民用飞机气动布局形式的历史演变与未来展望

民用飞机气动布局形式的历史演变与未来展望1气动布局的演变2新概念气动布局目录背景知识1.1飞机气动布局定义3飞机机翼、机身、尾翼、发动机及起落架等主要部件尺寸、形状、数量及其相互位置分布按机翼分：数量：单翼布局、双翼布局位置：上翼布局、中翼布局、下翼布局形状：平直翼布局、后掠翼布局、前掠翼布局按尾翼分：垂尾：单垂尾布局、双垂尾布局平尾：低平尾布局、高平尾布局按发动机分：数量：单发布局、双发布局、四发布局位置：翼吊布局、尾吊布局、翼根布局类型：螺旋桨布局、涡喷布局、涡扇布局按起落架分：数量：双起落架布局、三点起落架布局接地点位置：前三点布局、后三点布局背景知识1.1飞机气动布局的重大价值4气动布局与飞机的动态特性及所受到的空气动力密切相关，关系到飞机的飞行特征及性能气动布局形式的选择决定了飞机维修运营成本的高低商用飞机的发展史，很大程度上是飞机气动布局的演变史气动布局——机翼数量演变1.2双翼机时代5飞机以双翼机的气动布局形式诞生，莱特兄弟制造的“飞行者”一号是双翼机，它的两个推进式螺旋桨分别安装在驾驶员位置的两侧当时发动机功率低、重量大，建造机体的材料大多是木材和蒙布。为在低速条件下产生足够的升力，需要较大面积的机翼1914年1月1日，世界上首个固定翼飞机商业航线在美国佛罗里达州的圣彼得斯堡市——坦帕市开通，使用的是BENOISTXIV水上飞机1920年5月17日，荷航飞行员JerryShaw驾驶一架DH-16飞机从伦敦飞往阿姆斯特丹，完成荷航首个商业航班气动布局——机翼数量演变1.2双翼机三种典型气动布局6正交错双翼布局负交错双翼布局最初的双翼机，上下翼面的正投影是重叠的，这是由于通过支柱和张线，上下翼面可以形成一个盒式结构，增大机翼的抗扭强度上翼在前叫正交错，气动效率，最大升力，飞行员视野和上下飞机方便，大多数双翼机都采用正交错设计上翼在后叫负交错，比奇17双翼机是第一款应用交错式双翼结构的飞机，两对机翼不像普通飞机那样垂直固定，而是下翼在前，上翼在后重叠双翼布局气动布局——机翼数量演变1.2双翼布局的优点与不足7气动干扰，由于下翼的上表面的高速气流与上翼下表面的低速气流相互抵消，导致上下机翼的升力总和远小于一层机翼的两倍，而阻力却大于一层机翼的两倍结构复杂，给制造带来很大困难发动机功率不足，无法获得更高的升力，不能在更高的空中飞行机翼结构的更加平稳，使它在农业喷洒农药和飞行表演领域大展身手，也可以改装为无人货机。右图为顺丰用运5B运输机改装的货运无人机气动布局——机翼数量演变1.2单翼机的出现8在探索有动力飞行之初，早在1874年，人们就开始尝试设计单翼机由于结构、材料和工艺等方面的限制，当时单冀机性能还不如双翼机，飞行员更喜欢那些操纵稳定、结构可靠、机动灵活的双翼机1909年，首架单翼飞机成功试飞，如BleriotModelXI，最高速度每小时87.04公里，采用单发（25马力、3汽缸、气冷式星型发动机），衍架式木质机身气动布局——机翼数量演变1.2单翼机的出现9随着飞机速度的不断提高，双翼机机翼及支柱的阻力越来越大随着高强度铝合金的问世，制造出结构重量不太大而又能承受大载荷的薄机翼从20世纪30年代起，双翼机逐渐被单翼机取代1930年，波音200单翼信使首飞，用于邮件运输，同时引领了新的下单翼设计风范1932年，德国亨克尔首飞，该机用于邮政快递运输1933年，波音247正式首飞，融入了众多现代化商业航空飞机特色1936年，DC-3投入运营，将航空运输变得可以盈利，成为经典机型气动布局——机翼数量演变1.2单翼机的布局形式10按是否带有撑杆，单翼机可分为带撑杆的单翼机和不带撑杆的悬臂式单翼机气动布局——机翼数量演变1.2单翼机的布局形式11按机翼相对于机身上下位置的不同，又可分为上单翼飞机、中单翼飞机和下单翼飞机。