机身外形初步设计

• 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 • 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。
机身外形初步设计
概念设计流程

设计
全机布局设计
机身外形初步设计
确定主要参数
分
发动机选择
系
统
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
设计要求、适航条例
No
满足要求？
Yes 初 步
方案最优？
方
案
方案分析与评估
重量特性 动力特性 操稳特性 噪声特性 可靠性 机场适应性
气动特性 性能评估 经济性分析 排放量 维修性 ……
• 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
4S身,max
• 客舱长度
– 每排座数、总人数、排距； – 厨房、衣帽间； – 登机门、应急出口门。
典型的客舱剖面设计
单通道喷气客机
典型的客舱剖面设计
双通道喷气客机
客舱的等级
座椅和过道宽度
• 飞机典型座椅宽度
注：公共汽车座椅宽度425mm左右
• 典型过道宽度：19英寸
座椅排距
客舱舱门的布置
• 客舱舱门通常位于客舱两端。乘客登机门位于机身左侧，服 务门位于右侧。双走道和双层飞机机身两侧都布置登机门。
长径比和上翘角的统计数据
机型
单发螺旋浆
双发螺旋浆
战斗机 喷气旅客机 喷气公务机
lf / df 5-8
lfc / df 3-4
θfc (deg) 3-9
3.6 - 8
2.6 - 4
6 - 13
7 - 11
6.8 - 11.5 7 – 9.5
3-5
1.8 – 4 2.5 - 5
0-8
11 – 16 6 - 11
关于客舱设计的一些统计数据
一些民机的长径比数据
机身中段（等剖面段）的长径比
公务机客舱布置实例-1
详见：J. Roskam, Airplane Design, Part 3, Roskam Aviation and Engineering Corp., 1985
公务机客舱布置实例-2
详见：J. Roskam, Airplane Design, Part 3, Roskam Aviation and Engineering Corp., 1985
公务机客舱布置实例-3
详见：J. Roskam, Airplane Design, Part 3, Roskam Aviation and Engineering Corp., 1985
公务机客舱布置实例-4
参见：J. Roskam, Airplane Design, Part 3, Roskam Aviation and Engineering Corp., 1985
• 客座数在70～80以下时，在客舱前端或后端有一个登机门 和服务门就可以，当客座数增加时，应当考虑客舱前后都设 置登机门和服务门。
客舱舱门的布置
• 确定客舱舱门位置时，应考虑地面车辆服务的情况，使 所有地面服务车辆尽可能同时接近飞机服务，缩短再次 飞行准备时间，提高飞机利用率。
应急出口
• 应急出口布置是机身设计的一个重要部分。 • 适航条例要求：所有乘员在90秒内撤离飞机。 • 在应急出口附近，应布置更大的空间，保证过道通畅。 • 适航条例对应急出口的数量、类型作了规定。
应急出口的类型
Ⅲ型应急出口机内跨上距离 Ⅲ型应急出口翼上跨下距离
应急出口数量和类型的规定
货运集装箱
• 国际航空运输协会（IATA）规定了标准集装箱尺寸。
典型的货运集装箱布置
厨房和卫生间
• 典型的厨房和卫生间尺寸
典型客舱布置
短航程客机
典型客舱布置
中程客机
典型客舱布置
远程客机
关于客舱布置的灵活性
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……

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。 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。
• 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).
37.0
cm
男性
9.9
cm
L80
女性
9.1
cm
四座轻型飞机客舱布置示例
四座轻型飞机客舱布置示例
典型轻型飞机客舱布置实例-1
参见：J. Roskam, Airplane Design, Part 3, Roskam Aviation and Engineering Corp., 1985
典型轻型飞机客舱布置实例-2
35.6
cm
G
女性
32.5
cm
男性
21.3
cm
H
女性
20.3
cm
男性
89.7
cm
I
女性
82.3
cm
男性
54.1
cm
J
女性
49.8
cm
男性
16.5
cm
K
女性
15.5
cm
男性
55.1
cm
L
女性
49.3
cm
男性
144.0
cm
N
女性
132.8
cm
男性
56.9
cm
L0
女性
52.3
cm
男性
40.2
cm
L45
女性
参见：J. Roskam, Airplane Design, Part 3, Roskam Aviation and Engineering Corp., 1985
民机机身外形初步设计
• 中机身外形设计 • 前机身外形设计 • 后机身外形设计
中机身外形
• 在完成客舱布置基础上，将客舱内壁向外增加100－
• It was capable of routine Mach 2+ speeds.
民机的客舱布置
• 确定客舱的二个主要参数：当量直径和长度 • 内舱剖面的形状与尺寸
– 形状：圆形或多段圆弧
• 表面面积小，有利于减少摩擦阻力。 • 对于气密舱，有利于承受内压。
– 宽度：取决于每排的座椅数、座椅宽度、过道数和过道宽度。 – 高度：取决于货舱容积、地板高度、客舱高度、行李架空间。
一些民机后机身长径比和上翘角数据
上翘角的定义
机身外形初步设计的步骤
• 根据设计要求，列出有效载荷项目（如旅客人数等）； • 根据所选的客舱座位安排或装载要求，确定最大当量直径df
和横截面形状，以及控制截面形状； • 考虑结构高度要求，将df和横截面形状适当放大； • 根据装载要求和客舱座位安排，确定中机身长度；或： • 参考同类飞机的前、后机身长径比λ头,λ尾或 lfc / df , θfc确定前、
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
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
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 。
140mm ,以提供机身结构所需的结构高度。
h
前机身外形设计
• 设计要求
– 装载要求
• 前视雷达 • 驾驶舱 • 前起落架
– 视界要求：在所有飞行和地面滑行过程中，有良好视界。
• 进场：能看见地平线以下 • 爬升：能看见地平线以下至少10度。 • 转弯：向上20度左右；侧向110度。 • 地面：能看见翼尖。
– 减阻要求
• 光滑曲面（减阻）与平直风挡玻璃（视界好）之间的权衡。 • 前机身长径比与阻力发散马赫数之间的关系。
典型前机身布置图
典型前机身布置图
一些民机的前机身长径比数据
前机身长径比对阻力发散马赫数的影响
后机身外形设计
• 考虑的主要因素：
– 减阻要求：外露面积，气流分离 – 结构重量轻 – 起飞时擦地角 – 安装：尾翼，吊舱（尾吊布局）
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.
后机身长度和上翘角。 • 画出机身外形草图。
例子：支线客机
横截面形状
769475 483
RR11657721
561 572 1727
R1578
R16R712571 584 483
455
561 572
R1578
1727
2080 665 508
2080 665 508
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。
• 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
（2）考虑面积律要求
（a）机翼－机身组合体 （b）当量旋成体 （c）横截面积分布
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
– 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.
轻型飞机客舱布置
座舱内部空间最小宽高要求
人体模型
男女人体模型数据统计（99%人适用）
男性
191.0
cm
A
女性
178.1
cm
男性
33.5
cm
B
女性
31.8
cm
男性
53.6
cm
C
女性
48.8
cm
男性
47.0
cm
D
女性
45.2
cm
男性
56.9
cm
E
女性
52.3
cm
男性
23.9
cm
F
女性
23.9
cm
男性