第四節(jié)課：飛機(jī)的布局與飛行器發(fā)展

1、航航 空空 概概 論（四）論（四）飛機(jī)的布局與飛行器發(fā)展飛機(jī)的布局與飛行器發(fā)展 郭郭 慶慶 萊特兄弟首次成功動(dòng)力飛行萊特兄弟首次成功動(dòng)力飛行1903年12月14日至17日美國(guó)人萊特兄弟設(shè)計(jì)制造的飛機(jī)首次實(shí)現(xiàn)了人類歷史上的動(dòng)力飛行。這架飛機(jī)的翼展為這架飛機(jī)的翼展為13.213.2米，著陸裝置為滑橇式。最好的一米，著陸裝置為滑橇式。最好的一次飛行次飛行260260米，留空米，留空5959秒。秒。飛機(jī)的各個(gè)部件飛機(jī)各部件的功用 機(jī)翼 尾翼 舵面 機(jī)身 起落架 動(dòng)力系統(tǒng) 操縱系統(tǒng) 機(jī)載設(shè)備 產(chǎn)生升力 穩(wěn)定和操縱 升降舵、方向舵、副翼、擾流片 裝載、連接其他部件 起降滑跑、地面支撐 產(chǎn)生推力。包括發(fā)動(dòng)機(jī)

2、及其附件系統(tǒng)。 操縱飛機(jī)。 飛行儀表、通訊、導(dǎo)航、環(huán)境控制、生命保障、能源供給等等。 機(jī) 翼 機(jī) 翼機(jī)翼的功用 機(jī)翼是飛機(jī)的重要部件之一，安裝在機(jī)身上。其最主要作用是產(chǎn)生升力，同時(shí)也可以在機(jī)翼內(nèi)布置油箱和彈藥倉(cāng)，在飛行中可以收藏起落架。另外，在機(jī)翼上還安裝有改善起飛和著陸性能的襟翼和用于飛機(jī)橫向操縱的副翼，有的還在機(jī)翼前緣裝有縫翼等增加升力的裝置。 翼 型 (a) 薄翼剖面(b) 凹凸翼型(c) 平凸翼型(d) 雙凸翼型(e) 對(duì)稱翼型(f) S形翼型(g) 超臨界翼型(h) 菱形翼型(i) 雙弧形翼型翼型(翼剖面) 平行于對(duì)稱面或垂直于前緣的剖面形狀翼型實(shí)例摘自“Understanding

3、Flight”,(David F. Anderson, Scott Eberhardt)翼型幾何參數(shù)弦長(zhǎng) c (作為基準(zhǔn))相對(duì)厚度 t最大相對(duì)厚度位置 xt相對(duì)彎度 fcxttmaxfl機(jī)翼的平面形狀 基本類型 平直翼 后掠/前掠翼 三角翼RectangularTaperedRounded or EllipticalStraight WingSweepback WingSlight SweepbackModerate SweepbackGreat SweepbackForwardComplexDelta WingSimpleSwing-wing機(jī)翼的平面形狀 機(jī)翼的幾何參數(shù)機(jī)翼的幾何特性q機(jī)翼

4、面積機(jī)翼面積S Sq翼展翼展l l -機(jī)翼左右翼尖之間的長(zhǎng)度。q翼弦翼弦b b -翼弦是指機(jī)翼沿機(jī)身方向的弦長(zhǎng)。q平均幾何弦長(zhǎng)平均幾何弦長(zhǎng) b bavav（b0b1）/2 b0-翼根、 b1-翼尖或bav=S/lq展弦比展弦比 -翼展l和平均幾何弦長(zhǎng)bav的比值。l/bav 或 l2/Sq后掠角后掠角 -機(jī)翼與機(jī)身軸線的垂線之間的夾角。q前緣后掠角前緣后掠角 -機(jī)翼前緣與機(jī)身軸線的垂線之間的夾角，一般用0表示q后緣后掠角后緣后掠角 -機(jī)翼后緣與機(jī)身軸線的垂線之間的夾角，一般用1表示q1/41/4弦線后掠角弦線后掠角 -機(jī)翼1/4弦線與機(jī)身軸線的垂線之間的夾角，一般用0.25表示。q前掠角前掠角

