2014飞机总体设计8第八讲飞机的总体布置
飞机总体设计概略
新飞机的研制分成五个阶段：(1)论证阶段、(2) 方案阶段、(3) 工程研制阶段、(4) 设计定型阶段、(5) 生产定型阶段论证阶段任务：研究新飞机设计的可行性，包括技术可行性和经济可行性。
方案阶段任务：根据批准的《某型飞机战术技术要求》设计出可行的飞机总体技术方案。
主要工作内容：★确定飞机布局形式、总体设计参数★选定动力装置、主要系统方案及主要设备★机体主要结构材料和工艺分离面等★形成飞机的总体布置图、三面图、结构受力系统图★进行重心定位、性能、操稳计算，结构强度和刚度计算★提出对各分系统的技术要求★最终要制造出全尺寸的样机或绘制电子样机，进行人机接口、主要设备和通路布置的协调检查以及使用维护检查。
对飞机而言，此阶段即为飞机总体设计阶段工程研制阶段任务：根据方案阶段确定的飞机总体技术方案，进行飞机的详细设计、试制、地面试验、试飞准备等。
工程研制阶段的最终成果是试制出供地面和飞行试验用的原型机4~10架，并制定试飞大纲和准备好空、地勤人员使用原型机所需的技术文件，具有进行试飞所必需的外场保障设备设计定型阶段新飞机首飞成功后即应按试飞大纲要求，进行定型试飞。
调整试飞、鉴定试飞、定型试飞在其整个寿命期内，机上设备和发动机的更换是必然的，这往往称为寿命中期改进战术技术要求是军用飞机型号研制的重要技术文件，其既是型号研制的依据，又是该型号国家定型验收的依据。
提出战术技术要求的依据通常有四个方面：(1) 对未来战斗的设想和本国的战略战术思想；(2) 空军在未来战争中的任务和战术使用原则；(3) 部队的使用经验和失败教训；(4) 技术上实现的可能性。
制定战术技术要求的基本问题是如何正确处理需要与可能的关系，即新机的战术技术要求既要满足适用性、先进性和系统性的要求，又要符合合理性、现实性和经济性的要求。
战术技术要求的具体内容为：(一) 使用要求(二) 作战效能要求(三) 主要性能指标要求，(四) 研制的主要地面试验(五) 飞行试验干线运输机一般指客座数大于100、满载航程大于3000km以上的大型客货运输机满客航程大于6000~7000km的称为中/远程干线运输机，常用于国际航线上。
飞机总体设计
• 狭义 • 第三级
– 飞行器–的被第»值四发第级现五级概率的大小
主要决定于其信噪比
• 增大 值 即增强背景噪声信号的强度---干扰技术
• 降低 值 即降低飞行器自身的目标特征信号强度--隐身技术
• 低可见度技术 英文Low Observable Technology
2
航空宇航学院
单击此飞处行编器辑隐母身版设标计题样式
– 第二级
• 第三级
– 第四级 » 第五级
19
航空宇航学院
X-36
• McDonnell Douglas and the National Aeronautics and Space
单击此处编辑母版标题样式 Administration (NASA) have developed a tailless research aircraft that
– Low–su第per二son级ic drag
– Liquid cooling for reliability
– Unrestric•te第d m三an级euverability
• Propulsion – 第四级 – Low observable s»up第ers五on级ic inlet
– Low observable apertures • Radar • Infrared • Communications/Navigations
单击A此GM处-1编29 A辑CM母版标题样式
The AGM-129 ACM (Advanced Cruise Missile) is a stealthy,
n•uc单lear击-ar此med处cr编uise辑m母issi版le u文sed本ex样clus式ively by B-52H
