机身外形初步设计-南京航空航天大学飞机设计研究所

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应用例子 美国F102和B-58
- 我国Q-5型强击机和J-12歼击机
美国B-58飞机横截面积分布图
1－机身；2－机翼；3－内侧发动机短舱；4－挂架；
5－外侧发动机短舱；6－挂架；7－整流包皮；8－尾翼。
按面积律要求修形的效果
注：当＞1.5以后，效果就不显著
The famous application of the area rule
Area ruling of F-102A airplane
Zero lift drag for the YF-102 and F-102A airplanes
The resulting change in drag from the YF-102 to the F-102 was about 25 counts
• 为使飞机在跨音速范围内的阻力最小， 飞机各个部件组合在一起的横截面积的 分布图形，应该相当于一个最小阻力的 当量旋成体图形。
（1）不考虑面积律要求 （a）机翼－机身组合体
（2）考虑面积律要求 （b）当量旋成体 （c）横截面积分布
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按面积律的要求对飞机进行修形：
- 将机身中段收缩成蜂腰形 - 将平尾、垂尾及发动机短舱等部件的纵向位置错开
2）摩擦阻力随长径比有可能增加。 3）对应一定M数，存在一个最有利的长径比，使机身阻力系数最小。
关于长径比的大小
• 长径比过小意味机身形状短粗，阻力增加，但刚度好，有 利于实现机型系列化（机身加长）。 • 长径比过大，机身刚度不好，不利于系列化机型机身加长。
机身外形参数对气动特性的影响
头部长径比对阻力发散马赫数的影响
5 - 8
3.6 - 8 7 - 11
3 - 4
2.6 - 4 3 - 5
3 - 9
6 - 13 0 - 8
喷气旅客机 喷气公务机
6.8 - 11.5 7 – 9.5
1.8 – 4 2.5 - 5
11 – 16 6 - 11
面积律
• 面积律是研究飞机机体横截面积的分布 规律与波阻之间相互关系的理论。
机场适应性 ……
分析
提 纲
• 机身设计的基本要求 • 机身外形的主要参数
• 机身外形参数对气动和结构的影响
• 面积律 • 民机的客舱布置 • 民机机身外形初步设计 • 机身外形的初步设计的步骤
机身设计的基本要求
• 装载要求：有足够大的内部容积
– 民机：乘客、机组、使用项目、行李、货物、系统安装。 – 军机：机组、发动机安装、武器……
• 气动要求：气动阻力小 • 结构要求：有利于结构布置
– 机翼、尾翼安装 – 发动机（尾吊布局）
• 适航要求
－抗坠毁性
– 应急撤离
机身外形的主要参数
• 总长度：L身 • 最大横截面积S身和当量直径d身 • 上翘角 • 中机身长度 • 前机身长度 • 后机身长度 d身当量直径：
d身
4 S 身, max
F-106
• The F-102 configuration was completely redesigned incorporating a more refined, integrated area rule. • Further slimmed down by a reduced weapon bay capacity and shortened and repositioned engine air intake ducts, and powered by a fifty percent more powerful engine. • It was capable of routine Mach 2+ speeds.
– YF-102, F-102, F-106
YF-102
When it first flew , the prototype is unable to break the sound barrier
F-102
• The fuselage fineness ratio and area distribution had been increased and refined. • The fuselage mid-section cross-sectional area had been reduced • The cockpit canopy was reduced in cross-section with a near triangular cross-section • The cockpit and the side-mounted engine inlets were moved forward to reduce their sudden area build-up, or impact on the fuselage area. • The aft fuselage bustles (裙撑) were retained to avoid the rapid collapse of the cross-sectional area at the delta wing trailing edge. • It was able to fly at low supersonic speeds (M = 1.2).
机身外形初步设计
概念设计流程
设计
全机布局设计 No 机身外形初步设计 确定主要参数 满足要求？ 方案最优？
设计要求、适航条例
Yes
初 步 方 案
方案分析与评估
分 系 统 发动机选择 机翼外形初步设计 尾翼外形初步设计 总体布置 形成初步方案 重量特性 动力特性 操稳特性 噪声特性 可靠性 气动特性 性能评估 经济性分析 排放量 维修性

描述机身外形的相对参数
• 机身长径比： λ身 = L身 / d身 • 中机身长径比：λ中 = L中 / d中 • 头部长径比： λ头 = L头 / d头 • 尾部长径比： λ尾 = L尾 / d尾
机身外形参数对气动特性的影响
• 机身长径比λ身对阻力的影响
1）机身的压差阻力和波阻，随长径比增大而降低。
机身外形参数对气动特性的影响
• θfc的影响
– θfc变大：摩擦阻力小，型阻增大，尾翼面积会增加； – θfc变小：摩擦阻力增大，型阻小，尾翼面积减小； – θfc的大小与着陆时着地角有关 。
长径比和上翘角的统计数据
机型 lf / df lfc / df θfc (deg)
单来自百度文库螺旋浆
双发螺旋浆 战斗机