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1、机翼外形初步设计（二） 南京航空航天大学南京航空航天大学 余雄庆余雄庆 概念设计流程 设计要求、适航条设计要求、适航条设计要求、适航条设计要求、适航条 设计要求、适航条设计要求、适航条 全机布局设计全机布局设计 全机布局设计全机布局设计 发动机选择发动机选择 发动机选择发动机选择 机身外形初步设计机身外形初步设计 机身外形初步设计机身外形初步设计 机翼外形初步设计机翼外形初步设计 机翼外形初步设计机翼外形初步设计 方案分析与评估方案分析与评估 重量特性气动特性 动力特性性能评估 操稳特性经济性分析 噪声特性排放量 可靠性维修性 机场适应性 重量特性气动特性 动力特性性能评估 操稳特性经济性分析
2、 噪声特性排放量 可靠性维修性 机场适应性 方案分析与评估方案分析与评估 重量特性气动特性 动力特性性能评估 操稳特性经济性分析 噪声特性排放量 可靠性维修性 机场适应性 重量特性气动特性 动力特性性能评估 操稳特性经济性分析 噪声特性排放量 可靠性维修性 机场适应性 确定主要参数确定主要参数 确定主要参数确定主要参数 尾翼外形初步设计尾翼外形初步设计 尾翼外形初步设计尾翼外形初步设计 总体布置总体布置 总体布置总体布置 形成初步方案形成初步方案 形成初步方案形成初步方案 满足要求？ 方案最优？ 满足要求？ 方案最优？ 设计设计 满足要求？ 方案最优？ 满足要求？ 方案最优？ Yes No 分
3、系统分系统 分系统分系统 初步方案初步方案初步方案初步方案 初步方案初步方案 分析分析 机翼的设计的内容 翼型的选择与设计翼型的选择与设计 机翼平面形状设计机翼平面形状设计 机翼厚度分布的确定机翼厚度分布的确定 机翼安装角和上反角的确定机翼安装角和上反角的确定 关于边条翼、翼梢形状和内翼后缘扩展关于边条翼、翼梢形状和内翼后缘扩展 增升装置的设计增升装置的设计 副翼和绕流板的设计副翼和绕流板的设计 机翼平面形状设计 描述机翼平面形状的几何参数描述机翼平面形状的几何参数 机翼平面形状设计时所考虑的因素机翼平面形状设计时所考虑的因素 几何参数对气动特性和结构重量的影响几何参数对气动特性和结构重量的影
4、响 机翼平面形状的几何参数的确定机翼平面形状的几何参数的确定 描述机翼平面形状的几何参数 机翼面积: 机翼面积: S S b/2b/2 展弦比: 展弦比: 2 /ARlS= 后掠角: 后掠角: 1/4 前缘 根梢比: 根梢比: c c = 尖 根 平均气动弦长（平均气动弦长（MAC） 把给定机翼展向各面的气动力矩特性加以平均而计算出来的等面积矩形相 当机翼的弦长，该矩形翼的力矩特性与给定的力矩特性相同。 把给定机翼展向各面的气动力矩特性加以平均而计算出来的等面积矩形相 当机翼的弦长，该矩形翼的力矩特性与给定的力矩特性相同。 1/4 ,S AR 如果给定：如果给定： 则：则：lAR S= 2/
5、(1)cSl=+ 根 cc= 尖根 1/4 (1)/ (1)tgtg=+ 前缘 几何参数之间的关系几何参数之间的关系 展长展长 2 (2/3)(1)/(1) root MACC=+ 2 (2/3)(1)/(1) root MACC=+ 平均气动力弦长的几何作图法平均气动力弦长的几何作图法 12 61 b Y + = + 几何参数对气动特性和结构重量影响 展弦比展弦比AR（Aspect Ratio） 1）对气动阻力的影响1）对气动阻力的影响 对低速飞机，对低速飞机， AR 增大，诱导阻力减小； 对高速飞机， 增大，诱导阻力减小； 对高速飞机， AR 增大，波阻增大；增大，波阻增大； 2）对升力线