飞机总体设计PPT课件
经济性能设计
燃油经济性
在保证飞行性能的前提下，通过 优化飞机气动外形、减轻结构重 量、提高发动机效率等措施，降 低飞机的燃油消耗率。
维护经济性
通过采用先进的维护理念和技术 手段，降低飞机的维护成本和停 场时间，提高飞机的出勤率和利 用率。
直接运营成本
包括燃油费、维护费、机组人员 工资等直接与飞机运营相关的成 本。设计中需要考虑如何降低这 些成本以提高飞机的经济性能。
采用遗传算法、模拟退火等启发 式算法，处理飞机设计中的复杂 问题，寻求全局最优解。
利用代理模型对飞机性能进行快 速评估，减少计算量，提高优化 效率。
多学科优化方法探讨
多学科设计优化（MDO）
综合考虑气动、结构、控制等多学科因素，实 现飞机总体设计的协同优化。
分解协调方法
将复杂问题分解为若干子问题，分别进行优化 后再进行协调，降低问题求解难度。
06
确保飞机满足适航法规和标准的要求，包括噪声、排放等 环保指标。
02
飞机总体布局设计
布局形式的选择与特点
常规布局
水平尾翼和垂直尾翼都 放在机翼后面的飞机尾
部。
鸭式布局
水平尾翼位于机翼的前 面，具有较好的大迎角
特性。
无尾布局
没有水平尾翼，靠机翼 后缘襟翼或扰流片等部
件实现俯仰操纵。
三翼面布局
在常规布局上增加一对 鸭翼。
垂直尾翼
主要功能是保持飞机的方 向平衡和操纵飞机的方向 运动。
V型尾翼
由左右两个倾斜的垂直尾 翼组成，像是固定在机身 尾部带大上反角的平尾。
起落架布局设计
前三点式起落架
自行车式起落架
两个主轮对称地布置在飞机重心之后， 前轮位于机身前部。
飞机客舱布局及设施介绍
）第 1 章 飞机客舱布局及设施介绍走进现代大型宽体客机的客舱，我们由衷地佩服飞机客舱设计人员所做出的贡献 ——他们在有限的空间内，尽可能通过柔和的灯光，合适的温度，舒适的座椅，精心 设计的行李箱储物柜，操作便捷的厨卫设备，多种多样的娱乐服务设施，以及必备的 应急设备，给人们提供了一个安全、方便、舒适的空中旅行环境。
而要保持这种良好 的运行环境，则是机务维修人员的职责所在。
在本章，我们将对飞机客舱部分的结构、各类飞机的布局，作一个介绍。
并按相 关的 A TA 章节号，介绍飞机客舱内涉及到的一些重要系统。
1.1. 机身客舱部分的结构每一种飞机机型，在设计过程中，可按用途的不同，设计成为客机、客货混合型 和货机。
其内部的结构和布局将会有较大差别。
本教材主要讨论客机的客舱结构。
飞机的客舱，是容纳乘客，并为乘客提供必要生活服务的区域。
现代喷气客机的 机身较大，客舱内采用了越来越高的舒适表准。
一般而言，民用客机的客舱前起前客舱隔墙，后至后密封舱壁。
在它的前方，前 客舱隔墙和天线罩舱壁之间为驾驶舱。
后密封舱壁的后面是非增压的区域（参看：图 1－1－1：“飞机后部的密封舱壁”）。
现代喷气客机的机身横截面形状大多为圆形，或接近圆形。
这是因为圆形横截面 机身的结构重量轻，工艺好，强度大。
而且由于机身直径大（5.1 米—6.6 米），从内部 安排来说，采用圆形横截面已经能充分保证客舱的宽敞性，座位的安排能力和通融性， 同时也能较好地保证货舱有足够的高度和宽度，安置集装箱和货盘，使整个机身内部 容积得到有效利用。
飞机设计人员正试图设计出更多机身横截面形状不同的飞机，以容纳更多的旅客。
如扁圆形横截面、8 字型横截面、横 8 字形横截面、竖椭圆形横截面等。
A380 采用了 竖椭圆横截面的设计方案，以便将机身客舱段分成上下三层。
（参看：图1－1－2：“各种形状的机身横截面设计” 现代喷气客机的机身内部一般分为两层，上层为客舱，下层为货舱和行李舱。
飞机的总体布置
设计过程中的演化—准备重画方案
— “Do not „fall in love‟ with your design”
总是会有的改进余地
• • • • • 起落架够简洁吗？ 机身可否更短些？ 浸湿面积能否减少？ 设计是否具有改进的潜力？ …...
