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1、飞机系 航空科学与工程学院,飞机总体设计 第四讲,飞机总体布局设计 （第一部分）,1,第四讲 飞机总体布局设计,4.1 飞机型式的含义与内容 4.2 飞机配平形式选择 4.3 隐身对布局设计的影响 4.4 机翼参数选择 4.5 尾翼布置及参数选择,2,4.1 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。 飞机型式是指飞机部件几何外形特征及装载布置方案的总称，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。 飞机
2、型式是飞机各部件数目，外形和相对位置的总称,3,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 飞机的气动力特性、强度刚度特性、使用维护性能、制造工艺性能等各个方面的特性，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在试飞之后，发现飞机的性能或操纵安定性差，则可能推翻整个方案，就会大大影响设计速度,4.1 飞机型式的含义与内容,4,飞机型式选择和飞机的设计要求之间不存在一一对应关系,设计人员应当综合地分析问题，合理妥善
3、地处理一系列相互矛盾的要求，来正确选择飞机各部件的外形及相互位置，这些部件的组合就决定了飞机型式。,4.1 飞机型式的含义与内容,5,飞机型式选择的主要工作,4.1 飞机型式的含义与内容,6,4.2 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。,7,4.2 飞机配平形式选择,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。,幻影III,幻影2
4、000,阵风,8,4.2 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：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,9,4.2 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，为了保证飞机的静稳定性 ，飞机机翼的迎角大于尾翼的迎角。,10,4.2 飞机配平形式选择,正常式布局,
5、11,4.2 飞机配平形式选择,正常式布局,12,4.2 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。 近距与远距鸭翼的更多介绍 方宝瑞，飞机气动布局设计,13,4.2 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
6、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,14,4.2 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。,15,4.2 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，用机翼后缘的襟副翼作为纵向配平的操作面。 无尾飞机配平时，襟副翼的升力方向向下，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，为此必须将襟副翼向下偏，这样会引起较大的低头力矩，为了配平低头力矩
7、襟副翼又需上偏，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。,16,4.2 飞机配平形式选择,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,17,4.2 飞机配平形式选择,三翼面布局 在正常式布局的基础上增加了水平前翼构成的，它综合了正常式布局和鸭式布局的优点，有望得到更好的气动特性，特别是操纵和配平特性 增加前翼可以使全机气动载荷分布更为合理，减轻机翼上的气动载荷，有效的减轻机翼的结构重量； 前翼和机翼的襟副翼，水平尾翼一起构成飞机的操
8、纵控制面，保证飞机大迎角的情况下有足够的恢复力矩，允许有更大的重心移动的范围； 前翼的脱体涡提供非线性升力，提高全机最大升力。 缺点是由于增加前翼使得飞机的总重有所增加,18,4.2 飞机配平形式选择,三翼面布局,F-15S/MTD验证机,F-15E,19,4.2 飞机配平形式选择,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。,4.2 飞
9、机配平形式选择,其它新概念布局介绍 翼身融合体（Blended Wing Body, BWB ） 机翼与机身高度融合 气动效率较高，但因其无垂尾，对操稳控制系统的要求也较高,3.2 飞机配平形式选择,支撑机翼（ Strut-Braced Wing ） 在常规布局飞机机翼上增加一个支撑 可减小机翼弯矩，增大展弦比和升阻比，减轻重量,22,4.2 飞机配平形式选择,联翼布局 与常规布局相比较，联翼优点如下： 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， 可以更好的采用面积律,鲲鹏-700 （北航3305 T6）,23,4.2 飞机配
10、平形式选择,BURNELLI布局 设计思路是让机身也参与产生升力。但是如果采用增压客舱，机身将变得非常重 对于大型运输机而言，Burnelli的应用有待深入的研究,24,4.2 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。,25,4.3 隐身对布局设计的影响,隐身技术的基本概念 隐身技术(Stealth Technology)又称为低可探测技术(Low Observability Technology)，泛指为了减少飞机被敌方侦察手段扑捉 、跟踪和攻击所采用的设
11、计技术，涉及的侦察手段包括雷达、红外线、光电和目视等。,26,4.3 隐身对布局设计的影响,雷达散射截面（RCS）的定义 RCS用以度量目标在雷达波照射下所产生的回波强度大小，用 表示，常用单位为m2或分贝平方米dBsm RCS越大，说明反射越强，越容易被发现,*参考飞行器隐身技术雷达散射截面控制（武哲）,27,4.3 隐身对布局设计的影响,雷达散射截面的量纲,(dBsm） m2 dBsm 1000 30 100 20 10 10 1 0 0.1 -10 0.01 -20,28,4.3 隐身对布局设计的影响,雷达散射截面曲线图 一架飞机的RCS对于不同照射方向，其值不同，通常用头向或全向的均值
12、来衡量,计算软件：SEACD 入射波长： 0.03m （X波段） 计算方法：不考虑遮挡的物理光学法,T9（330504） Vs. F-16（Demo）,29,4.3 隐身对布局设计的影响,雷达散射截面和探测距离,L,RCS(m2) L(km) 10 100 5 84 1 56 0.1 32 0.01 18,30,4.3 隐身对布局设计的影响,雷达散射截面的实例,B-52 -150平方米（头向） B-2 -0.03平方米（头向） F-16 -3平方米（头向） 幻影2000 -9平方米（头向） F-117 -0.02平方米（头向） F-22 -0.05平方米（头向） 序号 名 称 长度 直径 横向
13、 头向 (mm) (mm) RCS(dBsm) RCS(dBsm) 1 蓝翅蝗虫 20 4 -30 -40 2 工 蜂 13 6 -40 -45 3 绿头苍蝇 9 3 -46 -50 4 成年鸭子 12磅 -12dBsm,31,4.3 隐身对布局设计的影响,外形隐身设计的基本原则 消除能形成角反射器的外形布局。如采用翼身融合消除垂直侧面机身与机翼的角反射器，采用倾斜的双立尾来消除垂直立尾与平尾的角反射器,32,4.3 隐身对布局设计的影响,变后向散射为非后向散射 采用一个部件对另一强散射部件的遮挡措施，如采用背负式进气道，用机身和机翼遮挡进气道,33,4.3 隐身对布局设计的影响,将全机各翼面的棱边都安排在少数几个非重要的照射方向上去（大于正前方40以外），使雷达波反射尖峰叠在一起以减少强尖峰个数,34,4.3 隐身对布局设计的影响,采取措施消除强散射源：对于进气道，采用进气口斜切及将进气道设计成S弯形；武器尽量内埋，取消外挂,35,4.3 隐身对布局设计的影响,结构细节设计，包括铆钉、台阶等的处理，以及将口盖边缘和缝隙等设计成锯齿形状 当某些部件不能采用外形隐身措施时，可以利用吸波材料降低回波强度,B-2专用恒温机库,36,飞机型式选择的主要内容是什么？ 简述飞机鸭式、无尾式和三翼面布局的特点。 简述飞机外形隐身设计的基本原则。,复 习 题,37,谢 谢！,
