第九讲 飞机的总体布置
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46
9.5 飞机浸湿面积与体积
浸湿面积—机身
机身浸湿面积估算公式
S浸湿
• • •
A俯 A侧 K( ) 2
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
47
9.5 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
6
9.2 飞机内部的总体布置
设备舱布置时应考虑的原则（续）
5. 设备舱与设备的布置，还应与飞机重心的调整 一起考虑。一些重量较大的设备有时需根据重 心调整的要求前、后移位 6. 在布置时应在设备 之间留有足够的间 隙，该间隙的大小 应根据设备的大小， 固定安装形式及装 拆的要求而定
7
9.2 飞机内部的总体布置
二次曲线几何形状定义
23
9.3 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
24
9.4 飞机设计布置图
设计过程中的演化—设计草图
Storm Shadow 来源：http://www.aerospaceweb.org /design/ucav/design.shtml 9
9.2 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
10
9.3 飞机外形设计
翼面外形设计中的其他考虑
边条 翼尖
17
9.3 飞机外形设计
总体布置草图为构造机身外形提供了依据
18
9.3 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
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
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
21
9.3 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
22
9.3 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
4
9.2 飞机内部的总体布置
设备舱布置时应考虑的原则
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
5
9.2 飞机内部的总体布置
设备舱布置时应考虑的原则（续）
30
9.4 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
31
9.4 飞机设计布置图
设计过程中的演化—设计布置终了
32
9.4 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
33
9.4 飞机设计布置图
飞机总体设计 第九讲
飞机的总体布置
飞机设计研究所 航空科学与工程学院
第九讲 飞机的总体布置
9.1 飞机总体布置工作的任务
9.2 飞机内部的总体布置
9.3 飞机外形设计
9.4 飞机设计布置图
9.5 飞机浸湿面积与体积
9.6 使用CAD的误区
1
9.1 飞机总体布置工作的任务
飞机总体布置工作的具体任务
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 A 方格”来计算 外露
来源：Kirschbaum’s Aircraft Design Handbook, Aircraft Design Aid and Layout Guide 35
9.4 飞机设计布置图
36
9.4 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
41
9.4 飞机设计布置图
总体布置图（内部布置图）
42
9.4 飞机设计布置图
立体布置图
一般作为飞机说明书、部队改装讲义及宣传 广告之用
43
9.4 飞机设计布置图
立体布置图
来源：Freiberg B. Unmanned Combat Air Vehicle System Demonstration Program. 2002 44
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%
系统的管路、电缆等的布置
在总体布置初期，不可能具体细致地进行 布置，但也应对各种管路的走向作初步的 安排，以避免与飞机结构及其他内部装载 发生干扰
应对其中一些主要附件，如液压助力器、 蓄电瓶、液压油箱、冷气瓶等的安放位置 做初步的考虑
8
9.2 飞机内部的总体布置
结构布置方面的考虑
在多数大公司，结构布置属于结构设计组的 职责范畴。但是，一位优秀的布局设计师应 在飞机总体布置中考虑结构的影响，并至少 应对可行的结构布置有个初步想法
草图的作用 （第三讲P. 9）
25
9.4 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
确定每个剖面上曲线的数目和类型
避免数目和类型过多
28
9.4 飞机设计布置图
设计过程中的演化—初步放样（Lofting）
29
9.4 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！”
9.5 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
45
9.5 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
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
37
9.4 飞机设计布置图
三面图
来源：Kirschbaum’s Aircraft Design Handbook, Aircraft Design Aid and Layout Guide 38
9.4 飞机设计布置图
三面图
39
9.4 飞机设计布置图
三面图
40
9.4 飞机设计布置图
总体布置图（内部布置图）
9.2 飞机内部的总体布置
结构布局设计的主要工作内容
① 根据飞机总体设计的安排，确定全机结构主 要受力形式及传力方案，包括机翼、机身、 尾翼和起落架结构布局形式的确定，其中最 主要的是机翼与机身结构的总体布置形式 ② 分配结构重量指标
11
9.2 飞机内部的总体布置
梁式机翼结构的布置
前梁一般布置在距前缘20~30%的弦长位置， 后梁一般布置在60~75%弦长位置 辅助梁布置在前、后梁之间形成“多梁”结 构，这对大型或高速飞机是一种典型结构
13
9.3 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
14
9.3 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
2
9.1 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
3
9.2 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
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
26
9.4 飞机设计布置图
设计过程中的演化—开始设计布置
27
9.4 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
15
9.3 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
Biblioteka Baidu
直纹面示意
Rodriguez D. L., and Sturdza P. A Rapid Geometry Engine for Preliminary Aircraft Design. AIAA 2006-929 16
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
9.5 飞机浸湿面积与体积
浸湿面积—机身
机身浸湿面积估算公式
S浸湿
• • •
A俯 A侧 K( ) 2
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