必然会根据后续的分析和优化结果进行修改
34
9.4 飞机设计布置图
来源：Fielding J. P. Introduction to Aircraft Design
12
9.2 飞机内部的总体布置
结构间隙量的估计
对于初始布置，设计师必须估计内部部件周 围所需的结构间隙量，以免出现大量的返工 —估算间隙没有简单公式，需要根据经验判断 和参考现有的设计 大型客机的客舱内壁到外蒙皮一般需要约 4in.{10cm}的间隙 常规战斗机机身内部部件一般距离外蒙皮约 2in.{5cm} 内部部件的类型会影响所需的间隙
19
构造横截面外形
• •
9.3 飞机外形设计
机身外形设计基本步骤（续）
控制站位处的控制横截面外形构成了整个机 身外形的骨架，再在骨架上铺上光滑连续的 曲面就构成了整个机身外形
20
9.3 飞机外形设计
机翼整流带
机翼整流带通常由半径变化的、与机翼和机 身相切的圆弧定义。典型整流带的半径大约 是根弦长度的10%
表示飞机个主要组成部分的布置，主要设备、 成品附件的安装位置和相互关系的一组图样， 一般由侧视布置图、俯（仰）视布置图和剖 视布置图等组成 内部布置图比初始布局详细得多
飞机总体设计纲要
飞机总体设计一：飞机研制的五个阶段：1）论证阶段；2）方案阶段；3）工程研制阶段；4）设计定型阶段；5）生产定型阶段二：初步重量估计m0：乘员m cy；装载m zz；燃油m ry；结构m kj。
三：影响翼型气动特性的主要参数：前缘半径；相对厚度；弯度；雷诺数1：前缘半径：前缘半径小，前缘在小迎角开始分离；前缘半径越小越易分离，最大升力小，波阻小；圆前沿翼型从后缘开始分离，随迎角增大分离前移，其失速迎角大，最大升力系数大，波阻也大；一般亚声速采用圆前沿翼型，超声速采用尖前缘翼型。
2：相对厚度变化对亚声速阻力影响不大，对超声速影响阻力大；直接影响飞机阻力（尤其是波阻）3：翼型弯度：最大弯度点靠前可得到高的最大升力系数。
但弯度引起翼型有较大的零升低头力矩系数，而且随马赫数增大而激增，因此高速飞机不采用有弯度的翼型。
（平尾、立尾等翼面要在正负迎角、正负侧滑角下工作，因此采用对称翼型）4：展弦比：展弦比越大，翼尖效应对机翼影响越小（A380翼尖）。
四：边条翼作用：在中等到大迎角范围，边条产生强的脱体涡，增大涡升力，控制改善外翼部分的分离流动从而提高飞机升力。
五：设计机身时要求阻力小：头部平滑收缩；要求机身长细比大，以减小超声速波阻；尾部为轴对称旋成体，收缩缓和。
而对于亚声速飞机，机身长细比过大会加大机身浸润面积而加大摩阻。
六：保证俯仰安定性和操作性的气动布局：1）飞机处于前重心位置时，满足抬前轮、起降操纵的要求；2）对静安定的飞机，在重心后有最小允许的纵向静安定度余量；对静不定飞机，可提供足够的恢复平衡低头俯仰力矩。
3）在做机动时能保证飞机达到所规定的最大过载。
七：全动平尾转轴方式：直轴斜轴（大后掠角）八：1、外挂布局形式：外部; 半埋；共形；内部。
2、外挂低阻设计：1）最佳安装高度2）最佳弹体间隔（不小于弹径）3）弹体安装角4）合理布局5）半埋悬挂6）保形悬挂九：四种气动布局特点十：外形隐身设计原则：1）消除形成角反射器的外形布局；(变单立尾为双立尾)2）变后向散射为非后向散射; (F22棱形机头)3）采用一个部件对另一强散射部件遮挡；（F22 S型进气道,F117进气道叶栅）4) 将翼面棱边安排在非重要照射方向上；（F22 平行翼边）5）消除强散射源；6）结构细节设计；（缝隙，铆钉）7）吸波涂层；（涂层厚度1/4雷达波长）十一：气动弹性问题：1）操纵面反效：增大机翼结构扭转刚度，增加翼型厚度，减小后掠角展弦比，选择合适操纵面；2）机翼发散：采用复合材料，利用其各向异性控制变形方向；3）颤振：改善气动外形结构刚度。
飞机布局设计
– 是否已掌握了该布局的设计特点。
• 市场因素
– 研究市场（客户）对布局的偏好。
• 设计传统和风格
4
飞机构型选择的思维特点
• 创造性
– 非逻辑性思维
• 非唯一性
– 虽然设计要求相同 但构型可完全不同
5
飞机构型的非唯一性（1）
• 幻影-2000
- 无尾布局型式 - 机翼形状：三角翼 - 蜂腰形机身 - 一台发动机装在机身尾段 - 机身两侧的进气道
– 根弦较长，在翼型相对厚度相同情况下，可得到较大的结构高度。 – 三角翼的气动、强度、刚度和重量特性均较好。
• 缺点
– 升力线斜率较小，飞行速度较小时需较大的迎角，才能提供足够的 升力。
– 对于小展弦比大后掠角的三角翼，当迎角较大时，将产生强烈的下 洗气流，尾翼布置困难。
29
不同形式的三角翼
幻影2000
阵风（法）
"协和"号超音速客机 30
后掠翼 、三角翼与小展弦比机翼的比较
因素
阻力（M1.6)
后掠翼 1
阻力（ M>1.6）
3
重量
3
升力线斜率
2
洛-马公司提出的超声速公务机（三角翼）
三角翼 2
小展弦比 3
2
1
1
2
