飞机结构与工艺及历史发展浅述

飞机结构与工艺及历史发展浅述机翼 1.机翼的基本结构元件及受力机翼的基本结构元件是由纵向骨架、横向骨架以及蒙皮和接头等组成，现将各个结构元件的作用及受力分述如下：1.纵向骨架——沿翼展方向安置的构件，包括梁、纵樯和桁条。

（1）梁——最强有力的纵向构件。

它承受着全部或大部分的弯矩和剪力。

梁的椽条承受由弯矩而产生的正应力；腹板承受剪力。

梁的数量一般为一根或两根，也有两根以上的。

机翼结构只有一根梁者称为单梁机翼；有两根者称为双梁机翼；两根以上者称为多梁机翼；没有翼梁称为单块式机翼。

翼梁的位置：在双翼及有支撑的机翼上，根据统计，前梁在12～18%翼弦处；后梁在55～70%翼弦处。

在悬臂式单翼机上，单梁机翼的梁位于25～40%翼弦处。

双梁机翼的前梁在20～30%翼弦处；后梁在50～70%翼弦处。

（2）纵樯——承受由弯矩和扭转而产生的剪力。

与梁的区别是椽条较弱，椽条不与机身相连。

其长度与翼展相等或仅为翼展的一部分。

纵樯通常放置在机翼的前缘或后缘，与机翼上下蒙皮相连，形成一封闭的盒段以承受扭矩。

（3）桁条——承受局部空气力载荷；支持和加强蒙皮；并将翼肋互相连系起来。

而且还可以承受由弯曲而产生的正应力。

有的机翼为了更加强蒙皮，桁条需要很密，因而导致使用波纹板来代替桁条，或者把桁条与蒙皮作成一体，形成整体壁钣。

2.横向骨架——沿翼弦方向安置的构件。

主要包括普通翼肋和加强翼肋。

（1）普通翼肋——将纵向骨架和蒙皮连成一个整体；把由蒙皮传来的空气动力载荷传给翼梁；并保证翼剖面之形状。

参与一部分机翼结构的受力。

（2）加强翼肋——除了起普通翼肋作用外，还承受集中载荷。

3.蒙皮——它固定在横向和纵向骨架上而形成光滑的表面。

布质蒙皮主要是承受局部空气动力载荷，并把它传给骨架。

硬质蒙皮除了上述作用外，还参与结构整体受力。

视具体结构的不同，蒙皮可能承受剪应力，也可能还承受正应力。

4.接头——把载荷从一个构件传到另一个构件上去的构件。

如机翼与机身的连接、副翼与机翼连接等，均需用接头。

机翼接头的形式很多，常见的有耳片式接头，套管式接头、对孔式接头，垫板式和角条式接头等多种。

机翼构造的发展在机翼构造的发展过程中，最主要的变化就是维形件和受力件的逐渐合并。

在飞机发展的初期，为了减小重量，完全根据受力件和维形件分开，并且分段地承受载荷的原理来安排机翼的构造。

这种构造形式的受力骨架是一个由翼梁、张线及横支柱（或翼肋）所组成的空间桁架系统。

它承受所有的弯矩、扭矩和剪力。

机翼的表面和机翼的形状是用亚麻的蒙皮和翼肋形成的。

所以这种机翼可以叫作构架式机翼。

随着飞机速度的增大，翼载荷的增大，出现了蒙皮承受剪力和部分正应力的梁式机翼。

这种机翼构造型式的特点是有强有力的梁，以及光滑的硬质蒙皮，这种机翼的蒙皮是金属铆接结构，为现在飞机所广泛采用。

它的翼梁腹板承受剪力，蒙皮和腹板组成的盒段承受扭矩，蒙皮也参与翼梁椽条的承受弯矩的作用。

但是梁式机翼的蒙皮较薄，桁条也较少，有的机翼的桁条还是分段断开的，有的甚至没有桁条。

因此梁式机翼蒙皮承受由弯矩引起的拉压作用不大。