47
9.5 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
6
9.2 飞机内部的总体布置
设备舱布置时应考虑的原则（续）
5. 设备舱与设备的布置，还应与飞机重心的调整 一起考虑。一些重量较大的设备有时需根据重 心调整的要求前、后移位 6. 在布置时应在设备 之间留有足够的间 隙，该间隙的大小 应根据设备的大小， 固定安装形式及装 拆的要求而定
7
9.2 飞机内部的总体布置
二次曲线几何形状定义
23
9.3 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
24
9.4 飞机设计布置图
设计过程中的演化—设计草图
Storm Shadow 来源：http://www.aerospaceweb.org /design/ucav/design.shtml 9
9.2 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
10
9.3 飞机外形设计
翼面外形设计中的其他考虑
边条 翼尖
17
9.3 飞机外形设计
总体布置草图为构造机身外形提供了依据
18
9.3 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
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
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
21
9.3 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
22
9.3 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
4
9.2 飞机内部的总体布置
设备舱布置时应考虑的原则
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
5
9.2 飞机内部的总体布置
设备舱布置时应考虑的原则（续）
30
9.4 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
31
9.4 飞机设计布置图
设计过程中的演化—设计布置终了
32
9.4 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
33
9.4 飞机设计布置图
飞机总体设计 第九讲
飞机的总体布置
飞机设计研究所 航空科学与工程学院
第九讲 飞机的总体布置
9.1 飞机总体布置工作的任务
9.2 飞机内部的总体布置
9.3 飞机外形设计
9.4 飞机设计布置图
9.5 飞机浸湿面积与体积
9.6 使用CAD的误区
1
9.1 飞机总体布置工作的任务
飞机总体布置工作的具体任务
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 A 方格”来计算 外露
来源：Kirschbaum’s Aircraft Design Handbook, Aircraft Design Aid and Layout Guide 35
9.4 飞机设计布置图
36
9.4 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
41
9.4 飞机设计布置图
总体布置图（内部布置图）
42
9.4 飞机设计布置图
立体布置图
一般作为飞机说明书、部队改装讲义及宣传 广告之用
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9.4 飞机设计布置图
立体布置图
来源：Freiberg B. Unmanned Combat Air Vehicle System Demonstration Program. 2002 44
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%
系统的管路、电缆等的布置
在总体布置初期，不可能具体细致地进行 布置，但也应对各种管路的走向作初步的 安排，以避免与飞机结构及其他内部装载 发生干扰
应对其中一些主要附件，如液压助力器、 蓄电瓶、液压油箱、冷气瓶等的安放位置 做初步的考虑
8
9.2 飞机内部的总体布置
结构布置方面的考虑
在多数大公司，结构布置属于结构设计组的 职责范畴。但是，一位优秀的布局设计师应 在飞机总体布置中考虑结构的影响，并至少 应对可行的结构布置有个初步想法
草图的作用 （第三讲P. 9）
25
9.4 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
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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9.4 飞机设计布置图
设计过程中的演化—初步放样（Lofting）
29
9.4 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！”
9.5 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
45
9.5 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
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
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9.4 飞机设计布置图
三面图
来源：Kirschbaum’s Aircraft Design Handbook, Aircraft Design Aid and Layout Guide 38
9.4 飞机设计布置图
三面图
39
9.4 飞机设计布置图
三面图
40
9.4 飞机设计布置图
总体布置图（内部布置图）
9.2 飞机内部的总体布置
结构布局设计的主要工作内容
① 根据飞机总体设计的安排，确定全机结构主 要受力形式及传力方案，包括机翼、机身、 尾翼和起落架结构布局形式的确定，其中最 主要的是机翼与机身结构的总体布置形式 ② 分配结构重量指标
11
9.2 飞机内部的总体布置
梁式机翼结构的布置
前梁一般布置在距前缘20~30%的弦长位置， 后梁一般布置在60~75%弦长位置 辅助梁布置在前、后梁之间形成“多梁”结 构，这对大型或高速飞机是一种典型结构
13
9.3 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
14
9.3 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
2
9.1 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
3
9.2 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
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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9.4 飞机设计布置图
26
9.4 飞机设计布置图
设计过程中的演化—开始设计布置
27
9.4 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
15
9.3 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
Biblioteka Baidu
直纹面示意
Rodriguez D. L., and Sturdza P. A Rapid Geometry Engine for Preliminary Aircraft Design. AIAA 2006-929 16
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