3
1
美国Aerion公司提出的超声速公务机（小展弦比）
31
机翼在机身上的安装位置
因素
上单翼
✓ 起落架短、易收放、结构重量轻； ✓ 发动机和襟翼易于检查和维修； ✓ 安全考虑：强迫着陆时，机翼可起缓冲 作用。
不利因素：
机身机翼气动干扰较大 机翼离地近，吊舱安装困难。 部分客舱的座位的视线被机翼遮挡
第八章飞机的总体布置
表 8.2 歼击机座舱基本尺寸标准表
项
目
数 值(mm)
巡航眼位至座椅参考点水平距离
205
巡航眼位至座椅参考点垂直距离
790
椅盆最小调节范围
90
驾
中立位至座椅参考点水平距离
中立位至座椅参考点垂直距离
驶
拉杆最大行程
推杆最大行程
杆
压杆最大行程
脚
中立位至座椅参考点水平距离 调节范围
蹬
蹬跎最大行程
用升力系数 C y max ，以改善飞机的低速性能，缩短起飞着陆滑跑距离，并改善机动性。
3．飞机几何外形应尽量减小其零升阻力系数，保证在高速飞行时其阻力最小，以满足高 速飞行的需要。尤其是下一代具有超音速巡航能力的飞机，这一点更为重要。
4．在所有的飞行状态下，应能保证飞机都具有合乎规定的稳定性和操纵性。 5．应保证动力装置具有最佳的工作环境和条件，最大限度地减小发动机的进、排气损失， 等等。 实际上在前几章中所讲的飞机型式的选择、飞机及其各主要部件（机翼、尾翼和机身） 的几何参数选择等就是飞机几何外形布局的基础，也是飞机外形设计的主要组成部分。但前 面各章的许多内容还仅仅限于从质的方面来考虑飞机应具有的几何外形，许多地方未在量的 方面进行细致的研究，这就需要在最后的外形布局阶段进行必要的补充、协调和修正，最后 通过绘制飞机三面草图的形式具体化，绘出飞机设计方案完整、协调的几何外形。
绘制飞机三面草图的大致步骤： 1．绘制机身的外形 此时应特别注意飞行员座舱盖的安排是否合适，是否能满足视界的要求，在此前提下尽 量圆滑过渡，以减小其所产生的附加阻力。对于发动机装在机身内的情况，还要重点协调进 气道进口及发动机尾喷口在机身三面图上的位置及其截面的大小。 2．绘出机翼的外形
飞机总体布置
6．总体布置6.1发动机布置发动机安装在后机身，双发布局，双发喷管间距取（），可以有效的减小双发喷管之间的干扰阻力损失，获得尽可能大得有效推力。
在由于故障单发飞行时，由于两边推力不平衡而引起的使机头偏向一边的力矩比较小，安全系数高。
喷管采用矢量喷管，可以保证在飞机作低速、大攻角机动飞行而操纵舵面几近失效时利用推力矢量提供的额外操纵力矩来控制飞机机动。
然而当飞机采用了推力矢量之后，发动机喷管上下偏转，产生的推力不再通过飞机的重心，产生了绕飞机重心的俯仰力距，这时推力就发挥了和飞机操纵面一样的作用。
由于推力的产生只与发动机有关系，这样就算飞机的迎角超过了失速迎角，推力仍然能够提供力矩使飞机配平，只要机翼还能产生足够大的升力，飞机就能继续在空中飞行了。
而且，通过实验还发现推力偏转之后，不仅推力能产生直接的投影升力，还能通过超环量效应令机翼产生诱导升力，使总的升力提高。
采用水平尾翼以及外倾的双垂直尾翼。
水平尾翼超出机尾向后延伸以遮蔽喷嘴，可降低雷达目标有效截面。
6.2进排气系统布置采用DSI进气道，布置在腋下，机翼与机身连接处。
洛•马开发了一种革命性的发动机进气道概念，具有出色的气动性能，并取消了传统超音速进气道上的复杂结构，降低了生产和使用费用。
DSI 是固定几何形状进气道，取消了附面层隔道、放气系统和旁通系统，减少了 300 磅的结构重量在所有速度范围包括高超音速条件下，DSI 都具有出色的性能，而在机动条件下，DSI 仍然非常可靠。
在过去的 10 年里，这项技术从酝酿走向成熟，其低风险已经被 F-35 所确认。
现在的 DSI 在性能略由于固定式进气道的基础上，可以改善飞机的隐身特性，并有利于进气道——机身一体化设计。
而在超音速性能方面，即使目前的 DSI 尚不尽如人意，但并不足以严重影响 DSI 在战斗机设计中的应用。
这里可以清楚地看到DSI 进气口，边界层被鼓包从中间“破开”，被迫向鼓包的两侧分开，最后从后缩的进气口唇口和机身连接处泄放6.3燃油箱布置燃油系统由燃油箱、增压泵、输油泵、燃油测量装置和管路组成，机内燃油箱共有四部分组成，三个在机身中部，另一个布置在两侧机翼中间段。
2014飞机总体设计8第八讲飞机的总体布置
通常由圆弧、直线、二次曲线、样条曲线， 或是由它们组成的组合曲线构成
要考虑到机身的纵向外形，要考虑到前后连 接以至整个机身外形的形成
8.3 飞机外形设计
8.2 飞机内部的总体布置
❖ 结构间隙量的估计
▪ 对于初始布置，设计师必须估计内部部件周 围所需的结构间隙量，以免出现大量的返工 —估算间隙没有简单公式，需要根据经验判断 和参考现有的设计
▪ 大型客机的客舱内壁到外蒙皮一般需要约 4in.{10cm}的间隙
▪ 常规战斗机机身内部部件一般距离外蒙皮约 2in.{5cm}