6、斜率的影响2）对升力线斜率的影响 AR 增大，升力线斜率增大。增大，升力线斜率增大。 不同展弦比机翼的MCx 不同展弦比机翼的 y C AR8 AR2 AR8 3）对失速攻角和失速速度的影响：3）对失速攻角和失速速度的影响： AR 增大，失速攻角减小。增大，失速攻角减小。 减小 减小AR，可防止大攻角时翼尖失速。，可防止大攻角时翼尖失速。 4）对稳定性和）对稳定性和操纵性操纵性影响：影响： AR 减小，减小从亚音速到超音速过程中气动焦点的移动量；减小，减小从亚音速到超音速过程中气动焦点的移动量； AR 减小，降低了飞机横滚阻尼特性减小，降低了飞机横滚阻尼特性 5）对结构重量的影响：）对结构重量
7、的影响： AR 增大，机翼根部弯矩增大，导致结构重量增加；增大，机翼根部弯矩增大，导致结构重量增加； AR 减小，机翼根部弦长增大，结构高度增加，有利于承力构件布置；减小，机翼根部弦长增大，结构高度增加，有利于承力构件布置； 6）对内部容积的影响：）对内部容积的影响： AR 减小，有利于起落架布置；减小，有利于起落架布置； AR 减小，可增加燃油容积。减小，可增加燃油容积。 7）机翼展弦比的确定实质上是综合考虑巡航状态的升阻 比、结构重量和容积的结果。 7）机翼展弦比的确定实质上是综合考虑巡航状态的升阻 比、结构重量和容积的结果。 飞机类型飞机类型展弦比（展弦比（AR） 轻型飞机轻型飞机5.0
8、8.0 涡桨支线客机涡桨支线客机11.012.8 公务机公务机5.08.8 喷气运输机喷气运输机7.09.5 超声速战斗机超声速战斗机2.55.0 飞机名称乘客 （人） 机翼展长 （米） 机翼面积 （米 飞机名称乘客 （人） 机翼展长 （米） 机翼面积 （米2） 展弦比 阿夫罗 ） 展弦比 阿夫罗RJ70（英）（英）708526.377.38.95 CRJ700ER（加）（加）66 7823.368.77.90 ERJ170LR（巴）（巴）7026.072.89.29 728JET（美）（美）708526.675.09.43 福克福克70（荷）（荷）707928.793.58.69 几种喷气支
9、线客机的展弦比几种喷气支线客机的展弦比 喷气客机的展弦比 梯形比（梯形比（taper ratio） 1）对气动诱导阻力的影响）对气动诱导阻力的影响 根据 根据Prandtl机翼理论，当升力分布为椭圆形时，诱导阻力最小； 若机翼没有扭转和后掠，则机翼平面形状为椭圆形时，升力分布为 椭圆形，诱导阻力最小； 当 机翼理论，当升力分布为椭圆形时，诱导阻力最小； 若机翼没有扭转和后掠，则机翼平面形状为椭圆形时，升力分布为 椭圆形，诱导阻力最小； 当=0.4时，升力分布接近椭圆形，故许多低速飞机为时，升力分布接近椭圆形，故许多低速飞机为0.4左右。左右。 2）对结构重量的影响）对结构重量的影响 减小，可减
10、轻机翼结构重量 减小，可减轻机翼结构重量 3）对内部容积的影响）对内部容积的影响 减小，有利于布置起落架 减小，有利于布置起落架 4）对于翼尖失速的影响）对于翼尖失速的影响 小对防止翼尖失速不利。 小对防止翼尖失速不利。 飞机类型飞机类型梯形比梯形比 轻型飞机轻型飞机1.00.6 涡桨支线客机涡桨支线客机0.60.4 公务机公务机0.60.4 喷气运输机喷气运输机0.40.2 超声速战斗机超声速战斗机0.50.2 5）梯形比的确定实质上也是综合考虑诱导阻力（通过影 响载荷分布）、翼尖失速、结构重量和容积的结果。 ）梯形比的确定实质上也是综合考虑诱导阻力（通过影 响载荷分布）、翼尖失速、结构重量
