北航大飞机班-大型客机气动设计

大飞机班

大型客机气动设计

结课论文

2013/12/27

1，大型客机概述

1.1大型客机概念

大型客机项目是一个国家工业、科技水平和综合实力的集中体现，对增强中国的综合国力、科技实力和国际竞争力，使中国早日实现现代化具有极为重要的意义。大飞机一般是指起飞总重超过100吨的运输类飞机，包括军用大型运输机和民用大型运输机，也包括一次航程达到3000公里的军用或乘坐达到100座以上的民用客机。从地域上讲，我国把150座以上的客机称为大客机，而国际航运体系习惯上把300座位以上的客机称作“大型客机”，这主要由各国的航空工业技术水平决定的。具体载客量要看机型和舱内布局。最大的客机A380如果全经济布局的话可以载800多个人。

1.2大型客机研制

较军机而言，民机有许多不同之处。主要来讲，民机研制流程可以从时间角度划分为前期论证、型号研发、产品支援及客户服务三大阶段：1）前期论证阶段：这一阶段的主要工作任务是形成产品设想和立项，一个标志性里程碑是：长周期及通用技术准备工作正式启动。

2）型号研发之可行性论证阶段：这一阶段的主要工作任务是定义满足市场需求的产品方位和层次。初步设计和详细设计阶段：这一阶段的主要工作任务是定义满足市场需求的具体产品。产品研制阶段：这一阶段的主要工作任务是形成满足市场需求的合法的产品和服务。

3）产品支援及客户服务阶段。

1.3国产大飞机研制意义

中国虽然在民用飞机制造方面拥有一定经验，但与发达国家相比还存在较大差距，难以满足我国经济社会发展和快速增长的民用航空市场的需求。未来２０年，是中国民用航空工业发展的重要战略机遇期。中国实施大型客机项目具有以下六大重要意义：

1）大型客机项目是一个国家工业、科技水平和综合实力的集中体现，对增强中国的综合国力、科技实力和国际竞争力，使中国早日实现现代化具有极为重要的意义。

2）航空工业产业链长、辐射面宽、连带效应强，在国民经济发展和科学技术进步中发挥着重要作用。大型客机是现代制造业的一颗明珠，是现代高新科技

的高度集成。

3）发展大型客机，能够带动新材料、现代制造、先进动力、电子信息、自动控制、计算机等领域关键技术的群体突破；能够拉动众多高技术产业发展；还将带动流体力学、固体力学等诸多基础学科的重大进展，将会全面地、大幅度地提高中国科学技术水平。

4）发展大型客机，将更好地满足我国经济发展和人民出行需要，也必将成为一个潜力无限的新的经济增长点。

5）研制具有市场竞争力的大型客机，不仅可以为航空工业的发展提供突破口和新的增长点，还有利于提高中国航空工业的制造能力和管理水平，最终形成强大的航空工业。

6）中国拥有１３亿人口，改革开放以来综合国力和国际地位日益提高，应该拥有自己的大飞机，这样才与我国社会主义大国的地位相称。,

2，大型客机气动布局简介

2.1 飞机气动布局

飞机的气动布局是指飞机不同气动承力面的安排形式。机翼是飞机的主要气动承力面，由平尾和立尾组成的尾翼是飞机的辅助气动承力面。简单地说，飞机机翼和尾翼的不同安排就构成了飞机的气动布局。传统飞机的气动布局有以下几种形式。

（1）正常式布局：水平尾翼位于机翼之后的布局形式，是现代飞机采用最多的布局，积累的知识和设计经验最为丰富。飞机正常飞行时，正常式布局的水平尾翼一般提供向下的负升力，保证飞机各部分的合力矩平衡，保持飞机的静稳定性。现代大型客机全部采用这种布局形式，如1957年首飞的波音707客机和1991年首飞的空客公司 A340客机气动外形比较，它们几乎没多大区别，最新型的波音787和空客 A350也采用类似布局。

（2）鸭式布局：水平尾翼位于机翼之前的布局形式。鸭式布局是飞机最早采用的布局形式，莱特兄弟设计的飞机就是鸭式布局，由于鸭翼提供的不稳定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，这种布局升力效率高，难点是鸭翼位置的选择和大迎角时俯仰力矩上仰的问题。

