第四节课：飞机布局与飞行器发展

结构试验
铁鸟系统
信息化(ProtoType)
ISR
全球通
数据链
战场感知
影片
JetAge
起落架
起落架的布置形式
• 起落架的布置有三种形式：
– 后三点式 — 飞机重心在两个主轮之后； – 前三点式 — 飞机重心在两个主轮之前； – 自行车式 — 飞机的两组主轮分别安置在机身下，
另外有两个辅助护翼轮。
根梢比η --翼根弦长b0与翼尖弦长b1的比值，η＝b0/b1。
机翼的平面形状分类
机翼按平面形状大致可以分为：椭圆翼、平直翼、梯形翼、后 掠翼、前掠翼、三角翼（双三角翼）等。 椭圆翼：
平直翼
•平直翼：适合于低速飞行。目前的高速飞机很少采用平直机 翼。
三座小客机阿克-1（А К -1）
英国 “防御者”小型预警机
F22的双垂尾布局
垂尾（民用客机）
6、尾翼的布置
• 尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼，是飞机纵 向和侧向上的平衡、稳定及操纵机构。
• 尾翼设计的成败，直接关系到飞机的稳定 性和操纵性，同时在一定程度上影响飞机 的飞行性能，如速度、升限等，所以尾翼 是根据飞机的操纵 、稳定性要求进行设计 的。
尾翼的布置
– 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。
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飞机的布局
• 联翼布局
– 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，
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串列翼
翼身融合
BWB 空中航母，1000乘客。
飞翼
YB-49
XB-35
机身的功用
• 其次在气动方面，它的迎风面积应减小到最小，表面 应光滑，减小阻力。
• 另外，在保证有足够的强度、刚度和抗疲劳的能力情 况下，应使它的重量最轻。对于具有气密座舱的机身， 抗疲劳的能力尤为重要。
机身的形式
• 飞机机身的型式一般有机身型、船身型和短舱型，机 身型是陆上飞机的机体，水上飞机机体一般采用船身 型，至于短舱型则是没有尾翼的机体，它包括双机身 和双尾撑。
缺点：
后三点式起落架
– 飞机在高速滑行过程中采用刹车时，容易发生倒立、翻筋
斗现象。
后三点式起落架
采用后三点式起落架的飞机：B17轰炸机
B17轰炸机
前三点式起落架
优点： 滑行时方向稳定性好； 着陆时两主轮接地，容易操纵； 可以大力使用刹车，缩短着陆滑跑距离； 驾驶员视野良好；
生命保障、能源供给等等。
机翼
机翼
机翼的功用
• 机翼是飞机的重要部件之一，安装在机身上。其最主要作用是 产生升力，同时也可以在机翼内布置油箱和弹药仓，在飞行中 可以收藏起落架。另外，在机翼上还安装有改善起飞和着陆性 能的襟翼和用于飞机横向操纵的副翼，有的还在机翼前缘装有 缝翼等增加升力的装置。
翼型
1/4弦线后掠角
机翼的几何特性
机翼面积S 翼展l --机翼左右翼尖之间的长度。 翼弦b --翼弦是指机翼沿机身方向的弦长。
平均几何弦长 bav＝（b0＋b1）/2 [ b0-翼根、 b1-翼尖]或bav=S/l 展弦比λ --翼展l和平均几何弦长bav的比值。λ＝l/bav 或 λ＝
梯形翼
后掠翼
后掠翼：四分之一弦线处后掠角大于25度的机翼叫做后 掠翼。由于这种机翼前缘后掠，因此可以延缓激波的生 成，适合于高亚音速飞行。目前许多战斗机和大部分的 民用飞机都采用后掠翼。
• 如F－14“雄猫”战斗机为了兼顾高速和低速情况下的 机动性，还采用了后掠角可变的变后掠翼技术。
• F－14“雄猫”战斗机的变后掠翼技术。
低速机翼 亚音速机翼 超音速机翼
• 前掠翼：前掠翼与后掠翼刚好相反，其机翼是向前掠 的。目前采用前掠翼的飞机较少，只有一些高机动性 战斗机上（如俄罗斯的S－37“金雕”）
三角翼
双三角翼
除此之外，机翼在安装时还可能带有上反角或者下反角(前视)
机翼的前视形状
• 上反角与下反角
上反角布局
下反角布局
翼型几何参数
tmax
f
l
xt c
弦长 c (作为基准) 相对厚度 t 最大相对厚度位置 xt 相对弯度 f
机翼的平面形状
• 基本类型
平直翼
后掠/前掠翼
三角翼
Straight Wing
Rectangular Tapered
Sweepback Wing