11、和容积的结果。 后掠角（后掠角（sweepback） 1）对气动特性的影响）对气动特性的影响 后掠角增大，可以提高临 后掠角增大，可以提高临M界数，延缓激波的产生； 后掠角增大，波阻降低； 后掠角增大，升力线斜率降低； 界数，延缓激波的产生； 后掠角增大，波阻降低； 后掠角增大，升力线斜率降低； 0 ()cos LL CC = = 后掠角增大，最大升力系数降低； 后掠角增大，最大升力系数降低； 后掠角增大，机翼升阻比 后掠角增大，机翼升阻比K降低；降低； 3）对结构重量的影响3）对结构重量的影响 后掠角增大，机翼结构重量增加。 后掠角增大，机翼结构重量增加。 4）对内部容积的影响4）对内部容积
12、的影响 后掠角过大，不有利于布置起落架。 后掠角过大，不有利于布置起落架。 5）如何选定后掠角5）如何选定后掠角 对于亚声速飞机： 对于亚声速飞机： =0 =0或或 2 时）时） F-15： 前缘 前缘=45 米格米格-25： ： 前缘 前缘=40 原因在于： 过大，机翼结构重量太大。原因在于： 过大，机翼结构重量太大。 的统计值 的统计值 为何要变后掠飞机为何要变后掠飞机 1）大后掠角飞机低速飞行时：）大后掠角飞机低速飞行时： 升力线斜率小； 最大升力系数小； 翼尖气流易分离。 升力线斜率小； 最大升力系数小； 翼尖气流易分离。 2）小后掠角飞机高速时小后掠角飞机高速时 零升阻力太大 零升阻
13、力太大 3）解决方案：变后掠！解决方案：变后掠！ F-111第一架变后掠飞机后掠 起飞时： 第一架变后掠飞机后掠 起飞时：前缘 前缘=16 亚音速巡航飞行时 ：亚音速巡航飞行时 ：前缘 前缘=26 超音速飞行时超音速飞行时： 前缘 前缘=72.5 机翼边条（边条翼） 什么是边条翼（什么是边条翼（strake）？）？ 在中等后掠翼（后掠角3040左 右）根部前缘，加上一后掠角很 大（ 7080）的细长前缘所形 成的复合机翼。原后掠翼称为基 本翼，附加的细长前缘称为边条。 在中等后掠翼（后掠角3040左 右）根部前缘，加上一后掠角很 大（ 7080）的细长前缘所形 成的复合机翼。原后掠翼称为基 本
14、翼，附加的细长前缘称为边条。 为什么需要边条翼？为什么需要边条翼？ 1）边条前缘产生强的脱体涡，可以直接产生涡升力 ； 2）边条脱体涡对机翼流场的有利干扰会推迟机翼表面的气流分离； 3）边条机翼的布局特别适于改进飞机大迎角气动性能，与近距鸭翼 有相似的对机翼有利干扰作用。 1）边条前缘产生强的脱体涡，可以直接产生涡升力 ； 2）边条脱体涡对机翼流场的有利干扰会推迟机翼表面的气流分离； 3）边条机翼的布局特别适于改进飞机大迎角气动性能，与近距鸭翼 有相似的对机翼有利干扰作用。 边条翼的应用边条翼的应用 F-16 F-18 米格-29米格-29 苏-27苏-27 机翼安装角的确定 机翼安装角（机翼
15、安装角（incidence）的定义：）的定义： 机翼根弦与机身轴线之间的夹角机翼根弦与机身轴线之间的夹角 安装角对飞机气动特性和性能的影响安装角对飞机气动特性和性能的影响 - 对巡航时阻力有影响；- 对巡航时阻力有影响； - 对起飞滑跑距离有影响；- 对起飞滑跑距离有影响； 如何确定安装角（i如何确定安装角（iw w) ) wLDesL iCC= , 统计值统计值 喷气客机：喷气客机： 15.3 战斗机：战斗机：-13.6 （CL， ，Des巡航时所需的升力系数） 巡航时所需的升力系数） 机翼扭转角的确定 扭转角（扭转角（twist) 几何扭转：几何扭转：1）负扭转）负扭转从翼根至翼尖，从翼根至翼尖， iw逐渐减小。逐渐减小。 2）正扭转）正扭转从翼根至翼尖，从翼根至翼尖， iw逐渐增大。逐渐增大。 气动扭转：翼根与翼尖的翼型不同。气动扭转：翼根与翼尖的翼型不同。 对气动特性的影响对气动特性的影响 负扭转或气动扭转可延缓翼梢气流失速；负扭转或气动扭转可延缓翼梢气流失速； 可改变升力分布，影响诱导阻力。可改变升力分布，影响诱导阻力
