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1、航 空 概 论 四 飞机的布局与飞行器发展 郭 庆 莱特兄弟首次成功动力飞行 1903年12月14日至17日美国人莱特兄弟设计制造的飞机首次 实现了人类历史上的动力飞行 这架飞机的翼展为13 2米 着陆装置为滑橇式 最好的一 次飞行260米 留空59秒 发动机发动机 机身机身 机翼机翼 操纵系统操纵系统 水平尾翼水平尾翼 垂直尾翼垂直尾翼 起落架起落架 机翼机翼 水平尾翼水平尾翼 飞机的各个部件 飞机各部件的功用 机翼 尾翼 舵面 机身 起落架 动力系统 操纵系统 机载设备 产生升力 稳定和操纵 升降舵 方向舵 副翼 扰流片 装载 连接其他部件 起降滑跑 地面支撑 产生推力 包括发动机及其附件
2、系统 操纵飞机 飞行仪表 通讯 导航 环境控制 生命保障 能源供给等等 机 翼 机 翼 机翼的功用 机翼是飞机的重要部件之一 安装在机身上 其最主要作用是 产生升力 同时也可以在机翼内布置油箱和弹药仓 在飞行中 可以收藏起落架 另外 在机翼上还安装有改善起飞和着陆性 能的襟翼和用于飞机横向操纵的副翼 有的还在机翼前缘装有 缝翼等增加升力的装置 翼 型 a 薄翼剖面 b 凹凸翼型 c 平凸翼型 d 双凸翼型 e 对称翼型 f S形翼型 g 超临界翼型 h 菱形翼型 i 双弧形翼型 翼型 翼剖面 平行于对称面或垂直于前缘的剖面形状 翼型实例 摘自 Understanding Flight Davi
3、d F Anderson Scott Eberhardt 翼型几何参数 弦长 c 作为基准 相对厚度 t 最大相对厚度位置 xt 相对弯度 f c xt tmaxf l 机翼的平面形状 基本类型 平直翼 后掠 前掠翼 三角翼 Rectangular Tapered Rounded or Elliptical Straight WingSweepback Wing Slight Sweepback Moderate Sweepback Great Sweepback Forward Complex Delta Wing Simple Swing wing 机翼的平面形状 机翼的几何参数 1 41
4、 4弦线后掠角弦线后掠角 后缘后掠角后缘后掠角X X 1 1 前缘后掠角前缘后掠角X X 0 0 翼弦翼弦b b 0 0 翼弦翼弦b b 1 1 翼展翼展L L 平均翼弦平均翼弦b bav av b b 0 0 b b 1 1 2 2 展弦比入展弦比入 L b L bav av 机翼的几何特性 q机翼面积S q翼展l 机翼左右翼尖之间的长度 q翼弦b 翼弦是指机翼沿机身方向的弦长 q平均几何弦长 bav b0 b1 2 b0 翼根 b1 翼尖 或bav S l q展弦比 翼展l和平均几何弦长bav的比值 l bav 或 l2 S q后掠角 机翼与机身轴线的垂线之间的夹角 q前缘后掠角 机翼前缘
5、与机身轴线的垂线之间的夹角 一般用 0表示 q后缘后掠角 机翼后缘与机身轴线的垂线之间的夹角 一般用 1表示 q1 4弦线后掠角 机翼1 4弦线与机身轴线的垂线之间的夹角 一般用 0 25表示 q前掠角 如果飞机的机翼向前掠 则后掠角就为负值 变成了前掠角 q根梢比 翼根弦长b0与翼尖弦长b1的比值 b0 b1 机翼的平面形状分类 机翼按平面形状大致可以分为 椭圆翼 平直翼 梯形翼 后 掠翼 前掠翼 三角翼 双三角翼 等 椭圆翼 平直翼 三座小客机阿克 1 1 平直翼 适合于低速飞行 目前的高速飞机很少采用平直机 翼 英国 防御者 小型预警机 梯形翼 后掠翼 后掠翼 四分之一弦线处后掠角大于2
