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1、未来大型民机设计要求 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
2、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
3、进概念进行研究, 即 N+3 代客机计划,也就是在 2025 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: (1)飞行噪声比现在使用的联邦航空管理局噪声标准低 71dB,当前的标准在机场边界内 容纳了部分有害噪声; (2)氮氧化物排放比现在标准减少 75%以上,现在使用的国际民航组织航空环境保护第 六阶段标准旨在改善机场周边的空气质量; (3)燃料消耗降低超过 70%,以此降低航空旅行的温室气体排放和旅行成本; (4)具备在大都会地区优化使用多个机场跑道起降的能力,以减轻空中交通拥堵和延误, 具体说就是要能在 1500m 长的备用机场跑道起落。 根据以上设计要求
4、,由波音公司、诺斯罗普 格鲁门、麻省理工学院牵头的 3 个团队完成 了 N+3 代亚声速大型客机第一阶段的研究工作,下面将参照 NASA 未来客机的设计要求 讨论大型客机的气动布局设计。 飞机气动布局 飞机的气动布局是指飞机不同气动承力面的安排形式。飞机一般由机翼、机身、尾翼和起 落架四大部件构成其气动外形,机翼用来产生克服飞机重量的升力,也可装载燃油和安装 发动机和/或起落架;机身提供装载空间和飞机其他部件的安装基础;尾翼用于保证飞机的 稳定飞行和提供飞行操纵力矩;起落架供起飞、着陆及地面滑行和停放使用。由此可以看 出,机翼是飞机的主要气动承力面,由平尾和立尾组成的尾翼是飞机的辅助气动承力面
5、。简单地说,飞机机翼和尾翼的不同安排就构成了飞机的气动布局。传统飞机的气动布局有 以下几种形式。 (1)正常式布局:水平尾翼位于机翼之后的布局形式,是现代飞机采用最多的布局,积 累的知识和设计经验最为丰富。飞机正常飞行时,正常式布局的水平尾翼一般提供向下的 负升力,保证飞机各部分的合力矩平衡,保持飞机的静稳定性。现代大型客机全部采用这 种布局形式,如 1957 年首飞的波音 707 客机和 1991 年首飞的空客公司 A340 客机气动 外形比较,它们几乎没多大区别,最新型的波音 787 和空客 A350 也采用类似布局。 (2)鸭式布局:水平尾翼位于机翼之前的布局形式。鸭式布局是飞机最早采用
6、的布局形 式,莱特兄弟设计的飞机就是鸭式布局,由于鸭翼提供的不稳定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,这种布局升力效率高,难点 是鸭翼位置的选择和大迎角时俯仰力矩上仰的问题。 (3)无尾式布局:只有机翼、无平尾、有立(垂)尾的布局形式,一般采用大后掠的三 角机翼,用机翼后缘的襟副翼作为纵向配平的操作面。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。为解决操纵困难和配平阻力大的问题,无尾式 布局的飞机通常采用机翼扭转设计。这种布局的优点是结构重量较轻、气动阻力较小。近 年来,在上述 3 种典型布局的基础上,又发展了飞翼和三翼面布局
7、形式。 (4)飞翼和三翼面布局:飞翼飞机只有机翼、没有平尾和立尾,一般采用翼身一体化设 计,也没有明显的机身,通常在飞翼后缘装襟副翼、升降舵、阻力方向舵等多个舵面来控 制飞机的飞行,具有气动效率高、升阻比大等优点。三翼面布局飞机机翼前面有前翼,后 面有平尾,综合了正常式布局和鸭式布局的特点,操纵和配平特性好,允许有更大的重心 移动范围,不足之处是飞机的总重有所增加。 除上述布局外,随着未来新设计目标的提出,飞机布局也要随之创新,近年来提出了一些 新概念布局形式,如翼身融合、斜翼、连翼、环翼、变体等。 在拟定飞机设计要求后,总体设计中的重要工作之一就是进行飞机气动布局设计。一般来 说,对于相同的设计要求,不同的设计单位可能得出不同的飞机布局形式,即飞机布局设 计具有非唯一性特点。飞机气动布局设计首先通过多种气动布局方案的对比研究,选出最 优布局。此外,气动布局设计还要确定翼型和机翼 平面形状参数、机身外形、尾翼的布置和参数、发动机及其进排气系统布置、起落架布局 等。