超临界机翼设计超临界机翼设计第一飞机设计研究院第一飞机设计研究院第一飞机设计研究院第一飞机设计研究院上海飞机设计研究院上海飞机设计研究院张张 锡锡 金金2011.02.182011.02.18前前 言言飞机的气动布局设计飞机的气动布局设计飞机气动设计系列培训飞机气动设计系列培训 第一章 飞机的气动布局设计原理 第二章 绕机翼的流动和超临界机翼的设计 第三章 飞机飞行力学的基本理论 第四章 型号气动的试验验证 第五章 气动特性数据体系的建立与分析方法前前 言言 机翼作为飞机贡献升力的主要部件，对飞机的整体气动特性起着十分重要作用 机翼设计是飞机气动力学设计中的技术关键 超临界机翼是上世纪在气动设计技术方面的一项重大突破它显著提高了机翼的跨音速气动特性,它能够把阻力发散马赫数提高一个档次可以增加最大相对厚度，或者减小机翼后掠角这样，进一步提高了气动效率因此，在机翼的几何参数与气动特性的设计、优化、协调、匹配方面，给设计师们提供了更大的选择空间超超 临临 界界 机机 翼翼 设设 计计前前 言言 但是，超临界机翼发展到今天，设计技术已日趋完善想在这个基础上再提高一个台阶，想在激烈的技术竞争中再领先一步，对飞机气动设计师们都是极大的挑战。
在介绍超临界机翼的设计之前，应该对常规的机翼设计有一个初步概念对于翼吊布局的飞机，机翼的最终成型是在发动机安装之后，所以，这里介绍常规机翼的设计、超临界机翼的设计和机翼-发动机短舱的一体化设计 在第一章中我们讲到飞机总体设计流程，现在来看机翼设计在流程图中的位置超超 临临 界界 机机 翼翼 设设 计计 1 常规机翼的设计常规机翼的设计 1.1 翼型的选择与设计 1.2 机翼的平面形状 目录超超 临临 界界 机机 翼翼 设设 计计 3 机翼机翼-吊挂吊挂/短舱一体化设短舱一体化设计计 3.1 发动机位置的选择 3.2 短舱吊挂外形设计 3.3 机翼的最后修形 3.4 干扰阻力的计算 2 超临界机翼设计超临界机翼设计 2.1 机翼“超临界”的含义 2.2 超临界机翼的特点 2.3 超临界机翼的设计 2.4 翼梢小翼的设计 1 常规机翼的设计常规机翼的设计 1.1 翼型的选择与设计翼型的选择与设计 1.2 机翼的平面形状机翼的平面形状（1） 翼型的几何定义翼型的几何定义 翼型翼型弦长弦长（c） 相对厚度相对厚度（t）与最与最大厚度位置大厚度位置（xt） 相对弯度相对弯度（f）与最与最大弯度位置大弯度位置（xf） 前缘半径前缘半径（r） (t 、xt、 f、 xf、 上面都有一横上面都有一横“-”) 1 1 常规机翼的设计常规机翼的设计 1 常规机翼的设计常规机翼的设计 1.1 翼型的选择与设计翼型的选择与设计 翼型为机翼的纵向剖面外形，其气动特性翼型为机翼的纵向剖面外形，其气动特性对对机翼乃至飞机的总体特性具有重要影响。
机翼乃至飞机的总体特性具有重要影响 1 1 常规机翼的设计常规机翼的设计 1 常规机翼的设计常规机翼的设计 1.1 翼型的选择与设计翼型的选择与设计（1） 翼型的几何定义翼型的几何定义（2） 绕绕翼型的翼型的流动流动驻点驻点减速减速加速加速 飞机飞行时，气流绕机翼的流动飞机飞行时，气流绕机翼的流动同时同时 驻点分流驻点分流 远前方来流在驻点处分远前方来流在驻点处分开，向上、下表面流动开，向上、下表面流动 前缘加速前缘加速 上表面来流在上表面来流在前缘加速，前缘加速，前缘半径小，加速前缘半径小，加速快，负压峰快，负压峰高 上表面减速上表面减速 上表面弯曲，气流上表面弯曲，气流加速，加速，相对厚度大，加速相对厚度大，加速快，负压快，负压高但比前缘加速小，相对来前缘加速小，相对来说是减速，负压低说是减速，负压低 翼型相对弯度翼型相对弯度 翼型相对弯度越大，零升翼型相对弯度越大，零升迎角（负）越大在同样的迎迎角（负）越大在同样的迎角下，升力越大角下，升力越大 上表面后部减速上表面后部减速 上表面上表面后部后部气流气流减速根据儒科夫斯基的根据儒科夫斯基的“库塔条库塔条件件”，前方的来流同时来到达，前方的来流同时来到达机翼的前缘，又同时离开机翼机翼的前缘，又同时离开机翼的后的后缘缘。
