飞机总体参数详细设计部培训课件

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1、飞机总体设计,飞行器工程学院 王琦 教授,1,第三章 飞机总体参数详细设计 ( 部件设计),3.1 设计的任务和步骤 3.2 机翼参数与选择 3.3 尾翼及其操纵面的设计 3.4 机身设计 3.5 隐身对布局的影响 3.6 推进系统的选择与设计 3.7 起落架设计,2,3.1 设计的任务和步骤,3.1.1 飞机总体参数详细设计的最优化准则 设计的主要目标是保证飞机总体参数的最优化。 复杂系统优化 局部最优的子系统 最优标准：总体或部件的重量最轻,3,3.1 设计的任务和步骤,3.1.2 飞机总体参数详细设计（部件设计）的主要任务 在飞机部件的设计过程中，要解决以下的问题：,1. 选择主要参数和

2、几何尺寸的最优值； 2. 选择最优形状、最优外形； 3. 选择飞机部件的最优结构受力形式，满足强度、刚度等要求并使重量最轻； 4. 选择最优材料和工艺过程，使在成批生产中保证外形和表面质量的条件下使飞机部件生产成本最低； 5. 保证飞机部件使用维护方便，在飞机部件重要结构和设备的检查和修理时，有自由接近的和进行必需的测量调整工作的可能性。,4,3.1 设计的任务和步骤,根据飞机主要参数值和规定的战术（使用）技术性能选择飞机部件的主要参数和几何尺寸并使它们最优化。 1.机翼：展弦比A、后掠角、根梢比、机翼根部和尖部翼型的相对厚度t/c、上反角w，几何扭转及气动扭转和增升装置选择； 2.尾翼：尾翼

3、的水平力臂和垂直力臂（LHT,LVT）、尾翼的面积SHT和SVT、舵面面积SHC和SVC、根梢比HT和VT、展弦比AHT和AVT； 3.机身：最大横截面积SMf、长细比l/d、机身长度lf、机身头部和尾部的长细比； 4.起落架和动力装置：起落架支柱和机轮尺寸、进气口和尾喷口的尺寸、发动机吊舱或起落架整流舱的最大截面积等。,5,3.1 设计的任务和步骤,飞机部件（最优）形状的选择与以下的参数的选择有关：,1.机翼和尾翼的翼型及其沿翼展方向的布置规律； 2.机翼和尾翼相对于机身的位置，水平尾翼（HT）和垂直尾翼（VT）的相对位置； 3.机身的横截面和机身头部与尾部的外形； 4.起落架的位置，起落架

4、收入机翼或机身内的可能性 （以及有没有设专门的整流罩的要求）； 5.发动机进气口、短舱、安装这些短舱的吊挂，以及喷口装置的形状。,6,3.1 设计的任务和步骤,3.1.3 飞机部件设计的步骤 1. 总体布局的选择： 常规布局（指尾翼在机身后段） 无尾式布局（指没有水平尾翼和鸭翼） 鸭式布局 三翼面布局,7,3.1 设计的任务和步骤,2. 机翼和尾翼（尾翼或鸭翼）的设计参数选择 机翼面积 展弦比 后掠角（固定翼或可变后掠翼） 相对厚度 翼型类型 根梢比 舵面的尺寸和布置 安装角（固定翼或可变后掠翼） 上反角,8,3.1 设计的任务和步骤,3. 机身方案的选择 乘员、旅客、行李、燃油、货物和其他有

5、效载重的安排 座舱或飞行仪表板的设计 机身内部设计 窗户、门和紧急出口的设计 燃油、行李和货物的容积检查 武器和储备的安排 加载和卸载的通道 维修和保养的通道,9,3.1 设计的任务和步骤,4. 推进装置类型的选择 增压式或非增压式活塞式发动机或者螺旋桨 涡轮螺旋桨 桨扇 涡轮喷气或涡轮风扇 冲压喷气或火箭 电机（太阳能、微波和电池等）,10,3.1 设计的任务和步骤,5. 发动机或螺旋桨数目的选择 6.推进装置的布置 推进器：推进或拉进 发动机埋在机身内部或机翼里 发动机舱在机身上或机翼上 发动机和发动机舱的布置,11,3.1 设计的任务和步骤,7. 增升装置的类型、尺寸和布置的选择 机械式