5、 -如果飛機(jī)的機(jī)翼向前掠，則后掠角就為負(fù)值,變成了前掠角。q根梢比根梢比 -翼根弦長(zhǎng)b0與翼尖弦長(zhǎng)b1的比值，b0/b1。機(jī)翼的平面形狀分類 機(jī)翼按平面形狀大致可以分為：橢圓翼、平直翼、梯形翼、后掠翼、前掠翼、三角翼（雙三角翼）等。 橢圓翼：平直翼三座小客機(jī)阿克-1（-1）平直翼：適合于低速飛行。目前的高速飛機(jī)很少采用平直機(jī)翼。 英國(guó) “防御者”小型預(yù)警機(jī) 梯形翼后掠翼后掠翼：四分之一弦線處后掠角大于25度的機(jī)翼叫做后掠翼。由于這種機(jī)翼前緣后掠，因此可以延緩激波的生成，適合于高亞音速飛行。目前許多戰(zhàn)斗機(jī)和大部分的民用飛機(jī)都采用后掠翼。 如F14“雄貓”戰(zhàn)斗機(jī)為了兼顧高速和低速情況下的機(jī)動(dòng)性，還

6、采用了后掠角可變的變后掠翼技術(shù)。 F14“雄貓”戰(zhàn)斗機(jī)的變后掠翼技術(shù)。 低速機(jī)翼低速機(jī)翼超音速機(jī)翼超音速機(jī)翼亞音速機(jī)翼亞音速機(jī)翼 前掠翼：前掠翼與后掠翼剛好相反，其機(jī)翼是向前掠的。目前采用前掠翼的飛機(jī)較少，只有一些高機(jī)動(dòng)性戰(zhàn)斗機(jī)上（如俄羅斯的S37“金雕”）三角翼雙三角翼除此之外，機(jī)翼在安裝時(shí)還可能帶有上反角或者下反角(前視)機(jī)翼的前視形狀 上反角與下反角 上反角布局下反角布局機(jī) 身 機(jī) 身機(jī)身的功用機(jī)身的主要功用是：裝載人員、貨物、燃油、各 種裝備和設(shè)備等；把機(jī)翼、尾翼、起落架連接 成為一個(gè)整體。 按照機(jī)身的功用，首先在使用方面，應(yīng)要求它具有盡可能大的空間，使它的單位體積利用率最高，以便能裝

7、載更多的人和物資，同時(shí)連接必須安全可靠。應(yīng)有良好的通風(fēng)加溫和隔音設(shè)備；視界必須廣闊，以利于飛機(jī)的起飛和降落。機(jī)身的功用 其次在氣動(dòng)方面，它的迎風(fēng)面積應(yīng)減小到最小，表面應(yīng)光滑，減小阻力。 另外，在保證有足夠的強(qiáng)度、剛度和抗疲勞的能力情況下，應(yīng)使它的重量最輕。對(duì)于具有氣密座艙的機(jī)身，抗疲勞的能力尤為重要。 機(jī)身的形式 飛機(jī)機(jī)身的型式一般有機(jī)身型、船身型和短艙型，機(jī)身型是陸上飛機(jī)的機(jī)體，水上飛機(jī)機(jī)體一般采用船身型，至于短艙型則是沒有尾翼的機(jī)體，它包括雙機(jī)身和雙尾撐。機(jī)身型飛機(jī)（陸上飛機(jī)）機(jī)身型飛機(jī)（陸上飛機(jī)）雙機(jī)身雙機(jī)身機(jī)身的形式水上飛機(jī)水上飛機(jī)機(jī)身的外形 機(jī)身的外形和發(fā)動(dòng)機(jī)的類型、數(shù)目及安裝位置有