商用飞机采用中单翼布局的极少气动布局——机翼数量演变1.2三种单翼机布局的利弊12特征上单翼中单翼下单翼机翼上表面流场√√×干扰阻力√√×翼身连接结构√×√起落架结构×√√稳定性√√×向下看的视界√××固有稳定性是指因全机重心与机翼平面位置关系来的稳定性气动布局——机翼篇1.3机翼平面形状13飞机的机翼按照俯视平面形状的不同，可划分为平直、前掠和后掠这三种基本机翼，但前掠机翼在商用飞机中几乎没有采用平直翼——指机翼1/4弦线和机身对称面垂直，在20世纪40年代前，是飞机机翼的主要形式优点：构造简单，安装方便，在低速飞行时，与其他形式机翼相比，提供的升力比较大缺点：当飞行速度增加到高亚声速时，平直翼的前缘会提早产生激波，使阻力增加气动布局——机翼篇1.3机翼平面形状14为了克服和减小激波阻力，人们一改平直的机翼形状，提出了后掠翼设计方案后掠翼就是前缘和后缘均向后掠的机翼，表征机翼后掠程度的指标是后掠角，即机翼前缘与水平线的夹角后掠翼的气动特点是可增大机翼的临界马赫数，推迟激波的到来，并减小超音速飞行时的阻力后掠翼的出现是机翼形状的一次重大变革，对飞机发展产生了极大影响世界上第一架后掠飞机是德国的Me一262飞机气动布局——发动机篇1.4概述15飞机发动机，不仅是飞机的动力，也是促进航空事业发展的重要推动力，人类航空史上的每一次重要变革都与航空发动机的技术进步密不可分气动布局——发动机篇1.4按发动机数量16按发动机的数量分，可以分为单发、双发、三发、四发、六发、八发等。商用飞机主要以双发和四发为主气动布局——发动机篇1.4按发动机类型17按发动机的数量分，可以分为活塞发动机、涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡桨发动机等。当代商用飞机主要采用大涵道比涡轮风扇发动机气动布局——发动机篇1.4按发动机位置18按发动机在飞机上的位置分，可以分为翼吊布局、尾吊布局、翼上布局、翼根布局、“翼吊+尾吊”三发布局等。其中，翼吊布局是目前最常见的布局形式翼吊布局尾吊布局气动布局——发动机篇1.4按发动机位置19尾吊三发布局翼吊+尾吊三发布局气动布局——尾翼篇1.5概述20尾翼是安装在飞机尾部的一种装置，用来控制飞机的俯仰、偏航和滚转以改变其飞行姿态，是飞行控制系统的重要组成部分大多数尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼，也有少数采用V型尾翼尾翼对飞机姿态的影响，主要就是杠杆原理。飞机的重心位置是杠杆的支点，尾翼就是杠杆的端点。力矩产生的大小，受尾翼受力和力臂大小的制约气动布局——尾翼篇1.5垂尾21按照垂尾的数目，可分为单垂尾、双垂尾和多垂尾飞机等。通常情况下，多数飞机都只有一个垂直尾翼，位于飞机的对称面内垂尾的主要作用是保持飞机的航向平衡、稳定和操纵作用，保持转弯在无侧滑状态下进行，在有侧风着陆时保持机头对准跑道，在飞行中平衡不对称的偏航力矩（如单发停车造成的偏航力矩）气动布局——尾翼篇1.5垂尾22An-22双垂尾An-225双垂尾大型飞机由于机身比较粗大，为了保证飞机在高空高速飞行时仍有足够的航向稳定性，需要有很大的垂尾面积采用双垂尾布局，可以降低垂尾高度，减小垂尾在侧滑时产生的滚转力矩，同时也可提高大迎角时的航向稳定性在双垂尾布局中，常将两个垂尾布置在平尾两端，以提高平尾的效率气动布局——尾翼篇1.5多垂尾23LockheedConstellation三垂尾三垂尾版的747航天飞机过去速度较低的时代，出现过多垂尾客机在单垂尾面积有限的情况下，可以提供更大的方向舵面积和安定面面积，可以有效降低垂尾的高度，便于维护气动布局——尾翼篇1.5平尾24按照平尾相对于机翼的上下位置不同，大致分为高平尾、中平尾和低平尾三种型式。通常情况下，平尾处于飞机尾部。但鸭式布局则把它布置在机翼前方，称为鸭翼平尾的主要作用是保持飞机纵向俯仰平衡、稳定和操纵作用，使飞机在俯仰方向上具有静稳定性。