6、襟翼 后缘或前缘增升装置 8.起落架类型和布置的选择 固定式或可收放 后三点式、前三点式或自行车式 支柱和轮胎的数目 机轮收放位置 起落架收起的可行性,12,3.1 设计的任务和步骤,9.飞机上使用的各主要系统的选择 飞控系统，主系统和备用系统 辅助动力装置 燃油系统 液压系统 冷气系统 电气系统 供氧系统 环境控制系统 防冰、除冰系统 喷洒系统（指农用飞机） 导航系统 电传控制系统,13,3.1 设计的任务和步骤,10. 结构布置、结构类型和生产细目的选择 金属、复合材料 主要飞机部件的结构布置 起落架结构 生产和制造的流程 11. 确定研究、发展、制造和使用的费用 潜在利润的估算（民用飞机

7、） 任务效能的估算（军用飞机） 全寿命周期费用估算（包括民机和军机）,14,3.2 机翼参数选择,3.2.1 翼型选择 3.2.2 机翼外形设计 3.2.3 边条 3.2.4 机翼的增升装置和副翼,15,3.2.1 翼型选择,P-51飞机,典型翼型族,16,翼型的参数 中弧线 基本厚度分布 弦长b 最大弯度f 相对弯度f/b 最大厚度c 相对厚度c/b 最大厚度的 相对位置Xc/b 前缘半径r 后缘角,3.2.1 翼型选择,17,参数对翼型气动特性的影响前缘半径,3.2.1 翼型选择,18,提高后掠机翼升力特性的措施,后掠机翼在弦平面内弯曲时其剖面迎角的变化,3.2 机翼设计,19,3.2.1

8、 翼型选择,参数对翼型气动特性的影响相对厚度,马赫数与零升阻力的关系,20,3.2.1 翼型选择,参数对翼型气动特性的影响相对厚度,相对厚度经验曲线,21,3.2.1 翼型选择,参数对翼型气动特性的影响相对弯度 对于低速飞机，巡航速度比较小，所需的升力系数要大，应当采用相对弯度较大的翼型，对于高速飞机则应选取相对弯度较小的翼型或无弯度的对称翼型。 平尾、立尾等翼面要在正负迎角、正负侧滑角下工作，因此这些翼面都要采用对称翼型,22,3.2.1 翼型选择,高速战斗机的方案设计初期 不必花太多的时间去精选合适的翼型，经常是利用已有气动试验数据的翼型，从中选择比较合适的，如NACA64A或65A的对称

9、翼型，确定好相对厚度； 而前缘半径、弯度和扭转，则可在详细设计时根据不同的任务要求和机翼平面形状再进行精修设计 大展弦比、小后掠的亚音速运输机 一般采用自己设计的超临界翼型，如美国的NASA SC(2)-0614，西工大的跨音速飞机用的NPU-S73613 还需注意翼型的配置，翼尖用失速性能好的翼型，翼根则用升阻比高、相对厚度大的翼型,23,3.2.2 机翼外形设计,机翼设计的依据 满足设计要求的飞机性能为主要依据，即应保证 尽可能大的升力及高的升阻比； 尽可能小的气动阻力； 良好的纵向及横侧向的操纵安定特性 满足强度和气动弹性要求,24,3.2.2 机翼外形设计,机翼几何形状定义,S 机翼参

10、考面积 ； l 机翼展长； b0 翼根弦长； b1 翼尖弦长 ； 机翼展弦比 ； 机翼前缘后掠角； 根梢比（梯形比）; 翼型相对厚度; 扭转角,25,3.2.2 机翼外形设计,机翼几何形状定义,S 机翼参考面积 ； l 机翼展长； b0 翼根弦长； b1 翼尖弦长 ； 机翼展弦比 ； 机翼前缘后掠角； 根梢比（梯形比）; 翼型相对厚度; 扭转角（翼尖弦和翼尖弦的夹角）,欧美国家常用的表示符号 s b c根 c尖 ； LE 尖削比（梢根比）=1/ t/c; ,26,3.2.2 机翼外形设计,机翼的平均气动弦MAC,典型的气动中心0.25 亚音速 0.4 超音速,b1,b0,27,3.2.2 机翼

11、外形设计,主要参数选取展弦比 展弦比越大，即翼展长，升力线斜率即升阻比较大 小展弦比机翼的失速迎角大,升力系数与迎角的关系,28,3.2.2 机翼外形设计,主要参数选取展弦比 大型民用旅客机和军用运输机为提高升阻比，减小升致阻力，展弦比选在10左右 战斗机着眼于高机动性和减少超声速阻力，展弦比一般选2.04.0,29,3.2.2 机翼外形设计,主要参数选取后掠角 增加后掠角，可以提高临界Ma数。 后掠角增加，可以降低气动阻力,亚音速前缘的后掠机翼,令 n= tg(r) /tg(u) n1 为超音速前缘,30,3.2.2 机翼外形设计,主要参数选取后掠角 当飞行Ma2时，如果采用亚音速前缘，则后

