飞机总体设计

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• 增加前翼可以使全机气动载荷分布更为合理,减轻机翼 上的气动载荷,有效的减轻机翼的结构重量; • 前翼和机翼的襟副翼,水平尾翼一起构成飞机的操纵控 制面,保证飞机大迎角的情况下有足够的恢复力矩,允 许有更大的重心移动的范围; • 前翼的脱体涡提供非线性升力,提高全机最大升力。
缺点是由于增加前翼使得飞机的总重有所增加
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4.3.1 翼型选择
参数对翼型气动特性的影响—相对弯度
弯度的确定通常是保证翼型在正常的巡航速度飞行时 处于设计升力系数状态。设计升力系数指的是具有最 小阻力时的升力系数。 对于任何一种翼型,在其设计升力系数附近,有最有 利的压力分布,阻力最小,升阻比最大 对于低速飞机,巡航速度比较小,所需的升力系数要 大,应当采用相对弯度较大的翼型,对于高速飞机则 应选取相对弯度较小的翼型或无弯度的对称翼型。 平尾、立尾等翼面要在正负迎角、正负侧滑角下工作, 因此这些翼面都要采用对称翼型
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4.3.2 机翼外形设计
机翼的平均气动弦
翼型在亚音速流中的俯仰 力矩数据通常相对于1/4弦 点给出。翼型绕该点的俯 仰力矩随着迎角的变化基 本为一常数,该点即为翼 型的“气动中心” 完整的梯形机翼的气动中 心落在“平均气动弦”上, 其位置如右图确定:
c =(2/3)C根(1+λ+λ2 )/(1+λ)
设计思路是让机身也参与产生升力。但是如果 采用增压客舱,机身将变得非常重 对于大型运输机而言,Burnelli的应用有待深 入的研究
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4.2 飞机配平形式选择
斜翼布局
在跨音速范围内,斜机翼布局与常规固定后掠 或变后掠机翼飞机相比,有利于降低阻力。 只有一个转轴代替了常规变后掠机翼的两个转 轴。有利于降低飞机的结构重量。
*近距与远距鸭翼的更多介绍 -方宝瑞,《飞机气动布局设计》
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4.2 飞机配平形式选择
鸭式布局的难点是鸭翼位置的选择和大迎角时 俯仰力矩上仰的问题。由于鸭翼位于飞机的重 心之前,俯仰力矩在大迎角的情况下提供较大 的抬头力矩(上仰力矩),不能够稳定的飞行, 因此必须提供足够的低头力矩来平衡之
• 在后机身加边条(X-29) • 限制放宽静稳定余度 • 采用发动机推力矢量技术等
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4.2 飞机配平形式选择
联翼布局
与常规布局相比较,联翼优点如下: 提高了抗弯扭强度,减轻了结构重量 提供直接升力和直接侧向力控制能力 减少了诱导阻力 减少了跨音速和超音速波阻, 可以更好的采用面积律
鲲鹏-700 (北航3305 T6)
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4.2 飞机配平形式选择
BURNELLI布局
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4.3.1 翼型选择
参数对翼型气动特性的影响—相对厚度
随着翼型相对厚度增加,最大升力系数先增大,然后 减小。对于每一种翼型,有一个最佳的相对厚度,范 围大约为10%~14%,亚音速飞机翼型的相对厚度多 在此范围内。 超临界翼型有助于 推迟激波的形成, 并减小给定相对 厚度翼型的阻力
相对厚度经验曲线
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4.2 飞机配平形式选择
达索公司的设计传统
幻影III
幻影2000
阵风
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4.2 飞机配平形式选择
根据配平翼面和机翼之间的相对位置和配 平翼面的多少,通常分为以下几种型式
正常式布局:水平尾翼位于机翼之后 鸭式布局:水平尾翼位于机翼之前 无尾布局:只有一对机翼,但立尾有无不确定 三翼面布局:机翼前面有前翼,后面有平尾
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4.1 飞机型式的含义与内容
飞机型式选择和飞机的设计要求之间不存 在一一对应关系
设计人员应当综合地分析问题,合理妥善地处理一系列 相互矛盾的要求,来正确选择飞机各部件的外形及相互 位置,这些部件的组合就决定了飞机型式。
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4.1 飞机型式的含义与内容
飞机型式选择的主要工作
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4.2 飞机配平形式选择
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4.1 飞机型式的含义与内容