1. 工作条件相近的同类设备应尽量集中在一起， 如雷达的各组件应布置在雷达天线罩后面的 雷达舱内，综合火控系统的各分系统及设备 一般布置在前设备舱 或座舱后设备舱等
2. 设备布置应使其 信息传输线路最短
8.2 飞机内部的总体布置
❖ 设备舱布置时应考虑的原则（续）
3. 为了保证系统设备的装拆及使用维护方便， 设备舱应尽量布置在结构开敞性较好、可达 性较好的部位，且设备舱都安排布置宽大且 可快拆的维护检查口盖
▪ 内部部件的类型会影响所需的间隙
8.3 飞机外形设计
❖飞机的外形设计是依据初步确定的飞机三 面草图和总体布置图，而其最终产品是构 成飞机的理论图或外形图
❖飞机外形的内容
▪ 机身外形 ▪ 机翼外形 ▪ 尾翼外形 ▪ 进气道内形 ▪ 需整流部分的部件外形
8.3 飞机外形设计
❖ 翼面外形设计
▪ 三面图中给定了机翼、尾翼的平面形状以及 翼型、也给定了机翼、尾翼在机身上的位置
8.3 飞机外形设计
❖ 翼面外形设计
▪ 最简单的机翼、尾翼曲面是由两个翼剖面之 间的直纹面构成的
▪ 复杂的翼面曲面需要由若干个翼剖面一起定 义，而且具有复杂的前后缘形状
2019-飞机总体设计-8第八讲-飞机的总体布置
8.2 飞机内部的总体布置
设备舱布置时应考虑的原则（续）
3. 为了保证系统设备的装拆及使用维护方便， 设备舱应尽量布置在结构开敞性较好、可达 性较好的部位，且设备舱都安排布置宽大且 可快拆的维护检查口盖
4. 为了提高飞机生存力，应在综合考虑飞机战 斗要求、可靠性、安全性及维修性等因素的 条件下，布置设备时应尽力降低飞机易损性， 如将具有余度设计的设备及备份或应急子系 统进行充分的分离布置
设计过程中的演化—准备重画方案
— “Do not ‘fall in love’ with your design”
总是会有的改进余地
• 起落架够简洁吗？ • 机身可否更短些？ • 浸湿面积能否减少？ • 设计是否具有改进的潜力？ • …...
必然会根据后续的分析和优化结果进行修改
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8.4 飞机设计布置图
表示飞机个主要组成部分的布置，主要设备、 成品附件的安装位置和相互关系的一组图样， 一般由侧视布置图、俯（仰）视布置图和剖 视布置图等组成
内部布置图比初始布局详细得多
• 初始布局时，根据统计估算的电子设备体积，仅 表示为一个电子设备舱；而内部布置图将描绘电 子设备（即“黑盒子”）各部件及所需电缆线、 冷却管的实际位置
浸湿面积—机身
机身浸湿面积估算公式
S浸湿
K(
A俯
2
A侧
)
• K=π横截面为圆形的细长机身 • K= 4 机身横截面是矩形 • 一般用 K=3.4
46
8.5 飞机浸湿面积与体积
浸湿面积—机身
绘制机身浸湿面积曲线，即由横截面周长分布进行积 分得到
周长的测量不应包括部件结合部，如翼身相接的地方
系统的管路、电缆等的布置
第08节_飞机设计_尾翼设计_724609650
上反角影响最大； 机翼位置（上/中/下单翼：上单翼增加侧向稳定性）； 机翼后掠角（只在有攻角时起到稳定作用）； 立尾 注：鉴于受上反角、机翼位置影响，需在总体设计开始时（气动 布局）就检查Clβ值。
n
采用增加腹鳍面积来增加飞机的航向稳定性
ª
ª Clβ值不应大于－0.001，小了易引起荷兰滚振荡，接近0或为正值， 易引起蹬舵反操纵
对于高速飞机，在研究其纵向 静稳定度时还必须注意气动焦 点 X F 随Ma数的变化
ª ª
大后掠角小展弦比机翼跨声速时 焦点后移可达0.15 ~ 0.2 大展弦比小后掠翼则更大，此时 飞机的机动能力下降，配平阻力 增加
纵向：动稳定性
n
研究飞机纵向动稳定性要从飞机的运动方程开始
ª
由模型风洞试验获得的气动力系数可直接用于方程
纵向：操纵性
ª ——指飞机能根据飞行员的意愿使飞机在飞行中达到一定的姿
态，以实现其需要的飞行状态
n
设计纵向操纵面最重要的条件为：（全部纵向操纵要求，可参考
飞行品质规范）
ª ª ª ª
起飞抬前轮 着陆时保持姿态 高空机动 对放宽静稳定性飞机的大攻角改出能力
n
纵向操纵面的主要能力来自升降舵、全动平尾、升降副翼、 鸭翼或其组合
全动平尾为例
n
飞机的纵向操纵性是否合适，还取决于飞行员的直接感觉
ª ª
最主要指标，即每过载所需要的杆力及杆位移，称为杆力梯度 (dFe/dnz)及杆位移梯度(dxe/dnz) (飞行品质规范中有规定)； 此外，品质规范中还规定了最大杆力Fe,max以及最大杆位移值xe,max
设计纵向操纵特性的四个条件
n
ª 纵向（静稳定性、动稳定性及操纵性） ª 横侧向（静稳定性、动稳定性及操纵性）
飞机总体布局设计
“火神”采用无尾三角翼布局形式，4台发动 机。 B-47采用后掠翼的布局型式，6台发动机。
B-47与“火神”飞机
7
航空宇航学院
单击此处编辑母版标题样式 1.尾翼的数目及其与机翼、机身的相对位置