受机身、机翼和、发动机短舱和螺旋桨滑流等因素的影响气动布局——尾翼篇1.5平尾25波音、空客的飞机大多采用低平尾布局，如B707、B737-B787、A320-A350、A380等麦道公司的飞机喜欢采用高平尾，如MD-80，MD-82，MD-90等一般来说，干线飞机多采用低平尾，支线飞机和公务机多采用高平尾气动布局——尾翼篇1.5低平尾26VS高平尾垂尾后掠以致尾力臂大平尾面积可以减小减阻减重，操纵灵活深失速，不方便人员维护流行、主流客机均是低平尾配合翼吊布局，能采用大尺寸发动机维修维护方便大迎角时不容易出现深失速气动布局——起落架篇1.6起落架的功能27起落架装置是唯一一种支撑整架飞机的部件、是飞行器重要的具有承力兼操纵性的部件，在飞行器安全起降过程中担负着极其重要的使命，其性能的优劣直接关系到飞机的使用于安全气动布局——起落架篇1.6起落架的演变281903年，莱特兄弟所制造的“飞行者一号”，只有一对类似滑橇的装置，用带轮子的小车在滑轨上靠落锤装置弹射辅助起飞1906年，Santos-Dumont（桑托斯·杜蒙）的“飞机-14BIS”采用轮式起落架以后，飞机在地面的移动、起飞前滑跑和着陆性能都有了很大的提高，这是现代起落架的雏形气动布局——起落架篇1.6起落架的演变29后三点式起落架，特点是两个主轮在重心稍前处，尾轮在机身尾部离重心较远。优点是结构简单、正常着陆时，三个机轮同时触地，地面滑跑时具有较大的迎角，从而可以减小着陆的滑跑距离适合于装有活塞式发动机型、超轻型低速飞机，在四十年代中叶以前曾得到广泛的应用气动布局——起落架篇1.6起落架的演变30前三点式起落架，为前一后二布局。前轮在机头下面远离飞机重心处，两个主轮左右对称地布置在重心稍后处，左右主轮有一定距离可保证飞机在地面滑行时不致倾倒当前主流起落架布局形式，其机身地板基本处于水平位置，便于旅客登机和货物装卸1气动布局的演变2新概念气动布局目录气动布局——新概念布局篇2.1Flying-V32Flying-V得名源自其两个V型相交的机身，把把涡扇发动机置于机身上表面，客舱、货舱和机身油箱集成在一起，形成了壮观的V字形类飞翼气动布局特点：较轻的机身、较高的气动效率、通过机身来屏蔽部分发动机噪音，降低整机起降时的噪音水平、发动机上置也有利于利用喷流形成环流，进一步提高整机升力气动布局——新概念布局篇2.2跨音速桁架支撑机翼TTBW33类似于传统的“筒状机身加机翼”布局，但是其大翼展、低阻力、桁架支撑结构的机翼确是全新的概念右图所示，TTBW飞机的机翼明显加长，所以需要一个桁架支撑，而且也由目前流行的下单翼改为上单翼采用T尾布局，涡桨发动机气动布局——新概念布局篇2.3联结翼布局34联结翼布局飞机是指带上反角的后掠前翼和带下反角的前掠后翼联结成菱形框架结构的飞机从前视图和俯视图上看，联结的机翼框架都成菱形投影作为一种飞行器创新布局，其本质是气动/结构一体化的布局形式气动布局——新概念布局篇2.4飞翼布局35飞翼式飞机是一种没有尾翼和机身，只有巨大机翼的飞机，具有结构重量轻和飞行阻力小的特点飞翼式飞机由无尾飞机发展而来，当巨型无尾飞机的机翼大到足以容纳人员和货物时，机身和机翼融为一体气动布局——新概念布局篇2.5翼身融合布局BWB36翼身融合布局指机翼和机身做为一个整体来设计，二者平面形状和剖面形状完全融合为一，可以获取更好的气动性能优点是结构轻、容积大、阻力，具有较大的内部空间，噪音低，油耗率低，具有非常稳定的低速性能，更加环保、安静气动布局——新概念布局篇2.6空客新概念机-猛禽37最大的特点是模仿猛禽飞羽设计的机翼翼梢和尾翼其灵感来自于鹰这种空中捕食者的自然特征，模仿了猛禽的翅膀与尾巴结构空客表示“这个方案的主要目的是启发新一代工程师的灵感，现在讨论其商业可行性还为时过早”气动布局——新概念布局篇2.7D8双气泡布局38利用目前正在开发的技术，这架飞机的燃油消耗量可以比今天的同类飞机减少30%至50%，这是效率上的一个重大飞跃气动布局——新概念布局篇2.8高能效混合动力喷气客机39在新式设计中，风扇对这些空气进行收集、加速并转化为推力，以此形成优势。有两台发动机提供推力和电力以驱动风扇气动布局——新概念布局篇2.9Onera的Nova布局40采用后机身嵌入式大涵道比发动机布局，通过BLI达到减阻效果气动布局——新概念布局篇2.10德国PFC布局41包豪斯研究院的“推进式机身概念”，位于后机身内的风扇通过环状进气道吸入附面层气流，并对尾迹重新注入能量PFC布局相比同级别的2035年服役的传统单