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飞机气动设计分析
——由图-22M和B-1B浅析现代超音速轰炸机设计
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一、超音速轰炸机简介
众所周知，轰炸机是用于从空中对地面或水上目标进行轰炸的飞机，具有载弹量大，飞行距离远的特点。飞机开始投入战争后不久，便出现了专门用于对地面实施轰炸的轰炸机。一二次世界大战期间，轰炸机得到迅速发展和广泛使用，以美国B-17、B-29为代表的全金属四发重型轰炸机的出现是轰炸机发展到新水平的标志，这时的轰炸机载弹量可达8至9吨，航程在5000公里上下。战后，航空进入喷气时代，轰炸机也不例外，在现代喷气式轰炸机问世以来的50多年里，轰炸机的发展已经经历了三个明显的阶段（如图1所示）：
图1 喷气式轰炸机发展的三个阶段
第一阶段是上世纪60、70年代出现的亚音速喷气式轰炸机，以苏联图-16（我国轰六的原型）、英国的三V轰炸机(“胜利”、“火神”、“勇士”)、美国B-47和B-52等为代表。这一时期，飞机设计上的主要特点是以喷气动力取代螺旋桨动力，首先解决的是有无问题，在飞机的外形和结构设计上与之前的螺旋桨动力轰炸机并无较大区别。这类轰炸机由于飞行速度较慢，雷达散射截面积较大，在完整的现代防空体系面前不堪一击，突防能力较弱，但到目前为止仍有很大一部分的亚音速轰炸机在各国空军服役。
第二阶段是上世纪70、80年代出现的超音速轰炸机。超音速轰炸机往往采用了变后掠翼设计，解决了超音速轰炸机研制初期如B-58轰炸机遇到的速度与航程间的矛盾，这一阶段的代表是美国B-1B和苏联图-160、图-22M等。超音速战略轰炸机的出现使得战略轰炸机的突防能力大大增强，打击能力也相应提高。
第三阶段是上世纪末出现的隐身轰炸机，使轰炸机的战场生存能力和威慑力得到更 共享知识 分享快乐
AAAAAAAA 大的提高。目前，隐身战略轰炸机只有美国的B-2一种。
飞机气动布局优化技术研究
近年来，随着航空业的发展，飞机设计的重要性越来越凸显出来。在飞机设计的过程中，一个关键的点就是如何优化飞机的气动布局，以提高飞机的性能。本文将探讨飞机气动布局优化技术的研究进展和未来发展趋势。
一、飞机气动布局优化技术概述
飞机气动布局优化技术指的是利用计算机仿真技术对飞机的气动布局进行优化，以获得更好的飞行性能。其核心是通过数值计算的方法来预测空气流动情况，从而优化翼型、机翼展弦比、机身形状等关键气动参数，达到提高飞机性能的目的。
目前，飞机气动布局优化技术已经成为飞机设计中的重要工具。通过该技术，需要设计者可以在设计之前进行更精确的预测，避免了试验带来的高成本和高风险，同时还能够快速反馈设计优化结果，大大提高了设计效率。
二、飞机气动布局优化技术的研究进展
1. 气动布局优化的数值方法
在飞机设计中，有两种主要的气动布局优化方法：一种是基于经验和试验数据的方法，比如说基于飞机模型试验和飞行数据的方法，这种方法可以提供可靠的数据前提，但是测试过程成本高、周期长，且在设计早期需要考虑很多未知参数；另一种是基于数值仿真的方法，通过计算机仿真技术对复杂气动流进行模拟，能够以较低成本快速获得飞机气动布局优化结果，这种方法在近年来得到了飞速发展。
目前，数值方法主要有三种：CFD、VSAERO、RBF，其中CFD是当今最为流行和应用广泛的方法，其原理是通过分离计算区域，对流体流动问题建立数学模型，再应用基本物理学原理，求解问题数值解的方法。
2. 气动布局优化的关键参数 气动布局优化涉及到很多关键参数，如机翼的展弦比、后缘的形状、进气道的位置和大小、机身剖面等。同时，控制飞行器的流场分布位置、压力、重心、推力这些气动参数是优化的关键目标，其次是整个飞机的性能如滑行、爬升、减阻等。