• 单击此处编辑母版文本样式 • 平尾前、后位置与数目的三种形式
– 第二级 1．正常式（Conventional)
• 第三级 2．鸭式（Canard） – 第四级
第五级 3．无尾式» ( Tailless )
8
航空宇航学院
正常式飞机 单击此处编辑母版标题样式
• •水平尾翼的气动力 单击此处编辑母版文本样式 • 第三级 • 优点与缺点第四级 –
- 技术成熟，所积累的经验和资料丰富，设计容易成功。 » 第五级 - 机翼的下洗对尾翼的干扰往往不利，布置不当配平阻力比较大。 - 平尾对全机升力贡献的大小与重心的位置有关 - – 第二级 纵向静稳定性
• • 第三级 置，有可能满足大迎角时纵向稳定性的要求。 – 第四级 避开发动机尾喷流的不利干扰 » 第五级
平尾安装在机身上对减轻结构重量有利
• 有利于结构布置
考虑角度 结构重量
上平尾 轻
中平尾 较轻
下平尾 轻
“T” 平尾 重
高置平尾 较重
19
航空宇航学院
不同平尾高低位置的实例 单击此处编辑母版标题样式
• 第三级
1 – 第四级 » 第五级 1 3** 1 1
9
航空宇航学院
鸭式布局 单击此处编辑母版标题样式
• 全机升力系数较大； • 单击此处编辑母版文本样式 • L/D可能较大； – 第二级 • 第三级 • 为保证飞机纵向稳定性，前翼迎角一般大于机翼迎角；
– 第四级 • 前翼应先失速，否则飞机有可能无法控制。 » 第五级
第08节_飞机设计_尾翼设计_724609650
A
n n
常规飞机Cm,CL < 0 时才能保证静稳定性(即重心在气 动焦点之前)，不同类型飞机的Cm,CL值要求不同。 一般高机动的常规歼击机Cm,CL应取－0.02，对于重型 飞机则取－ 0.15。具体设计参考飞行规范
提
n
示
上述Cm,CL为参考的最低值，即限定了飞机重心后限（重 心前/后限参考）。
纵向：操纵性
ª ——指飞机能根据飞行员的意愿使飞机在飞行中达到一定的姿
态，以实现其需要的飞行状态
n
设计纵向操纵面最重要的条件为：（全部纵向操纵要求，可参考
飞行品质规范）
ª ª ª ª
起飞抬前轮 着陆时保持姿态 高空机动 对放宽静稳定性飞机的大攻角改出能力
n
纵向操纵面的主要能力来自升降舵、全动平尾、升降副翼、 鸭翼或其组合
ª
dε ) HT dα
对于大后掠角、小展弦比机翼，此值往往大于 dε ( ) 0.5；另外， 往往随攻角变化，其变化形式 dα 与平尾位置变化有关
HT
ª
dε ) 利用 ( d 特性可以补偿翼身组合体的力矩非 α 线性，即局部不稳定，以保证飞机有良好的力 矩特性。
HT
Cm,CL中的参数确定
n
尾翼外形设计
肖志祥 航天航空学院
尾翼与飞机
n
保证飞机在所有可能的飞行状态下都获得必需 的稳定性和操纵性
ª 稳定性为当破坏平衡的因素消失后，飞机能自动恢
复到初始平衡状态的能力。为了保证飞行，设计成 在整个马赫数、攻角及重心位置范围内都有足够的 稳定度 ª 操纵性主要是根据飞行员意愿，要使飞机达到一定 飞行状态，其操纵面能提供的能力和所须施加于驾 驶杆的力、位移以及操纵运动过程的动特性等
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二次曲线几何形状定义
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8.3 飞机外形设计
典型的曲线曲面
曲面
• • • • • • 双三次样条曲面 B样条曲面 有理B样条曲面 NURBS曲面 Bezier曲面 Coons曲面
来源：施法中. 计算机辅助几何设计 与非均匀有理B样条. 2001
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8.4 飞机设计布置图
设计过程中的演化—设计草图
20
构造横截面外形
• •
8.3 飞机外形设计
机身外形设计基本步骤（续）
控制站位处的控制横截面外形构成了整个机 身外形的骨架，再在骨架上铺上光滑连续的 曲面就构成了整个机身外形
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8.3 飞机外形设计
机翼整流带
机翼整流带通常由半径变化的、与机翼和机 身相切的圆弧定义。典型整流带的半径大约 是根弦长度的10%
确定每个剖面上曲线的数目和类型
避免数目和类型过多
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8.4 飞机设计布置图
设计过程中的演化—初步放样（Lofting）
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8.4 飞机设计布置图
设计过程中的演化—起落架与分系统的细化
起落架 电子设备 有效载荷 燃油系统 …...