8、關(guān)。例如活塞發(fā)動(dòng)機(jī)螺旋槳式飛機(jī)的機(jī)身，就與噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)的機(jī)身有所不同。 從機(jī)身外形來(lái)看，側(cè)面形狀一般為拉長(zhǎng)的流線體?，F(xiàn)代飛機(jī)的側(cè)面形狀受到駕駛艙的很大影響。有的駕駛艙平滑地露于氣流之中，有的則埋藏在機(jī)身之內(nèi)，前者多用于中小型飛機(jī)，后者多用于大型飛機(jī)。 機(jī)身的外形小型戰(zhàn)斗機(jī)駕駛艙暴露于氣流中機(jī)身的外形大型運(yùn)輸機(jī)駕駛艙埋于機(jī)體中大型運(yùn)輸機(jī)駕駛艙埋于機(jī)體中機(jī)身的外形 現(xiàn)代超音速戰(zhàn)斗機(jī)根據(jù)跨音速飛行的阻力特點(diǎn)，它的機(jī)頭往往做得很尖，使用激波桿，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地伸出在迎面氣流之中。這也有助于削弱激波的強(qiáng)度，減小波阻； 另外隨著速度的不斷增長(zhǎng)，飛機(jī)機(jī)身的“長(zhǎng)細(xì)比”不斷增大，即用細(xì)而長(zhǎng)的旋轉(zhuǎn)體作機(jī)身?，F(xiàn)代超音速飛

9、機(jī)機(jī)身的長(zhǎng)細(xì)比已超過(guò)10。 而且隨著速度的提高，飛機(jī)機(jī)身相對(duì)于機(jī)翼尺寸也越來(lái)越大。機(jī)身的外形 還有些超音速飛機(jī)為了減小阻力，盡量將駕駛艙埋藏于機(jī)身外形輪廓線之內(nèi)。這樣就使得飛機(jī)在著陸時(shí)座艙視界大大惡化。為了改善這種情況，就將機(jī)頭做成活動(dòng)的，著陸時(shí)可以下垂。例如“協(xié)和”號(hào)超音速旅客機(jī)機(jī)頭就可下垂17.5度。其機(jī)頭可有三種狀態(tài)。超音速飛行時(shí)，機(jī)頭呈流線形；亞音速飛行時(shí)，檔整流罩放下，以擴(kuò)大駕駛員的視界；進(jìn)場(chǎng)和著陸時(shí)則全部下垂，駕駛員視界就更擴(kuò)大了。 機(jī)身的外形 機(jī)身剖面形狀：低速飛機(jī)可用方形，而具有氣密座艙的高亞音速大型客機(jī)多用圓形或橢圓形。噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)一般采用不規(guī)則的形狀。 隱身戰(zhàn)斗機(jī)所使用的機(jī)

10、翼和機(jī)身融為一體的翼身融合體； 除去機(jī)身和尾翼的飛翼； 除去機(jī)翼的升力體機(jī)身； 以汽車作為機(jī)身的汽車飛機(jī)等等。 機(jī)身的外形 罕見機(jī)身外形 尾 翼 尾 翼尾翼的組成 水平尾翼(平尾) 垂直尾翼(垂尾或立尾) 舵面 + 安定面 低速 全動(dòng)尾翼 超音速水平尾翼的功用 水平尾翼的功用：保持飛機(jī)在飛行中的穩(wěn)定，操縱飛機(jī)抬頭或低頭運(yùn)動(dòng)。 垂直尾翼的功用 是用來(lái)保持飛機(jī)在飛行中的穩(wěn)定性和控制飛機(jī)的飛行姿態(tài)。不同的是垂直尾翼是使飛機(jī)在左右（偏航）方向具有一定的靜穩(wěn)定性，并控制飛機(jī)在左右（偏航）方向的運(yùn)動(dòng)。6、尾翼的布置 尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼，是飛機(jī)縱向和側(cè)向上的平衡、穩(wěn)定及操縱機(jī)構(gòu)。 尾翼設(shè)計(jì)的成敗，直