3. 气动布局优化的自动化
近年来，随着人工智能技术的飞速发展，飞机气动布局的优化不再需要人工进行大量计算、分析和试验，而是可以利用自动化技术来解决。在这种情况下，航空公司可以利用自己的数据集，并利用机器学习算法进行飞机气动布局优化，大大加快了飞机设计的进程，降低了风险。
分布式飞机（Distributed Aircraft）是一种新型的航空器设计理念，它将飞机的主要控制面分布在飞机的不同部位，以实现更高效的气动设计和控制。
在分布式飞机的气动设计中，有以下一些关键考虑因素：
1. 翼型设计：翼型的选择和设计对于飞机性能和气动效率至关重要。分布式飞机的翼型设计需要平衡升力、阻力和操纵性能。
2. 分布式推力：分布式飞机通常采用多个分布式引擎，这种推力布局有助于减小阻力、增加操纵灵活性，并提高整体性能。
3. 控制面设计：分布式飞机的控制面是更为分散的，这就要求设计出更有效的控制面安排和操纵系统，以实现良好的机动性和稳定性。
4. 气动布局优化：通过利用计算流体力学（CFD）和其他工程分析工具，对分布式飞机的气动布局进行优化，以减小阻力、改善升力强度分布和降低噪音等。
5. 飞行控制系统设计：分布式飞机的飞行控制系统需要更复杂的设计和集成，以确保各个分布式部件的协调运行。
分布式飞机的气动设计需要综合考虑飞机的整体性能、控制系统设计和飞行操控等方面的要求。借助先进的气动设计工具和工程分析方法，可以对分布式飞机进行系统化的设计优化，以提高整体气动性能、效率和操纵能力。
未来大型客机气动布局设计
我国C919大型客机项目于2009年通过了工业和信息化部组织的专家评审，顺利进入总体设计阶段，主要部件和系统的供应商已基本确定，并采取合资、联合研发与研制、设计要求是飞机设计的依据，现代客机设计要求主要包括飞机性能、安全性、可靠性和维护性、机载系统性能等内容，还要满足民航当局的适航管理条例要求。转包生产等形式与供应商合作，以期实现飞机零部件生产的本土化以及降低飞机的直接使用成本。本文将以未来大型客机为背景，重点探讨气动布局设计问题，提出我国今后民用客机布局设计技术发展的建议。
未来大型客机设计要求
设计要求是飞机设计的依据，现代客机设计要求主要包括飞机性能、安全性、可靠性和维护性、机载系统性能等内容，还要满足民航当局的适航管理条例要求。比如，空客公司A380主要采用增加座位的技术途径达到客公里成本降低 10%以上的设计目标；波音公司 787综合使用复合材料、高效发动机、健康监测、先进制造工艺等技术，满足了降低 20%燃油消耗的设计要求，同时改善了飞机的舒适性和可维护性；我国 C919的设计目标是在性能指标与现役同级别先进客机相当的前提下，直接使用成本同比降低10%。
安全性、经济性、环保型和舒适性仍然是下一代大型客机发展的主要设计要求，也是客机的评价准则体系。波音公司将重点从气动、推进、材料和系统技术入手，力图从提高推进系统可靠度、材料、电击保护、结构和系统健康监测等方面增强飞机安全性，从减少耗油率和维护费用、减轻材料和结构重量、降低制造成本等方面提高飞机的经济性，从降低推进系统噪声、减少排放物污染、能源优化等方面加强环境保护；从降噪和人性化客舱设计等方面提高乘坐的舒适性。空客公司也提出了下一代民机发展的战略目标，明确了更安全、更经济、更环保和更舒适的设计思想。
针对未来航空环境，美国航空航天局 (NASA)于2008年10月请求工业界部门和学术单位对满足 2030年代能源效率、环境和运营目标要求的未来商用飞机的先进概念进行研究，即N+3代客机计划，也就是在20~25年之后投入使用、比现役客机先进三代的飞机。N+3代客机的初步设计目标如下：