所以，在后所以，在后缘点的速缘点的速度和压力是平衡的度和压力是平衡的 下表面的流动可以同样下表面的流动可以同样原理分析原理分析 1 1 常规机翼的设计常规机翼的设计 1 常规机翼的设计常规机翼的设计 1.1 翼型的选择与设计翼型的选择与设计（1） 翼型的几何定义翼型的几何定义（2） 绕绕翼型的翼型的流动流动 飞机飞行时，气流绕机翼的流动飞机飞行时，气流绕机翼的流动环量环量机翼产生升力机翼产生升力 压力分布的积分就是这个飞机压力分布的积分就是这个飞机的升力但是，这是在飞机前进的的升力但是，这是在飞机前进的时候才能产生这样的压力，飞机前时候才能产生这样的压力，飞机前进同时产生阻力进同时产生阻力 前缘上洗前缘上洗 机翼产生升力，前缘诱导来流机翼产生升力，前缘诱导来流上洗 后缘下洗后缘下洗 机翼后缘有尾涡诱导上、下机翼后缘有尾涡诱导上、下表面的气流下洗表面的气流下洗 机翼的机翼的环量环量 机翼的这个对气流的诱导相当机翼的这个对气流的诱导相当于一个环的作用这个环的大小叫于一个环的作用这个环的大小叫做做“环量环量”，环量的大小与升力有，环量的大小与升力有关：关： L = L =V 这个环量与机翼对气流的诱导作这个环量与机翼对气流的诱导作用是等效的。
用是等效的3） 翼型的翼型的选择与修形选择与修形 早期飞机设计使早期飞机设计使用的翼型通常选择用的翼型通常选择一些典型翼型一些典型翼型 根据飞行性能的根据飞行性能的要求，采用逐步修要求，采用逐步修形，最后进行风洞形，最后进行风洞试验验证试验验证 1 1 常规机翼的设计常规机翼的设计 1 常规机翼的设计常规机翼的设计 1.1 翼型的选择与设计翼型的选择与设计（1） 翼型的几何定义翼型的几何定义（2） 绕绕翼型的翼型的流动流动（2） 翼型的翼型的选择与修形选择与修形 1 1 常规机翼的设计常规机翼的设计 1 常规机翼的设计常规机翼的设计 1.1 翼型的选择与设计翼型的选择与设计（1） 翼型的几何定义翼型的几何定义翼型翼型选择应考虑的因素：选择应考虑的因素： 高的升力线斜率高的升力线斜率 使整个飞机的飞行姿态具有较高使整个飞机的飞行姿态具有较高 的升力系数的升力系数 尽可能小的阻力尽可能小的阻力 有高的升阻比，以获得比较好的有高的升阻比，以获得比较好的 巡航和爬升性能巡航和爬升性能 俯仰力矩比较小俯仰力矩比较小 不致带来较大的升力损失和配平不致带来较大的升力损失和配平 阻力 良好的失速特性良好的失速特性 大的最大升力系数，而且失速时大的最大升力系数，而且失速时 升力变化缓慢。
升力变化缓慢 较大的相对厚度较大的相对厚度 使得结构重量轻，燃油容积大使得结构重量轻，燃油容积大 1 1 常规机翼的设计常规机翼的设计 1 常规机翼的设计常规机翼的设计 1.1 翼型的选择与设计翼型的选择与设计 1.2 机翼的平面形状机翼的平面形状 （1） 飞机特征参数 机翼包括布置在上面的辅机翼包括布置在上面的辅 助部件和穿越机身的部分助部件和穿越机身的部分 机翼面积机翼面积 毛机毛机翼翼 包括穿越机身部分和辅助包括穿越机身部分和辅助 部件的机翼称为部件的机翼称为“毛机翼毛机翼” 基本机翼基本机翼包括穿越机身部分但不包括辅包括穿越机身部分但不包括辅助部件的称为助部件的称为“基本机翼基本机翼” 外露机翼外露机翼 不包括穿越机身部分但包括不包括穿越机身部分但包括 辅助部件的称为辅助部件的称为“外露机翼外露机翼” 外露基本机翼外露基本机翼不包括穿越机身部分也不包括不包括穿越机身部分也不包括辅助部件的称为辅助部件的称为“外露基本机外露基本机机翼参考面积机翼参考面积 “基本机翼基本机翼”在飞机构在飞机构造造水平面中的投影面积水平面中的投影面积 机翼参考面积 1 1 常规机翼的设计常规机翼的设计 1 常规机翼的设计常规机翼的设计 1.1 翼型的选择与设计翼型的选择与设计 1.2 机翼的平面形状机翼的平面形状 （1） 飞机特征参数 机翼参考面积机翼参考面积 平均气动弦长平均气动弦长 平均气动弦长平均气动弦长(MAC) (MAC) 是代是代表整个机翼，甚至飞机气动表整个机翼，甚至飞机气动特性的一个特征长度特性的一个特征长度。