飞机场速度进一步增大，为保持机翼有足够的局部刚度和抗扭刚度，需要加厚蒙皮和增多桁条。

这样，由厚蒙皮和桁条组成的壁钣已经能够承担大部分弯矩，因而梁的椽条可以减弱，直至变为纵樯，于是就发展成为单块式机翼。

它的特点是全部弯矩主要由桁条所加强的蒙皮壁钣来承受。

结构中的梁变成了纵樯，主要只承受剪力。

其椽条部分很弱，只用来固定蒙皮。

图5.4是一种高速飞机的单块式机翼的构造。

上下壁钣分开制造，装配时先将蒙皮放在托架上，然后将骨架铆在蒙皮上，因而能得到更准确的外形。

在单块式机翼内，维形件和受力件已经完全合并了。

至于三角机翼，由于展弦比很小而机翼根部的弦长很大，因此不仅机翼本身的纵向和横向构件布置比较复杂，而且机翼与机身的连接接头也很多。

图5.5是我国歼击7型飞机的三角机翼构造图。

增升原理与装置高速飞机机翼的构造和外形，主要是从有利于作高速飞行的观点来设计的。

这种机翼在高速飞行时，即使迎角很小，但由于速度大，仍然可产生足够的升力来维持水平飞行。

但在低速时，特别是起飞和着陆时，由于速度大大降低，虽然增大迎角，升力仍然很小，不能维持飞机的平飞。

为此，需要在机翼上采用增升装置。

增升装置的增升原理不外乎下列四种。

1.增大机翼剖面的弯度2.增大机翼面积3.控制机翼上附面层，使气流不致过早分离。

4.在机翼上引入发动机喷气流，改变空气在机翼上的流动状态。

不同的增升原理，其增升效果不尽相同。

图5.6表示在不同的增升原理下Cy—α曲线的变化情况。

根据这四项原理，在机翼上采用不同的增升装置，其中包括：前缘缝翼、襟翼、附面层控制和喷气襟翼等。

（一）前缘缝翼前缘缝翼是装在机翼前缘的一个小翼面。

打开时，就与机翼表面形成一道缝隙。

下翼面压强较大的气流通过这道缝隙，得到加速而流向上翼面，增大了机翼上表面附面层中气流的速度，降低了压强，消除了这里的大量旋涡。

因而延缓了气流分离，避免了大迎角下的失速，从而使Cymax提高。

前缘缝翼的作用相当于附面层控制，因此它在提高Cymax的同时也使机翼的临界迎角加大。

前缘缝翼在大迎角下，特别是接近或超过临界迎角时才使用。

从构造上看，前缘缝翼有固定式和自动式两种，目前，应用最多的是自动式前缘缝翼。

这种前缘缝翼用滑动机构与机翼相连，依靠空气动力的压力和吸力来闭合或打开。

当飞机在小迎角下飞行时，空气动力将它压在机翼上处于闭合状态。

如果迎角增大，则前缘的空气动力变或吸力把它吸开。

（二）襟翼襟翼的种类很多，常用的有：分裂襟翼、简单襟翼、开缝襟翼和后退襟翼等。

所有襟翼的共同特点是，它们都位于机翼后缘，靠近机身，在副翼的内侧。

襟翼放下既可增大升力，同时也增大了阻力。

所以多用于着陆。

这时襟翼放下到最大角度（约50到60度）。

有时也用于起飞，但放下角度较小（约15到20度），以减小阻力，避免影响飞机起飞滑跑时的加速。

1. 分裂襟翼——这种襟翼本身象块薄板，紧贴于机翼后边缘并形成机翼的一部分，使用时放下，在后缘与机翼之间形成一个低压区，对机翼上表面的气流具有吸引作用，使其流速增大，因而增大了机翼上下的压强差，即增大了升力。