Slight Sweepback
Delta Wing
– 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
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飞机的布局
• 正常式布局
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飞机的布局
• 正常式布局
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飞机的布局
• 鸭式布局
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飞机的布局
– 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
双机身
机身型飞机（陆上飞机）
水上飞机
机身的形式
机身的外形
• 机身的外形和发动机的类型、数目及安装位置有关。 例如活塞发动机螺旋桨式飞机的机身，就与喷气式发 动机飞机的机身有所不同。
• 从机身外形来看，侧面形状一般为拉长的流线体。现 代飞机的侧面形状受到驾驶舱的很大影响。有的驾驶 舱平滑地露于气流之中，有的则埋藏在机身之内，前 者多用于中小型飞机，后者多用于大型飞机。
影片
JetAge
飞行器的发展方向
飞行器的发展方向
① 综合设计 ② 数字化 ③ 信息化
aerosphere flight vehicle
综合设计(F22)
五代机与UCAV
X-47B
数字化(Boeing777) CAD/CAE/CAM/PDM/ERP
信息化(ProtoType)
风洞试验 电磁试验
航 空 概 论（四）
飞机的布局与飞行器发展
郭庆
莱特兄弟首次成功动力飞行
1903年12月14日至17日美国人莱特兄弟设计制造的飞机首次 实现了人类历史上的动力飞行。
这架飞机的翼展为13.2米，着陆装置为滑橇式。最好的一 次飞行260米，留空59秒。
机身
水平尾翼 机翼
操纵系统
垂直尾翼 水平尾翼
机翼
起落架
后置尾翼变化情况
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尾翼的布置
– 常规型尾翼通常可在重量最轻的情况，提供足够 的稳定性和操纵性
– T型比常规型重得多，因为尾翼必须加强，以支 撑平尾
– 由于存在端板效应，T型的垂尾可以较小
– T型把平尾抬高，避开了机翼尾流和螺旋桨滑流， 使其效率提高，从而减小平尾尺寸
– T型减小了平尾颤振，从而减轻了结构和飞行员 的疲劳
（a）
(d)宽机身上的双 垂尾
(e)“T”字型尾翼
(f)“＋”字型尾翼 （d）
(g) “ V” 型尾翼
(h)无(平)尾式
(i)鸭翼
（g）
（b）
（c）
（e） （f）
（h）
（i）
尾翼的布置
F/A-18E尾翼错开
背鳍和腹鳍改善方向稳定的特性
J-10的双腹鳍
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布局
飞机的布局
飞机的布局
• 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：
• 而且随着速度的提高，飞机机身相对于机翼尺寸也越来越大。
机身的外形
• 还有些超音速飞机为了减小阻力，尽量将驾驶舱埋藏于机身外 形轮廓线之内。这样就使得飞机在着陆时座舱视界大大恶化。 为了改善这种情况，就将机头做成活动的，着陆时可以下垂。 例如“协和”号超音速旅客机机头就可下垂17.5度。其机头可 有三种状态。超音速飞行时，机头呈流线形；亚音速飞行时， 档整流罩放下，以扩大驾驶员的视界；进场和着陆时则全部下 垂，驾驶员视界就更扩大了。
机身的外形
• 机身剖面形状：低速飞机可用方形，而具有气密座舱的高亚音 速大型客机多用圆形或椭圆形。喷气式战斗机一般采用不规则 的形状。
• 隐身战斗机所使用的机翼和机身融为一体的翼身融合体； • 除去机身和尾翼的飞翼； • 除去机翼的升力体机身； • 以汽车作为机身的汽车飞机等等。
机身的外形 — 罕见机身外形
Simple
Moderate Sweepback
Complex
Rounded or Elliptical Great Sweepback
Swing-wing
Forward
机翼的平面形状
机翼的几何参数
翼弦1
前缘后掠角X0 翼弦b0