1 1 常规机翼的设计常规机翼的设计 1 常规机翼的设计常规机翼的设计 1.1 翼型的选择与设计翼型的选择与设计 1.2 机翼的平面形状机翼的平面形状 （1） 飞机特征参数 各翼剖面的环量各翼剖面的环量 机翼由各个翼剖面机翼由各个翼剖面 组成各个翼剖面都有组成各个翼剖面都有 剖面升力，一定的升力剖面升力，一定的升力 对应一定的环量对应一定的环量 （2） 绕机翼的流动 翼剖面翼剖面 剖面间的附着涡剖面间的附着涡 各个翼剖面的环量各个翼剖面的环量 不同，无旋流，环量守不同，无旋流，环量守 衡，相邻剖面间拖出尾衡，相邻剖面间拖出尾 涡涡“附着涡附着涡” 强大的翼尖涡强大的翼尖涡 在翼尖环量不连续，在翼尖环量不连续， 拖出拖出“翼尖涡翼尖涡”比附附着着 涡强得多，对周围流涡强得多，对周围流 动的诱导也大得多动的诱导也大得多 最后形成涡辫最后形成涡辫 翼尖涡和翼尖涡和附着涡在机附着涡在机 翼翼后缘拖出组合，最后后缘拖出组合，最后 形成一个形成一个“涡辫涡辫”这这是是 机翼后下洗的来源机翼后下洗的来源 附着涡附着涡翼尖涡翼尖涡涡辫涡辫 1 1 常规机翼的设计常规机翼的设计 1 常规机翼的设计常规机翼的设计 1.1 翼型的选择与设计翼型的选择与设计 1.2 机翼的平面形状机翼的平面形状 （1） 飞机特征参数 机翼的三个主要机翼的三个主要平面参数包括平面参数包括: : 展弦比展弦比 梢根比梢根比 后掠角后掠角 （3） 飞机平面参数 （2） 绕机翼的流动 1 1 常规机翼的设计常规机翼的设计 1.2 机翼的平面形状机翼的平面形状 展弦比展弦比 机翼的展弦比为其展机翼的展弦比为其展 长与平均几何弦长之比。
长与平均几何弦长之比 提高展弦比有助于提高飞机提高展弦比有助于提高飞机 的升力线斜率的升力线斜率 有限展长的机翼，大的展弦有限展长的机翼，大的展弦 比可以有效地减小升致阻力比可以有效地减小升致阻力 大展弦比大，结构重量就大大展弦比大，结构重量就大1） 飞机特征参数 （3） 飞机平面参数 （2） 绕机翼的流动 1.2 机翼的平面形状机翼的平面形状 （3） 飞机平面参数 展弦比 对飞机的翼展有限制，对飞机的翼展有限制， 例如例如: :机场跑道宽度，滑行道机场跑道宽度，滑行道 空间，特别是转弯处，以及空间，特别是转弯处，以及 机库大门宽度对客机的宽度机库大门宽度对客机的宽度, , 其上限为其上限为80 m80 m 可以采纳翼尖小翼可以采纳翼尖小翼, ,增加有效增加有效 展弦比 典型客机翼展限制见表典型客机翼展限制见表 中所示典型客机翼展限制典型客机翼展限制 飞机飞机类型类型取值范围取值范围（m） 支线飞机支线飞机 20 - 21.5 单通道飞机单通道飞机 28.5- 34中长航程飞机中长航程飞机 50 - 61 超大型双通道飞机超大型双通道飞机 77 - 80 1 1 常规机翼的设计常规机翼的设计 1 1 常规机翼的设计常规机翼的设计 1.2 机翼的平面形状机翼的平面形状 展弦比展弦比 梢根比梢根比 梢根比又称梯形比。
梢根比又称梯形比 是机翼翼梢弦长和翼根弦是机翼翼梢弦长和翼根弦 长的比值长的比值 首先要使气动载荷沿展向呈半椭首先要使气动载荷沿展向呈半椭 圆分布圆分布 大梢根比对于结构上是有益的大梢根比对于结构上是有益的 过大的梢根比可能导致气动载荷过大的梢根比可能导致气动载荷 在翼尖处集中在翼尖处集中，进而导。