“如果在进行放样前没有考虑放置起落架， 在这一步中十之八九是放不进去了！”
来源：Kirschbaum’s Aircraft Design Handbook, Aircraft Design Aid and Layout Guide
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8.4 飞机设计布置图
三面图
正式的三面图应将整个飞机的几何外形、各 部件及机体主要组成部分的相对位置、所选 定的几何参数等完全表示清楚 在三面图上应标出主要几何尺寸，对最终的 三面图还应以表格形式给出飞机主要部件、 舵面及其他活动面的几何参数、偏度以及进 气道参数等
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8.4 飞机设计布置图
三面图
来源：Kirschbaum’s Aircraft Design Handbook, Aircraft Design Aid and Layout Guide 38
8.4 飞机设计布置图
三面图
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8.4 飞机设计布置图
三面图
40
8.4 飞机设计布置图
总体布置图（内部布置图）
草图的作用 （第二讲P. 30）
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8.4 飞机设计布置图
设计过程中的演化—开始设计布置
从机翼开始
• 几何参数：展弦比、后掠角、尖削比 • 在全机中的位置
设计机身
• 近似确定起始位置 • 放置最大的标准部件（发动机、有效载荷、 驾驶舱） • 将被持续修改，以便能“包”住内部的部件
依据尾容量初定尾翼大小 尽快把起落架放进去
第八讲 飞机的总体布置
8.1 飞机总体布置工作的任务
8.2 飞机内部的总体布置
8.3 飞机外形设计
8.4 飞机设计布置图
8.5 飞机浸湿面积与体积
8.6 使用CAD的误区
2
8.1 飞机总体布置工作的任务
飞机总体布置工作的具体任务
对飞机内部各舱段的成品设备及各系统管路、电 缆等的通路进行布置和协调 重点对机身内部进行协调布置，以确定机身的最 大横截面、机身总长度和总体积等，并根据调整 重心的要求最后确定机身与机翼、尾翼、发动机 等的位置关系 在总体布置的基础上对飞机的几何外形进行修形 与完善 对飞机的重量、重心位置进行校核
Storm Shadow 来源： /design/ucav/design.shtml
2010 DT13
10
8.2 飞机内部的总体布置
结构总体方案确定的原则
① 结构布局设计力求综合满足各种设计要求， 结构传力合理，力求综合承载 ② 结构总体方案力求重量最轻
3. 为了保证系统设备的装拆及使用维护方便， 设备舱应尽量布置在结构开敞性较好、可达 性较好的部位，且设备舱都安排布置宽大且 可快拆的维护检查口盖 4. 为了提高飞机生存力，应在综合考虑飞机战 斗要求、可靠性、安全性及维修性等因素的 条件下，布置设备时应尽力降低飞机易损性， 如将具有余度设计的设备及备份或应急子系 统进行充分的分离布置
3
8.1 飞机总体布置工作的任务
在初步设计阶段结束前，还应对飞机各舱段分区进 行打样协调，据此进行全尺寸样机的设计和制造， 通过评审后冻结飞机的技术状态
4
8.2 飞机内部的总体布置
内部总体布置的主要内容
机舱的布置 发动机和进排气系统的布置 燃油箱及其系统的布置 武器装载的布置 雷达及各种系统设备舱的布置 操纵、电气、液压、冷气等各种系统的管路、 电缆等的布置 主要结构布置方面的考虑
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8.3 飞机外形设计
飞机的外形设计是依据初步确定的飞机三 面草图和总体布置图，而其最终产品是构 成飞机的理论图或外形图 飞机外形的内容
机身外形 机翼外形 尾翼外形 进气道内形 需整流部分的部件外形
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8.3 飞机外形设计
翼面外形设计
三面图中给定了机翼、尾翼的平面形状以及 翼型、也给定了机翼、尾翼在机身上的位置
飞机总体设计 第八讲
飞机的总体布置
飞机系 航空科学与工程学院
本讲内容在设计流程中的位置
ห้องสมุดไป่ตู้
总体布局设计
配平型式选择 机翼参数选择 尾翼参数选择 机舱与装载布置 推进系统设计 起落架布置 部件及分 系统设计
飞机总体布置 和几何建模
多学科设计 优化(MDO)
经济性、环 保性分析
飞机性能综 合分析评估
结构布局 及重量
8.3 飞机外形设计
翼面外形设计中的其他考虑
边条 翼尖
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8.3 飞机外形设计
总体布置草图为构造机身外形提供了依据
