第四讲-飞机总体布局型式的选择解析

飞机总体设计 第四讲
飞机总体布局 型式的选择
飞机设计研究所 航空科学与工程学院
第四讲 飞机总体布局型式的选择
➢4.1 飞机型式的含义与内容 ➢4.2 飞机配平形式选择 ➢4.3 机翼参数选择 ➢4.4 尾翼布置及参数选择 ➢4.5 隐身对布局设计的影响
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4.1 飞机型式的含义与内容
❖明确了飞机的设计要求后，就要对飞机的 外形进行全面的构思，即进行飞机型式的 初步选择
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4.1 飞机型式的含义与内容
❖飞机型式没有严格的定义。
▪ 飞机型式就是飞机的总体气动布局型式。 ▪ 飞机型式是指飞机部件几何外形特征及装载布
置方案的总称，如机翼、机身、尾翼及发动机、 起落架安装位置、装载布置方案等不同的组合。 为满足不同的飞机设计要求，不同的气动、重 量、刚度和使用维护等各方面的要求，这些部 件有各不相同的外形，其组合又可有不同的型 式。 ▪ 飞机型式是飞机各部件数目，外形和相对位置 的总称
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4.2 飞机配平形式选择
❖正常式布局
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4.2 飞机配平形式选择
❖正常式布局
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4.2 飞机配平形式选择
❖鸭式布局
▪ 鸭式布局是飞机最早采用的布局型式，莱特兄弟 设计的飞机就是鸭式布局，但是由于鸭翼提供的 不稳定的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，鸭式飞机在中、大迎角飞行时，如果采用近 距耦合鸭翼型式＊，前翼和机翼前缘同时产生脱 体涡，两者相互干扰，使涡系更稳定，产生很高 的涡升力。
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4.2 飞机配平形式选择
▪ 前翼尖端涡流布置不当，会引起机翼弯矩增加， 阻力增大，所以对于客机常常采用将前翼布置 在机翼的远前下方，减少前翼对主翼的气动影 响。
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4.2 飞机配平形式选择
❖无尾布局
▪ 无尾布局飞机一般采用大后掠角的三角形机翼，用机 翼后缘的襟副翼作为纵向配平的操作面。
▪ 无尾飞机配平时，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。飞机起飞时，需要 较大的升力，为此必须将襟副翼向下偏，这样会引起 较大的低头力矩，为了配平低头力矩襟副翼又需上偏， 造成操纵困难，配平阻力增加。
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4.2 飞机配平形式选择
❖达索公司的设计传统
幻影III
幻影
阵风
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4.2 飞机配平形式选择
❖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
▪ 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
＊近距与远距鸭翼的更多介绍 －方宝瑞，《飞机气动布局设计》
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4.2 飞机配平形式选择
▪ 鸭式布局的难点是鸭翼位置的选择和大迎角时 俯仰力矩上仰的问题。由于鸭翼位于飞机的重 心之前，俯仰力矩在大迎角的情况下提供较大 的抬头力矩（上仰力矩），不能够稳定的飞行， 因此必须提供足够的低头力矩来平衡之
• 在后机身加边条（X-29） • 限制放宽静稳定余度 • 采用发动机推力矢量技术等
▪ 因此，无尾式布局的飞机通常采用扭转机翼的办法， 保证飞机的零升力矩系数大于零，这样可以有效的降 低飞机飞行时的配平阻力。
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4.2 飞机配平形式选择
▪ 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
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4.2 飞机配平形式选择
▪ 不恰当的飞机型式，会引起以后设计中的重大返 工。如果在风洞试验甚至在试飞之后，发现飞机 的性能或操纵安定性差，则可能推翻整个方案， 就会大大影响设计速度
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4.1 飞机型式的含义与内容
❖飞机型式选择和飞机的设计要求之间不存 在一一对应关系
▪ 设计人员应当综合地分析问题，合理妥善地处理一系列 相互矛盾的要求，来正确选择飞机各部件的外形及相互 位置，这些部件的组合就决定了飞机型式。
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4.1 飞机型式的含义与内容
❖飞机型式选择的主要工作
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4.2 飞机配平形式选择
❖飞机总体配平型式也就是飞机的气动布局 型式，通常指不同承力面的安排型式。
❖机翼是产生升力的主要部件，前翼、水平 尾翼和垂直尾翼等是辅助承力面，用于保 证飞机的操纵性和稳定性。
❖飞机配平型式的选择是一个复杂的创造性 的设计过程，技术因素是首先要研究的问 题。另外，飞机型式选择还会受到其他非 技术因素的制约，例如：市场 、设计人员 的风格和习惯等。
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4.1 飞机型式的含义与内容
❖ 飞机型式选择在飞机设计中的地位和作用
▪ 飞机设计过程中，影响飞机性能的重大决策基本 上都是在飞机型式选择过程中作出的
▪ 飞机的气动力特性、强度刚度特性、使用维护性 能、制造工艺性能等各个方面的特性，在飞机的 型式确定下来以后就基本上确定了
▪ 正确地选择飞机型式对设计速度和设计质量有很 大的影响
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4.2 飞机配平形式选择
❖正常式布局
▪ 多数飞机采用正常式布局，主要是因为正常式 飞机布局积累的知识和设计经验比较丰富。
▪ 飞机正常飞行时，保证飞机各部分的合力通过 飞机的重心，保持稳定的运动。
▪ 正常式布局的水平尾翼一般提供向下的负升力， 为了保证飞机的静稳定性 ，飞机机翼的迎角大 于尾翼的迎角。
• 前翼的脱体涡提供非线性升力，提高全机最大升力。
▪ 缺点是由于增加前翼使得飞机的总重有所增加
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4.2 飞机配平形式选择
❖三翼面布局
F-15D双座战斗机
F-15S/MDT验证机 19
4.2 飞机配平形式选择
❖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。
❖三翼面布局
▪ 在正常式布局的基础上增加了水平前翼构成的， 它综合了正常式布局和鸭式布局的优点，有望得 到更好的气动特性，特别是操纵和配平特性
• 增加前翼可以使全机气动载荷分布更为合理，减轻机翼 上的气动载荷，有效的减轻机翼的结构重量；
• 前翼和机翼的襟副翼，水平尾翼一起构成飞机的操纵控 制面，保证飞机大迎角的情况下有足够的恢复力矩，允 许有更大的重心移动的范围；