后缘后掠角X1
翼展L
平均翼弦bav=(b0+b1)/2 展弦比入=L / bav
翼型(翼剖面) 平行于对称面或垂直于前缘的剖面形状
(a) 薄翼剖面 (b) 凹凸翼型 (c) 平凸翼型 (d) 双凸翼型 (e) 对称翼型
(f) S形翼型 (g) 超临界翼型 (h) 菱形翼型 (i) 双弧形翼型
翼型实例
摘自“Understanding Flight”,
(David F. Anderson, Scott Eberhardt)
l2/S 后掠角 --机翼与机身轴线的垂线之间的夹角。
前缘后掠角 --机翼前缘与机身轴线的垂线之间的夹角，一般用χ0表示 后缘后掠角 --机翼后缘与机身轴线的垂线之间的夹角，一般用χ1表示 1/4弦线后掠角 --机翼1/4弦线与机身轴线的垂线之间的夹角，一般用
χ0.25表示。 前掠角 --如果飞机的机翼向前掠，则后掠角就为负值,变成了前掠角。
机身
机身
机身的功用
机身的主要功用是： 装载人员、货物、燃油、各
种装备和设备等； 把机翼、尾翼、起落架连接
成为一个整体。
• 按照机身的功用，首先在使用方面，应要求它具有 尽可能大的空间，使它的单位体积利用率最高，以 便能装载更多的人和物资，同时连接必须安全可靠。 应有良好的通风加温和隔音设备；视界必须广阔， 以利于飞机的起飞和降落。
机身的外形
小型战斗机驾驶舱暴露于气流中
机身的外形
大型运输机驾驶舱埋于机体中
机身的外形
• 现代超音速战斗机根据跨音速飞行的阻力特点，它的机头往往 做得很尖，使用激波杆，远远地伸出在迎面气流之中。这也有 助于削弱激波的强度，减小波阻；
• 另外随着速度的不断增长，飞机机身的“长细比”不断增大， 即用细而长的旋转体作机身。现代超音速飞机机身的长细比已 超过10。
尾翼
尾翼
尾翼的组成
• 水平尾翼(平尾) • 垂直尾翼(垂尾或立尾) • 舵面 + 安定面 —— 低速 • 全动尾翼 —— 超音速
水平尾翼的功用
水平尾翼的功用：保持飞机在飞行中的稳定， 操纵飞机抬头或低头运动。
水平尾翼（左侧）
水平安定面
升降舵
垂直尾翼的功用
是用来保持飞机在飞行中的稳定性和控制飞机的飞行 姿态。不同的是垂直尾翼是使飞机在左右（偏航）方 向具有一定的静稳定性，并控制飞机在左右（偏航） 方向的运动。
发动机
飞机的各个部件
飞机各部件的功用
• 机翼
— 产生升力
• 尾翼
— 稳定和操纵
• 舵面
— 升降舵、方向舵、副翼、扰流片
• 机身
— 装载、连接其他部件
• 起落架 — 起降滑跑、地面支撑
• 动力系统 — 产生推力。包括发动机及其附件系统。
• 操纵系统 — 操纵飞机。
• 机载设备 — 飞行仪表、通讯、导航、环境控制、
– V型尾翼是为了减小浸湿面积，与常规平尾和垂 尾上对应的力是V型尾翼上的力在水平和垂直方 向的投影
– NACA研究表明，要获得满意的操稳性，V尾的尺
寸需增大到其面积大约与所需的平尾和垂尾分开
时的面积的总和相等，且操纵动作复杂，不过干
扰阻力可以较低
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尾翼的型式
(a)常规尾翼
(b)双垂尾式
(c)双机身(双尾撑) 上的双垂尾
– 十字型是介于上述二者之间的这种方案：既避免
喷流对平尾或方向舵的干扰，又减小重量代价；
但无法利用端板效应来减小尾翼的面积
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尾翼的布置
– 双立尾可以把方向舵设置得离开飞机中心线，通 常比具有同等面积的单垂尾重，但往往更有效， 也直接减少了所需的高度
– 在大迎角下，双立尾可能被机翼或前机身挡住
– 双立尾外倾对隐身有较大好处，一般外倾角在 15°~25°之间
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飞机的布局
• 三翼面布局
SU-35
F-15S/MDT验证机 57
飞机的布局
• 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。
飞机重心
后三点式起落架
优点： 构造简单，重量轻； 易于在螺旋桨飞机上布置； 飞机停机角与最佳起飞迎角接近，易于起飞； 便于利用气动阻力使飞机减速。
后三点式起落架
缺点： 方向稳定性差，飞机容易打地转
后三点式起落架
缺点： 着陆必须三点接点，操纵较困难
后三点式起落架
缺点： 两点接地时可导致飞机“跳跃”；