11、接關(guān)系到飛機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性，同時(shí)在一定程度上影響飛機(jī)的飛行性能，如速度、升限等，所以尾翼是根據(jù)飛機(jī)的操縱 、穩(wěn)定性要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的。46尾翼的布置后置尾翼變化情況47尾翼的布置 常規(guī)型尾翼通?？稍谥亓孔钶p的情況，提供足夠的穩(wěn)定性和操縱性 T型比常規(guī)型重得多，因?yàn)槲惨肀仨毤訌?qiáng)，以支撐平尾 由于存在端板效應(yīng)，T型的垂尾可以較小 T型把平尾抬高，避開了機(jī)翼尾流和螺旋槳滑流，使其效率提高，從而減小平尾尺寸 T型減小了平尾顫振，從而減輕了結(jié)構(gòu)和飛行員的疲勞 十字型是介于上述二者之間的這種方案：既避免噴流對(duì)平尾或方向舵的干擾，又減小重量代價(jià)；但無(wú)法利用端板效應(yīng)來(lái)減小尾翼的面積48尾翼的布置 雙立尾可以把方

12、向舵設(shè)置得離開飛機(jī)中心線，通常比具有同等面積的單垂尾重，但往往更有效，也直接減少了所需的高度 在大迎角下，雙立尾可能被機(jī)翼或前機(jī)身?yè)踝?雙立尾外傾對(duì)隱身有較大好處，一般外傾角在1525之間 V型尾翼是為了減小浸濕面積，與常規(guī)平尾和垂尾上對(duì)應(yīng)的力是V型尾翼上的力在水平和垂直方向的投影 NACA研究表明，要獲得滿意的操穩(wěn)性，V尾的尺寸需增大到其面積大約與所需的平尾和垂尾分開時(shí)的面積的總和相等，且操縱動(dòng)作復(fù)雜，不過(guò)干擾阻力可以較低尾翼的型式 (a)常規(guī)尾翼常規(guī)尾翼(b)雙垂尾式雙垂尾式(c)雙機(jī)身雙機(jī)身(雙尾撐雙尾撐)上的雙垂尾上的雙垂尾(d)寬機(jī)身上的雙寬機(jī)身上的雙垂尾垂尾(e)“T”字型尾翼字型

13、尾翼(f)“”字型尾翼字型尾翼(g) “ V” 型尾翼型尾翼(h)無(wú)無(wú)(平平)尾式尾式(i)鴨翼鴨翼（a）（b）（c）（g）（i）（h）（f）（e）（d）50尾翼的布置F/A-18E尾翼錯(cuò)開尾翼錯(cuò)開J-10的雙腹鰭的雙腹鰭背鰭和腹鰭改善方向穩(wěn)定的特性 布局 飛機(jī)的布局52飛機(jī)的布局 根據(jù)配平翼面和機(jī)翼之間的相對(duì)位置和配平翼面的多少，通常分為以下幾種型式： 正常式布局：水平尾翼位于機(jī)翼之后 鴨式布局：水平尾翼位于機(jī)翼之前 無(wú)尾布局：只有一對(duì)機(jī)翼，但立尾有無(wú)不確定 三翼面布局：機(jī)翼前面有前翼，后面有平尾53飛機(jī)的布局 正常式布局54飛機(jī)的布局 正常式布局55飛機(jī)的布局 鴨式布局56飛機(jī)的布局 無(wú)尾