6、5度的机翼叫做后 掠翼 由于这种机翼前缘后掠 因此可以延缓激波的生 成 适合于高亚音速飞行 目前许多战斗机和大部分的 民用飞机都采用后掠翼 如F 14 雄猫 战斗机为了兼顾高速和低速情况下的机 动性 还采用了后掠角可变的变后掠翼技术 F 14 雄猫 战斗机的变后掠翼技术 低速机翼超音速机翼亚音速机翼 前掠翼 前掠翼与后掠翼刚好相反 其机翼是向前掠 的 目前采用前掠翼的飞机较少 只有一些高机动性 战斗机上 如俄罗斯的S 37 金雕 三角翼 双三角翼 除此之外 机翼在安装时还可能带有上反角或者下反角 前视 机翼的前视形状 上反角与下反角 上反角布局 下反角布局 机 身 机 身 机身的功用 机身的主
7、要功用是 装载人员 货物 燃油 各 种装备和设备等 把机翼 尾翼 起落架连接 成为一个整体 按照机身的功用 首先在使用方面 应要求它具有 尽可能大的空间 使它的单位体积利用率最高 以 便能装载更多的人和物资 同时连接必须安全可靠 应有良好的通风加温和隔音设备 视界必须广阔 以利于飞机的起飞和降落 机身的功用 其次在气动方面 它的迎风面积应减小到最小 表面 应光滑 减小阻力 另外 在保证有足够的强度 刚度和抗疲劳的能力情 况下 应使它的重量最轻 对于具有气密座舱的机身 抗疲劳的能力尤为重要 机身的形式 飞机机身的型式一般有机身型 船身型和短舱型 机 身型是陆上飞机的机体 水上飞机机体一般采用船身
8、 型 至于短舱型则是没有尾翼的机体 它包括双机身 和双尾撑 机身型飞机 陆上飞机 双机身 机身的形式 水上飞机 机身的外形 机身的外形和发动机的类型 数目及安装位置有关 例如活塞发动机螺旋桨式飞机的机身 就与喷气式发 动机飞机的机身有所不同 从机身外形来看 侧面形状一般为拉长的流线体 现 代飞机的侧面形状受到驾驶舱的很大影响 有的驾驶 舱平滑地露于气流之中 有的则埋藏在机身之内 前 者多用于中小型飞机 后者多用于大型飞机 机身的外形 小型战斗机驾驶舱暴露于气流中 机身的外形 大型运输机驾驶舱埋于机体中 机身的外形 现代超音速战斗机根据跨音速飞行的阻力特点 它的机头往往 做得很尖 使用激波杆 远
9、远地伸出在迎面气流之中 这也有 助于削弱激波的强度 减小波阻 另外随着速度的不断增长 飞机机身的 长细比 不断增大 即用 细而长的旋转体作机身 现代超音速飞机机身的长细比已超过 10 而且随着速度的提高 飞机机身相对于机翼尺寸也越来越大 机身的外形 还有些超音速飞机为了减小阻力 尽量将驾驶舱埋藏于机身外 形轮廓线之内 这样就使得飞机在着陆时座舱视界大大恶化 为了改善这种情况 就将机头做成活动的 着陆时可以下垂 例如 协和 号超音速旅客机机头就可下垂17 5度 其机头可有三 种状态 超音速飞行时 机头呈流线形 亚音速飞行时 档整 流罩放下 以扩大驾驶员的视界 进场和着陆时则全部下垂 驾驶员视界就
10、更扩大了 机身的外形 机身剖面形状 低速飞机可用方形 而具有气密座舱的高亚音 速大型客机多用圆形或椭圆形 喷气式战斗机一般采用不规则 的形状 隐身战斗机所使用的机翼和机身融为一体的翼身融合体 除去机身和尾翼的飞翼 除去机翼的升力体机身 以汽车作为机身的汽车飞机等等 机身的外形 罕见机身外形 尾 翼 尾 翼 尾翼的组成 水平尾翼 平尾 垂直尾翼 垂尾或立尾 舵面 安定面 低速 全动尾翼 超音速 水平尾翼 左侧 水平尾翼 左侧 水平尾翼的功用 水平尾翼的功用 保持飞机在飞行中的稳定 操纵飞机抬头或低头运动 升降舵升降舵 水平安定面水平安定面 垂直尾翼的功用 是用来保持飞机在飞行中的稳定性和控制飞机
11、的飞行 姿态 不同的是垂直尾翼是使飞机在左右 偏航 方 向具有一定的静稳定性 并控制飞机在左右 偏航 方向的运动 垂尾 民用客机 垂尾 民用客机 F22F22的双垂尾布局的双垂尾布局 6 尾翼的布置 尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼 是飞机纵 向和侧向上的平衡 稳定及操纵机构 尾翼设计的成败 直接关系到飞机的稳定 性和操纵性 同时在一定程度上影响飞机 的飞行性能 如速度 升限等 所以尾翼 是根据飞机的操纵 稳定性要求进行设计 的 46 尾翼的布置 后置尾翼变化情况 47 尾翼的布置 常规型尾翼通常可在重量最轻的情况 提供足够 的稳定性和操纵性 T型比常规型重得多 因为尾翼必须加强 以支 撑平尾 由于
