图3.6 鸭式飞机在配平的情说下，鸭式飞机机翼及前翼的升力和力矩方程式为：前翼翼身Y Y mg n Y y +== （3.11）)()(G F P G z x x Y L Y x x Y M －－翼身翼身前翼前翼=−= （3.12）当飞机迎角改变时，升力和纵向力矩的增量为：)()()(ααα∆∆+∆∆=∆∆前翼翼身Y Y Y （3.13）))(()(F G z x x Y M −∆∆=∆∆αα))(()(G F x x Y L Y −∆∆−∆∆=翼身翼身前翼前翼αα （3.14）图3.7 几种鸭式飞机布局 图3.8 近距鸭式布局与无鸭翼飞机气动特性比较在这里没有考虑前翼下洗气流对机翼的影响，实际上这种影响是不能忽略的，亚音速飞行时，前翼下洗所引起的机翼升力的增量大约与前翼的升力值相等，而方向相反。

和正常式飞机一样，也可以类似地推导出的表达式：y Cz m 可知，在配平的条件下，为了保证飞机的纵向稳定性，前翼的迎角必须大于机翼的迎角，即：机翼前翼αα>0<z m 为了保证鸭式布局的飞机纵向静稳定性，那么必须使，也就是使飞机的焦点位于重心之后。

由于鸭式布局的飞机在起降和拉升时，鸭翼能提供正升力，所以，除了不少早期的飞机采用“鸭式双翼”形式以外，现代轻型低速通用飞机也有不少设计成鸭式布局形式的。

如南京航空航天大学研制的AD100型、AD200型等轻型飞机就是成功的例子。