14、式布局同正常式布局飛機(jī)相比有如下的優(yōu)點(diǎn) 飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量輕 隱身特性好 氣動(dòng)阻力較小 超音速阻力更小57飛機(jī)的布局 三翼面布局F-15S/MDT驗(yàn)證機(jī)驗(yàn)證機(jī)SU-3558飛機(jī)的布局 前掠翼布局 前掠機(jī)翼具有后掠機(jī)翼的氣動(dòng)優(yōu)點(diǎn)，但不存在后掠機(jī)翼翼梢分離的缺點(diǎn)：在迎角增大時(shí)，機(jī)翼根部最先進(jìn)入失速。因?yàn)槭賲^(qū)不包圍副翼，這樣的失速不導(dǎo)致飛機(jī)橫向操縱性的喪失。這就提高了飛行的安全性，并提高了超音速飛機(jī)的大迎角機(jī)動(dòng)性能。 前掠翼布局之所以 還未被廣泛應(yīng)用， 是因?yàn)榍奥訖C(jī)翼的 彎扭擴(kuò)散的問題。 59飛機(jī)的布局 聯(lián)翼布局 提高了抗彎扭強(qiáng)度，減輕了結(jié)構(gòu)重量 提供直接升力和直接側(cè)向力控制能力 減少了誘導(dǎo)阻力 減少了

15、跨音速和超音速波阻， 串列翼翼身融合 BWB 空中航母，1000乘客。飛翼XB-35 YB-49 影片JetAge飛行器的發(fā)展方向飛行器的發(fā)展方向 綜合設(shè)計(jì) 數(shù)字化 信息化aerosphere flight vehicle綜合設(shè)計(jì)(F22)五代機(jī)與UCAVX-47B數(shù)字化(Boeing777) CAD/CAE/CAM/PDM/ERP信息化(ProtoType)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)鐵鳥系統(tǒng)風(fēng)洞試驗(yàn)電磁試驗(yàn)信息化(ProtoType)ISR全球通戰(zhàn)場(chǎng)感知數(shù)據(jù)鏈 影片起落架 JetAge起落架的布置形式 起落架的布置有三種形式：起落架的布置有三種形式： 后三點(diǎn)式 飛機(jī)重心在兩個(gè)主輪之后； 前三點(diǎn)式 飛機(jī)重心在兩

16、個(gè)主輪之前； 自行車式 飛機(jī)的兩組主輪分別安置在機(jī)身下， 另外有兩個(gè)輔助護(hù)翼輪。后三點(diǎn)式起落架優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單，重量輕；易于在螺旋槳飛機(jī)上布置；飛機(jī)停機(jī)角與最佳起飛迎角接近，易于起飛；便于利用氣動(dòng)阻力使飛機(jī)減速。后三點(diǎn)式起落架缺點(diǎn)：方向穩(wěn)定性差，飛機(jī)容易打地轉(zhuǎn)后三點(diǎn)式起落架缺點(diǎn)： 著陸必須三點(diǎn)接點(diǎn)，操縱較困難后三點(diǎn)式起落架缺點(diǎn)：兩點(diǎn)接地時(shí)可導(dǎo)致飛機(jī)“跳躍”；后三點(diǎn)式起落架缺點(diǎn)： 飛機(jī)在高速滑行過(guò)程中采用剎車時(shí)，容易發(fā)生倒立、翻筋斗現(xiàn)象。后三點(diǎn)式起落架采用后三點(diǎn)式起落架的飛機(jī)：B17轟炸機(jī)前三點(diǎn)式起落架優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：滑行時(shí)方向穩(wěn)定性好；滑行時(shí)方向穩(wěn)定性好；著陸時(shí)兩主輪接地，容易操縱；著陸時(shí)兩主輪接地，容易操縱；可以大力使用剎車，縮短著陸滑跑距離；可以大力使用剎車，縮短著陸滑跑距離；駕駛員視野良好；駕駛員視野良好；缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：前起落架所受載荷較大，前輪在滑跑時(shí)容易擺振。前起落架所受載荷較大，