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8.3 飞机外形设计
机身外形设计基本步骤
根据总体布置草图，选定10个左右机身控制 切面（又称控制横截面、控制剖面）
• 雷达天线切面、座舱切面、进气道进口切面、 发动机进口切面...... 通常由圆弧、直线、二次曲线、样条曲线， 或是由它们组成的组合曲线构成 要考虑到机身的纵向外形，要考虑到前后连 接以至整个机身外形的形成
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8.3 飞机外形设计
翼面外形设计
最简单的机翼、尾翼曲面是由两个翼剖面之 间的直纹面构成的 复杂的翼面曲面需要由若干个翼剖面一起定 义，而且具有复杂的前后缘形状
RAGE
直纹面示意
Rodriguez D. L., and Sturdza P. A Rapid Geometry Engine for Preliminary Aircraft Design. AIAA 2006-929 17
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8.4 飞机设计布置图
设计过程中的演化—起落架与分系统的细化
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8.4 飞机设计布置图
设计过程中的演化—设计布置终了
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8.4 飞机设计布置图
设计过程中的演化—仔细分析设计布置图
浸湿面积 机翼外露面积 体积分布 燃油容积 其他为分析所需的数据
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8.4 飞机设计布置图
t / c 0.05 : t / c 0.05 : S浸湿 2.003 A外露 S浸湿 A外露[1.977 0.52 （t / c） ]
注意，实际外露平面形式面积是投影（俯视） 面积除以上反角的余弦值 如果不采用CAD，可以 用在通过在方格纸上“数 方格”来计算 A外露
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8.3 飞机外形设计
机翼整流带
在初始布局中只有10或15个飞机横截面中的 几个会表示出机翼整流带，所以“看起来不 错”的整流带半径即可采用 翼身融合布局中不专门考虑整流带，而大型 民机的整流带可能更会受内部布置等的影响
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8.3 飞机外形设计
典型的曲线曲面
曲线
• • • • • • • • 二次曲线 三次样条曲线 三次参数样条曲线 三次B样条曲线 重节点B样条曲线 圆弧样条曲线 有理B样条曲线 Bezier曲线
来源：Fielding J. P. Introduction to Aircraft Design
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8.2 飞机内部的总体布置
结构间隙量的估计
对于初始布置，设计师必须估计内部部件周 围所需的结构间隙量，以免出现大量的返工 —估算间隙没有简单公式，需要根据经验判断 和参考现有的设计 大型客机的客舱内壁到外蒙皮一般需要约 4in.{10cm}的间隙 常规战斗机机身内部部件一般距离外蒙皮约 2in.{5cm} 内部部件的类型会影响所需的间隙
8.5 飞机浸湿面积与体积
浸湿面积
飞机浸湿面积（S 浸湿 ，也称湿面积、浸润面 积），即总的外露表面积，可以看作是把飞 机浸入水中将会变湿的那部分外部面积
要估算阻力必须计算浸湿面积，因为它对摩 擦阻力影响最大
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8.5 飞机浸湿面积与体积
浸湿面积—机翼或尾翼
机翼浸湿面积可近似的由以下两式估算
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8.4 飞机设计布置图
设计过程中的演化—开始设计布置
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8.4 飞机设计布置图
设计过程中的演化—初步放样（Lofting）
选取控制站位（Control Stations）
• 用于定义外形的站位 • 其他站位用于实现控制站位间的光顺 尽可能少的数目，避免扭曲 所处的位置应当以包住大的内部部件为准 满足飞行员视野等几何约束
表示飞机个主要组成部分的布置，主要设备、 成品附件的安装位置和相互关系的一组图样， 一般由侧视布置图、俯（仰）视布置图和剖 视布置图等组成 内部布置图比初始布局详细得多
• 初始布局时，根据统计估算的电子设备体积，仅 表示为一个电子设备舱；而内部布置图将描绘电 子设备（即“黑盒子”）各部件及所需电缆线、 冷却管的实际位置