飞机型式没有严格的定义。
飞机型式就是飞机的总体气动布局型式。 飞机型式是指飞机部件几何外形特征及装载布 置方案的总称,如机翼、机身、尾翼及发动机、 起落架安装位置、装载布置方案等不同的组合。 为满足不同的飞机设计要求,不同的气动、重 量、刚度和使用维护等各方面的要求,这些部 件有各不相同的外形,其组合又可有不同的型 式。 飞机型式是飞机各部件数目,外形和相对位置 的总称
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4.3 机翼参数选择
4.3.1 翼型选择 4.3.2 机翼外形设计 4.3.3 边条 4.3.4 机翼的增升装置和副翼
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4.3.1 翼型选择
翼型是构成翼面的重要部分,直接影响到飞机 的性能和飞行品质 选择翼型时不仅要满足气动要求,还须兼顾结 构、强度及工艺的需要
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4.3.1 翼型选择
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4.1 飞机型式的含义与内容
飞机型式选择在飞机设计中的地位和作用
飞机设计过程中,影响飞机性能的重大决策基本 上都是在飞机型式选择过程中作出的 飞机的气动力特性、强度刚度特性、使用维护性 能、制造工艺性能等各个方面的特性,在飞机的 型式确定下来以后就基本上确定了 正确地选择飞机型式对设计速度和设计质量有很 大的影响 不恰当的飞机型式,会引起以后设计中的重大返 工。如果在风洞试验甚至在试飞之后,发现飞机 的性能或操纵安定性差,则可能推翻整个方案, 就会大大影响设计速度
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4.2 飞机配平形式选择
三翼面布局
F-15D双座战斗机
F-15S/MDT验证机 19
4.2 飞机配平形式选择
前掠翼布局
前掠机翼具有后掠机翼的气动优点,但不存在后掠机 翼翼梢分离的缺点:在迎角增大时,机翼根部最先进 入失速。因为失速区不包围副翼,这样的失速不导致 飞机横向操纵性的丧失。这就提高了飞行的安全性, 并提高了超音速飞机的大迎角机动性能。 前掠翼布局之所以 还未被广泛应用, 是因为前掠机翼的 弯扭扩散的问题。
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4.3.1 翼型选择
参数对翼型气动特性的影响—相对厚度
直接影响飞机的阻力(特别是波阻)、最大升力系数、失速 特性和结构重量。 相对厚度对亚音速阻力影响不大,而超音速时波阻增加约与 c 的平方成正比 。 超音速战斗机的 c 一般在4%~6%,如太小则影响结构高度与 机翼的可用容积;最大厚度位置在40%-45%,有利减阻
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4.3.1 翼型选择
高速战斗机的方案设计初期
不必花太多的时间去精选合适的翼型,经常是利用已有 气动试验数据的翼型,从中选择比较合适的,如 NACA64A或65A的对称翼型,确定好相对厚度; 而前缘半径、弯度和扭转,则可在详细设计时根据不同 的任务要求和机翼平面形状再进行精修设计
Hale Waihona Puke Baidu
大展弦比、小后掠的亚音速运输机
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4.3.2 机翼外形设计
机翼几何形状定义
S l b0 b1

c
美英等国的表示符号 ——机翼参考面积 ; —— s ——机翼展长; —— b ——翼根弦长; —— c根 ——翼尖弦长 ; —— c尖 ——机翼展弦比 ; —— A; ——机翼前缘后掠角; —— ΛLE ——根梢比(梯形比); — — λ尖削比(梢根比)=1/η ——翼型相对厚度; —— t/c; ——扭转角
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4.2 飞机配平形式选择
正常式布局
多数飞机采用正常式布局,主要是因为正常式 飞机布局积累的知识和设计经验比较丰富。 飞机正常飞行时,保证飞机各部分的合力通过 飞机的重心,保持稳定的运动。 正常式布局的水平尾翼一般提供向下的负升力, 为了保证飞机的静稳定性 ,飞机机翼的迎角大 于尾翼的迎角。
飞机总体配平型式也就是飞机的气动布局 型式,通常指不同承力面的安排型式。 机翼是产生升力的主要部件,前翼、水平 尾翼和垂直尾翼等是辅助承力面,用于保 证飞机的操纵性和稳定性。 飞机配平型式的选择是一个复杂的创造性 的设计过程,技术因素是首先要研究的问 题。另外,飞机型式选择还会受到其他非 技术因素的制约,例如:市场 、设计人员 的风格和习惯等。
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4.2 飞机配平形式选择
正常式布局
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4.2 飞机配平形式选择
正常式布局