12、存在端板效应 T型的垂尾可以较小 T型把平尾抬高 避开了机翼尾流和螺旋桨滑流 使其效率提高 从而减小平尾尺寸 T型减小了平尾颤振 从而减轻了结构和飞行员 的疲劳 十字型是介于上述二者之间的这种方案 既避免 喷流对平尾或方向舵的干扰 又减小重量代价 但无法利用端板效应来减小尾翼的面积 48 尾翼的布置 双立尾可以把方向舵设置得离开飞机中心线 通 常比具有同等面积的单垂尾重 但往往更有效 也直接减少了所需的高度 在大迎角下 双立尾可能被机翼或前机身挡住 双立尾外倾对隐身有较大好处 一般外倾角在 15 25 之间 V型尾翼是为了减小浸湿面积 与常规平尾和垂 尾上对应的力是V型尾翼上的力在水平和垂直方
13、 向的投影 NACA研究表明 要获得满意的操稳性 V尾的尺 寸需增大到其面积大约与所需的平尾和垂尾分开 时的面积的总和相等 且操纵动作复杂 不过干 扰阻力可以较低 尾翼的型式 a 常规尾翼 b 双垂尾式 c 双机身 双尾撑 上的双垂尾 d 宽机身上的双 垂尾 e T 字型尾翼 f 字型尾翼 g V 型尾翼 h 无 平 尾式 i 鸭翼 a b c g i h f e d 50 尾翼的布置 F A 18E尾翼错开 J 10的双腹鳍 背鳍和腹鳍改善方向稳定的特性 布局 飞机的布局 52 飞机的布局 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
14、之后 鸭式布局 水平尾翼位于机翼之前 无尾布局 只有一对机翼 但立尾有无不确定 三翼面布局 机翼前面有前翼 后面有平尾 53 飞机的布局 正常式布局 54 飞机的布局 正常式布局 55 飞机的布局 鸭式布局 56 飞机的布局 无尾式布局同正常式布局飞机相比有如下的优点 飞机结构重量轻 隐身特性好 气动阻力较小 超音速阻力更小 57 飞机的布局 三翼面布局 F 15S MDT验证机 SU 35 58 飞机的布局 前掠翼布局 前掠机翼具有后掠机翼的气动优点 但不存在后掠机 翼翼梢分离的缺点 在迎角增大时 机翼根部最先进 入失速 因为失速区不包围副翼 这样的失速不导致 飞机横向操纵性的丧失 这就提高
15、了飞行的安全性 并提高了超音速飞机的大迎角机动性能 前掠翼布局之所以 还未被广泛应用 是因为前掠机翼的 弯扭扩散的问题 59 飞机的布局 联翼布局 提高了抗弯扭强度 减轻了结构重量 提供直接升力和直接侧向力控制能力 减少了诱导阻力 减少了跨音速和超音速波阻 串列翼 翼身融合 BWB 空中航母 1000乘客 飞翼 XB 35 YB 49 影片 JetAge 飞行器的发展方向 飞行器的发展方向 综合设计 数字化 信息化 aerosphere flight vehicle 综合设计 F22 五代机与UCAV X 47B 数字化 Boeing777 CAD CAE CAM PDM ERP 信息化 Pr
16、otoType 结构试验 铁鸟系统 风洞试验 电磁试验 信息化 ProtoType ISR 全球通 战场感知数据链 影片 起落架 JetAge 起落架的布置形式 起落架的布置有三种形式 后三点式 飞机重心在两个主轮之后 前三点式 飞机重心在两个主轮之前 自行车式 飞机的两组主轮分别安置在机身下 另外有两个辅助护翼轮 飞机重心飞机重心 后三点式起落架 优点 构造简单 重量轻 易于在螺旋桨飞机上布置 飞机停机角与最佳起飞迎角接近 易于起飞 便于利用气动阻力使飞机减速 后三点式起落架 缺点 方向稳定性差 飞机容易打地转 后三点式起落架 缺点 着陆必须三点接点 操纵较困难 后三点式起落架 缺点 两点接地时可导致飞机 跳跃 后三点式起落架 缺点 飞机在高速滑行过程中采用刹车时 容易发生倒立 翻筋 斗现象 后三点式起落架 采用后三点式起落架的飞机 B17轰炸机 B17B17轰炸机轰炸机 前三点式起落架 优点 滑行时方向稳定性好 着陆时两主轮接地 容易操纵 可以大力使用刹车 缩短着陆滑跑距离 驾驶员视野良好 缺点 前起落架所受载荷较大 前轮在滑跑时容易摆振 前三点式起落架 采用前三点式起落架的飞机