（3）无尾式布局：只有机翼、无平尾、有立（垂）尾的布局形式，一般采用大后掠的三角机翼，用机翼后缘的襟副翼作为纵向配平的操作面。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。为解决操纵困难和配平阻力大的问题，无尾式布局的飞机通常采用机翼扭转设计。这种布局的优点是结构重量较轻、气动阻力较小。近年来，在上述3种典型布局的基础上，又发展了飞翼和三翼面布局形式。

（4）飞翼和三翼面布局：飞翼飞机只有机翼、没有平尾和立尾，一般采用翼身一体化设计，也没有明显的机身，通常在飞翼后缘装襟副翼、升降舵、阻力方向舵等多个舵面来控制飞机的飞行，具有气动效率高、升阻比大等优点。三翼面布局飞机机翼前面有前翼，后面有平尾，综合了正常式布局和鸭式布局的特点，操纵和配平特性好，允许有更大的重心移动范围，不足之处是飞机的总重有所增加。

2.2 大型客机气动布局

客机的气动布局设计实质上是飞机空气动力的总体设计，其科学依据主要是空气动力学，这自然是飞机设计的核心内容，对于实现客机的设计目标起着关键作用，但只通过气动布局设计是远不能解决所有问题的，需要有先进推进、材料、工艺等技术的支撑。发动机是未来客机的关键，发动机效率的提高直接带来油耗、废气排放、噪声方面的收益；轻质高效新材料的使用可减轻飞机结构重量，降低客机巡航飞行时的需用推力；新的结构设计和制造工艺可减少飞机结构零件和连接、紧固件数量，除降低结构重量外，还可极大改善飞机的可维护性。

1 正常式布局

现役大型客机以及几乎全部支线客机都采用正常式布局，自然想到在现有先进客机上改进设计能否满足未来25 年左右的设计要求。按照NASA 的设计目标，波音公司领导的团队以波音737 为原准机进行改进设计，正常布局的原准飞机使用超临界翼型，巡航升阻比18.2。在原准设计上综合使用自然和主动层流控制、机身使用脊状表面减阻、尾翼放宽静稳定性和增加最大升力系数、使用多功能结构/ 减少紧固件/ 减少襟翼整流罩等技术降低杂项阻力，巡航升阻比增加到20.9，但巡航马赫数M a 降低了6% ，为0.74，在此基础上综合使用先进复合材料结构、高涵道比低排放涡扇发动机、轻质涂层和舱内设施轻质化等技术得到飞机精细设计方案，使飞机油耗降低44%、噪声降16dB、氮氧化物排放减少 58%，降低油耗的实质是减小飞机阻力，波音团队采用大展弦比机翼来提高正常式布局飞机的气动效率，得到了支撑式上单翼方案。该设计方案继续使用层流控制、机身和机翼湍流部分的脊状表面、先进超临界翼型、低干涉发动机吊舱和低阻支撑等技术，使Ma 0.74下巡航升阻比达到25.97，配装使用先进发动机技术的非常高涵道比涡扇发动机，可降低油耗46%、噪声22dB、废气排放72%。但由于翼展过长，考虑机场适应性和减重使用了斜支撑和机翼折叠，带来折叠机构的复杂性和整个机翼结构重量的不确定性。

诺斯罗普· 格鲁门公司领导的团队以波音737-500 为参照，开展了一系列研究工作。在气动布局形式选择方面，该团队经过若干布局上的创新设计，最后的首选方案回到了正常式布局。该方案主要使用层流控制、起落架整流罩（也有降噪功能）等气动设计技术。与波音737-500相比，机翼后掠角加大1°、展弦比增加61%、翼载荷减少29%，巡航升阻比接近20，但巡航高度增加到13700m。由于罗· 罗公司是团队成员，该方案重点使用了三转子超高涵道比（18）涡扇发动机以及后掠风扇叶片、压气机流动控制、形状记忆合金喷口等相关先进技术。此外，该方案使用了大型一体化编织和缝合复合材料结构、超高性能纤维、主动气弹控制、进气道隔声衬套、碳纳米管电缆等先进技术，达到了降低噪声69.6dB、油耗63.5%、废气排放90.6% 的性能指标，同时可使用1500m 的备用机场跑道，基本上达到了NASA 的设计目标，不过该方案中高性能发动机是重点，飞机出厂价格可能相当昂贵。

麻省理工学院领导的团队以波音737-800 为基准，开展了正常式布局的创