此外，襟翼放下后增大了翼型的弯度，同样可提高升力。

分裂襟翼一般可把最大升力系数Cymax提高75～85％。

但临界迎角稍有减小。

2. 简单襟翼——简单襟翼的构造比较简单，其形状与副翼相似，平时闭合，形成机翼后缘的一部分，用时可放下。

它主要靠增大翼型弯度来增大升力。

由于它只有一种增升原理，所以增升效果不高。

当它着陆偏转50到60度时，大约只能使Cymax增大65～75％。

3. 开缝襟翼——它是在简单襟翼的基础上改进的。

其特点是，当它放下时，一方面能增大机翼翼型的弯度，另一方面它的前缘与机翼之间形成一个缝隙。

下翼面的高压气流通过它，以高速流向上翼面，使上翼面附面层中的气流速度增大，因而延缓了气流分离，达到增升目的。

所以它的增升效果也较好，一般可增大Cymax值约85～95％。

4. 后退襟翼——后退襟翼有两种型式，一种叫“ЦＡΓИ襟翼”（ЦＡΓИ是前苏联中央流体动力研究院的缩写），它的后退量不太多，机翼面积增大得不很大。

另一种叫“富勒（Fowler）襟翼”，其后退量和面积增大量都比前者为多。

增升效果更好。

后退襟翼工作时，襟翼沿滑轨向后滑出增加机翼面积，同时向下偏转一定的角度增大翼型弯度，并且在襟翼与机翼之间形成缝隙，具有与开缝襟翼类似的作用。

因此后退襟翼的增升效果是很好的。

ЦΑΓИ襟翼一般可使翼型的最大升力系数Cymax值增大110～115％，而富勒襟翼可使Cymax 值增大110～140％。

（三）前缘襟翼和“克鲁格”襟翼把襟翼的位置移到前缘，就成了前缘襟翼，当飞机在大迎角情况下，前缘襟翼向下偏转，既可减小前缘与相对气流之间的角度，使气流能够平滑地沿上翼面流过，避免发生局部气流分离产生旋涡，同时也可增大翼型的弯度。

前缘襟翼和襟翼配合使用可以进一步提高增升效果。

与前缘襟翼作用相同的还有一种“克鲁格”（Krueger）襟翼。

它一般位于机翼根部的前缘，象一块板。

它靠作动筒收放。

打开时突出于机翼前缘，即可增大机翼面积，又可增大翼剖面弯度，所以具有很好的增升效果。

（四）附面层控制以上几种增升装置，使飞机的最大升力得到很大提高，从而使起落性能得到很大的改进。

然而由于翼剖面相对厚度的减小使Cymax跟着减小，此外，大后掠角小展弦比也都会削弱增升装置作用，因此，开始出现附面层控制系统来改善飞机的起落性能。

附面层控制可大大提高一般增升装置的增升作用，能获得很大的Cymax值和临界迎角，同时又可降低飞机的翼型阻力。

附面层控制系统的增升作用主要是用气流吹除或用泵吸取机翼上的附面层。

以防止气流分离。

这种增升装置的增升作用，比一般的增升装置要大得多，前缘缝翼和后缘襟翼可获得的Cymax值一般为1.8到2。

可是采用附面层控制系统，则Cymax值可增大到超过4。

图5.13所示为英国高亚音速度强击机“海盗”的附面层吹除装置。

它既从机翼前缘吹气，也从后缘襟翼上吹气。

此外，在着陆时，机身尾部的阻力板打开，因此可大大提高起落性能，缩短起飞和着陆距离。

飞机的水平尾翼前缘吹气是为了提高升降舵的操纵效率。

因为在使用了附面层吹除装置后，飞机的起飞和着陆速度减小，加上机翼Cymax值的增大，使机翼下洗流增强，从而降低了平尾的效率。

另外在副翼前也装设了附面层吹除装置。

这是为了副翼下偏时，不出现气流分离，提高副翼的操纵效率。

（五）喷气襟翼这是目前正在研究中的一种增升装置。

它的基本原理是：利用从涡轮喷气发动机引出的压缩空气或燃气流，通过机翼后缘的缝隙沿整个翼展向后下方以高速喷出形成一片喷气“幕”，从而起襟翼的增升作用。

喷气襟翼一方面改变了机翼周围的流场，增加了上下压力差，另一方面喷气的反作用力垂直方向上的分力也使机翼升力大大增加。

所以喷气襟翼的增升效果极大。

据试验，Cymax值可增大到12.4，约为一般附面层控制系统增升效果的2到3倍。

在空气动力学中有一种叫颤振的现象，它是机翼在飞行中的有害振动。

飞机飞得太快时，这种颤振往往会造成翼折人亡的事故。

但自然界中的生物在千百万年的进化过程中，翅痣早就发展了一种对抗颤振的措施。

在蜻蜓翅膀末端前缘有发暗的色素斑—翅痣。

如果把它们切除，蜻蜓飞起来就会荡来荡去。

翅痣就是蜻蜓对抗颤振的装置。

现代飞机在机翼翼尖的前缘常常装有配重，这是用来消除颤振的措施。

如果人们能早一点弄清蜻蜓翅痣的功用，就可以避免长期的探索和牺牲了。

机身应该有足够的内部空间来安排各种设备和装置，在结构上应满足使用维护的要求，同时又必需保证强度和刚度。

机身构造型式的发展与机翼构造型式的发展类似，也随着飞行速度的提高，主要受力件与辅助受力件逐渐合并，维形件逐渐参加受力。