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4.2 飞机配平形式选择
鸭式布局
鸭式布局是飞机最早采用的布局型式,莱特兄弟 设计的飞机就是鸭式布局,但是由于鸭翼提供的 不稳定的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,鸭式飞机在中、大迎角飞行时,如果采用近 距耦合鸭翼型式*,前翼和机翼前缘同时产生脱 体涡,两者相互干扰,使涡系更稳定,产生很高 的涡升力。
翼型的参数
中弧线+ 基本厚度分布 弦长b 最大弯度f 相对弯度f/b 最大厚度c 相对厚度c/b 最大厚度的 相对位置Xc/b 前缘半径r 后缘角τ
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4.3.1 翼型选择
参数对翼型气动特性的影响—前缘半径
前缘半径小,前缘在小迎角时就开始分离,随迎角 增加再附着,前缘半径越小越易分离,最大升力系 数小,但波阻也小——适于超音速飞机 前缘半径大,圆前缘翼型从后缘开始失速,随迎角 增加分离前移,失速迎角大,最大升力系数大,但 波阻也大——适于亚音速飞机
=(b/6)[(1+2λ)/(1+λ)] 典型的气动中心=0.25 c 亚音速 =0.4
c
超音速
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4.3.2 机翼外形设计
主要参数选取-展弦比
展弦比越大,即翼展长,翼尖效应(翼尖处下面高 压气流流向上翼面,减小了翼尖附近的升力)对机 翼影响区比例越小,其升力线斜率即升阻比都较大 由于翼尖涡减小了翼尖处的有效迎角,所以小展弦 比机翼的失速迎角大
飞机总体设计 第四讲
飞机总体布局 型式的选择
飞机设计研究所 航空科学与工程学院
第四讲 飞机总体布局型式的选择
4.1 飞机型式的含义与内容 4.2 飞机配平形式选择 4.3 机翼参数选择 4.4 尾翼布置及参数选择 4.5 隐身对布局设计的影响
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4.1 飞机型式的含义与内容
明确了飞机的设计要求后,就要对飞机的 外形进行全面的构思,即进行飞机型式的 初步选择
满足强度和气动弹性要求,使机翼具有足够的结 构刚度和较轻的结构重量及较大的颤振速度。
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4.3.2 机翼外形设计
机翼几何形状定义
S l b0 b1

c
——机翼参考面积 ; ——机翼展长; ——翼根弦长; ——翼尖弦长 ;
——机翼展弦比 ; ——机翼前缘后掠角; ——根梢比(梯形比); ——翼型相对厚度; ——扭转角
一般采用自己设计的超临界翼型,如美国的NASA SC(2)-0614,西工大的跨音速飞机用的NPU-S73613 还需注意翼型的配置,翼尖用失速性能好的翼型,翼根 则用升阻比高、相对厚度大的翼型
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4.3.2 机翼外形设计
机翼设计的依据
满足设计要求的飞机性能为主要依据,即应保证
• 在起飞、着陆和空中机动状态下有尽可能大的升力及 高的升阻比; • 在巡航状态和大速度下有尽可能小的气动阻力; • 在全包线范围内有良好的纵向及横侧向的操纵安定特 性,特别是在低速时要有线性的俯仰力矩特性、较高 的副翼效率及横向特性。
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4.2 飞机配平形式选择
无尾式布局同正常式布局飞机相比有如下的优点 • 飞机结构重量轻 • 隐身特性好 • 气动阻力较小 • 超音速阻力更小
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4.2 飞机配平形式选择
三翼面布局
在正常式布局的基础上增加了水平前翼构成的, 它综合了正常式布局和鸭式布局的优点,有望得 到更好的气动特性,特别是操纵和配平特性
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4.2 飞机配平形式选择
前翼尖端涡流布置不当,会引起机翼弯矩增加, 阻力增大,所以对于客机常常采用将前翼布置 在机翼的远前下方,减少前翼对主翼的气动影 响。
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4.2 飞机配平形式选择
无尾布局
无尾布局飞机一般采用大后掠角的三角形机翼,用机 翼后缘的襟副翼作为纵向配平的操作面。 无尾飞机配平时,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。飞机起飞时,需要 较大的升力,为此必须将襟副翼向下偏,这样会引起 较大的低头力矩,为了配平低头力矩襟副翼又需上偏, 造成操纵困难,配平阻力增加。 因此,无尾式布局的飞机通常采用扭转机翼的办法, 保证飞机的零升力矩系数大于零,这样可以有效的降 低飞机飞行时的配平阻力。
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