结构课程作业协和式客机

协和式超音速客机

1950年代开始，随着亚音速喷气式客机的普及，以及第一种实

用化的超音速军用飞机——F100“超佩刀”战斗机的出现，超音速客机在当时被普遍视为未来的发展路向，苏联、英国、法国、美国都相继计划研发超音速客机。在法国总统戴高乐和英国首相麦克米伦提议下，英国飞机公司与法国宇航公司开始合作这一超音速客机研制计划，法国总统戴高乐亲自将这一研制计划命名为"协和"。协和原型机于1965年开始制造，法国组装的第一架协和001飞机于1967年12月

11日出厂，1969年3月协和式飞机试飞，同年10月1日进行的第

45次试飞时突破了音障。英国组装的第一架协和002飞机也于1969

年4月首飞。1975年底取得两国型号合格证后开始投入使用，1976

年1月21日投入商业飞行。协和式飞机于1979年停产，总共生产

了20架，英法两国各生产10架。其中2架原型机，2架预生产型和16架生产型。除了2架生产型用于试验，英国航空和法国航空各有7架，后来法航1架退役。最终协和式飞机于2003年全部退役。

1.大致结构

协和式飞机前机身细长，这样既可以获得较高的低速仰角升力，有利于起降，又可以降低超音速飞行时产生的阻力，有利于超音速飞行。协和式飞机由于机头过于细长，飞行员在起降时由于高仰角导致视线会被机头挡住，同时为了改善起降视野，机头设计成可下垂式，在起降时下垂一定的角度，可以往下调5至12度，以便飞机在起飞和降落时，飞行员获得极好的视野，巡航时则转到正常状态。协和式

超音速客机采用无水平尾翼布局，为了适应超音速飞行，协和式飞机的机翼采用三角翼，机翼前缘为S形。

2.三角翼

在超音速飞行中，三角翼气动阻力小，而机鼻形成的冲击波到达三角翼的大后掠前缘时，会使三角翼产生非常高的气动效率。另一方面，在大迎角飞行时，三角翼的前沿还能产生大量涡流，附着在上翼面，产生的涡升力能大大提高总体升力。因此，协和飞机采用了双三角翼的设计。双三角翼的内外侧两个后掠角，靠近机身的翼根位置有较大的后掠角，以降低阻力；而在主要产生升力的机翼外段采用较小的后掠角和较小的机翼弦长，机翼前沿不是直线而是S型的曲线。细长S型前缘三角翼提高了低速时的升阻比，涡流稳定性好，平衡了高速和低速时的要求，对低速起降时的操纵性有所改善。协和飞机的细长三角翼由于有效利用了脱体涡升力，满足了飞机在低速、大迎角的情况下所需要的升力。此外，S型前缘三角翼的空气动力中心位于飞机重心之后，最大限度地减少升力中心随速度的移动；从亚音速过渡到超音速飞行时，机翼压力中心位置变化较小，提高了飞机的稳定性。

3.结构强度

机体主要材质为铝合金以减轻重量，并以传统的方式建造以避免未知因素带来的风险。协和飞机高速飞行时，转向会为飞机结构带来巨大压力，导致结构扭曲变形。为了在超音速飞行时依然能够维持有效、精确的控制，解决办法是对机翼内侧和外侧的升降副翼，依照不同的速度状态，进行按比例的调整。超音速飞行时，相对软弱的机翼

外段的副翼控制面将会锁定在水平位置，而只会操作靠近翼根位置、相对强度较高的内侧副翼控制面。

4.可下垂式头锥

可下垂的机鼻头锥是协和飞机的外观特征之一，既能在飞行时保持飞机的流线外型减低阻力，又可以于滑行、起飞和着陆时改善飞行员的视界。为了减少飞行阻力，协和飞机的机头较其他民航机更长，并呈针状。三角翼飞机起飞和着陆时的迎角较大，又长又尖的机鼻会影响飞行员对跑道、滑行道的视野，因此协和飞机的机头设计成可以改变角度以迎合各种操作需要。另外机头头锥也带有一个整流罩，这个可移动的整流罩具有维持机头流线型、保护驾驶舱玻璃、阻隔超音速飞行热力等功能。整流罩会在头锥下垂前收纳到头锥内，而当头锥恢复水平时，整流罩会升回驾驶舱挡风玻璃前方，令机头回复流线外型。在地面滑行和起飞时，驾驶舱内的控制器能控制整流罩收纳到头锥内并把头锥角度下调5°。起飞后，整流罩和头锥都会恢复原位。至飞机降落前，整流罩会再次收纳到头锥内，然后头锥会下调12.5°以取得最佳前下方视界。而降落时头锥会迅速回复到5°的位置以避免头锥触地。在非常罕有的情况下，协和飞机会将头锥下调至12.5°起飞。

5.发动机

为了令协和飞机在经济上可行，它需要飞行一段颇长的距离，这需要一种高效率的发动机。为了适应超音速飞行的需要，因此迎风面积较小的涡轮喷气发动机是最佳选择，以减少阻力及产生达超音速的

排气速度，而油耗较低和噪声较少的高涵道比涡轮风扇发动机则不适合用于超音速客机。每架协和飞机装配了四具由劳斯莱斯和斯纳克玛公司联合研制的奥林匹斯593 Mk 610型轴流式双转子涡轮喷气发动机，是当时世界上推力最大涡喷发动机，每具可产生多达18.7吨的推力。在超音速飞行时，进气道口会产生激波并对空气进行预压缩。为了降低超音速激波阻力，并让发动机维持最佳进气效率，协和飞机的进气道也经过了特殊设计。所有常规喷气发动机都只能吸收速度约0.5马赫的气流，因此巡航速度达2马赫的协和飞机必须将超音速的进气速度减慢至亚音速，否则发动机效率会大大降低，并可能引发发动机喘振等问题，另外协和飞机也必须控制减慢气流速度时所形成的激波位置以避免损坏发动机。为解决上述问题，协和飞机采用了可调节进气道，以一对可移动的大型斜板）和一道溢流门，按不同的飞行速度和情况，调节进气速度和激波位置并对引进气流进行预压缩。两块斜板位于发动机短舱进气道顶部，由液压系统控制，可以向下移动；而溢流门则位于进气道下方可以向上下开合控制气流流入或流出。在飞机起飞时发动机进气需求高，斜板会平放（处于收起状态），溢流门会向上打开以增加进气量。当飞机速度到达0.7马赫时，溢流门会关闭；而速度达1.3马赫时，斜板会开始移动并将气流引导出进气道并用于机舱加压。当飞机以2.0马赫进行超音速巡航时，斜板会覆盖一半进气口面积，协助压缩空气和增加气流温度以减轻发动机压缩段的工作压力。这套系统对提高发动机效率有很大帮助，协和飞机在超音速飞行时，有63%的推力是由进气道预压缩产生。