12、掠角可能很大，这样会引起机翼结构重量过份增大，同时翼梢分离更为严重。这时应当避开音速前缘，采用超音速前缘。 选取前缘后掠角的经验曲线,31,3.2.2 机翼外形设计,主要参数选取根梢比 根梢比影响机翼的升力沿展向分布的规律，大部分低速平直机翼的根梢比在22.5，后掠机翼的根梢比多在26范围内 除三角翼外，一般根梢比小于5，以避免翼尖失速,32,3.2.2 机翼外形设计,主要参数选取其他参数 扭转角 机翼扭转可以防止翼尖失速，改善升力分布，减小升致阻力，改善巡航特性。 一般翼根、翼尖的相对扭转角为3左右。 安装角机翼相对于机身的偏角 工程上常常给出翼根和翼尖处的安装角，并将两者之间的差值定义为扭

13、转 对多数初始设计，可假定通用航空飞机和自制飞机的安装角约2 ，运输机约1 ，军用飞机约为零度,33,3.2.2 机翼外形设计,主要参数选取其他参数 上（下）反角 上反角可提供横向安定效应 对于后掠机翼，为防止过大的横向安定性，大后掠时一般选12下反角。,34,3.2.2 机翼外形设计,机翼相对机身的垂直位置 三种形式：上单翼、中单翼、下单翼,35,3.2.2 机翼外形设计,机翼相对机身的垂直位置气动干扰问题 中单翼的气动干扰阻力最小，下单翼的干扰阻力最大。如果下单翼布局采用整流蒙皮，则可以大大降低气动干扰。 中单翼对飞机的横滚力矩特性影响不大，上单翼使系数变大，其效果相当于机翼具有较大的上反

14、角，下单翼正好相反。,36,3.2.2 机翼外形设计,机翼相对机身的垂直位置上单翼结构布置 机身更加接近地面，这对运输机来说是很明显的优点，因为这简化了装卸货物的过程 应急着陆时，机翼不能对机身起到保护作用，水上迫降时，机身在水面下，应急疏散旅客困难 机翼可以贯穿机身，机翼的升力自身可以平衡，减轻了飞机的结构重量 由于机翼的位置很高，无法装起落架，起落架只能装到机身上，这时，起落架难以保证滑跑的稳定性，因为起落架的轮距不容易保证,37,3.2.2 机翼外形设计,机翼相对机身的垂直位置中单翼结构布置 中单翼主要的不足是结构上的。对上单翼和下单翼布局来说，机翼可以贯穿机身，这种安排不会影响内部装载

15、的布置，而中单翼会受到机身内部装载布置的强烈影响 中单翼布局通常采用环形加强隔框来传递机翼的载荷，或采用折梁，修形的方式穿过机身，这样可能会增加机翼的结构重量,38,3.2.2 机翼外形设计,机翼相对机身的垂直位置下单翼结构布置 有利于起落架的设计，起落架可以直接收回机翼中。对双螺旋桨发动机来说，起落架可方便的收回到发动机短舱。但需考虑发动机和螺旋桨桨叶的离地高度，会造成起落架长度增加，重量增大。 为了增加侧向稳定性，机翼需要上反。 下单翼在应急着陆时对机身起到保护作用；水上迫降时，机身在水面上，应急疏散旅客比较方便。 机翼可以贯穿机身，降低飞机的结构重量。 机身离地高度较大，装卸货物不便。,

16、39,3.2.2 机翼外形设计,选择上下位置时，必须认真分析不同布局的特点，结合飞机的设计要求才能确定。一般来说，轻型飞机采用下单翼，军用战斗机采用中单翼，军用运输机采用上单翼，旅客机采用下单翼,40,3.2.2 机翼外形设计,机翼的纵向位置需要根据飞机的重心和飞机的稳定性操纵性的指标来确定 尾翼在后的稳定飞机，机翼的最初位置应使飞机重心位于30% MAC处；考虑机身和尾翼的影响后，重心应大致在25% MAC处 有后尾翼的不稳定飞机，机翼位置取决于所选择的不稳定水平，通常应使重心位于MAC的40%处 对于鸭式飞机，由于鸭翼下洗对机翼的影响，这些经验法则很不可靠。对于带有计算飞控系统的操纵型鸭翼(即不稳定飞机)，机翼最初应布置在使飞机重心位于机翼MAC大约1520%处,41,3.2.3 边条,“边条”是前缘尖锐，后掠角很大（达60以上）的涡流控制面 边条翼在大迎角飞