飛機(jī)總體設(shè)計(jì)課件 超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院張錫金2011.02.18前言飛機(jī)的氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)飛機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)系列培訓(xùn)第一章飛機(jī)的氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)原理

第二章繞機(jī)翼的流動(dòng)和超臨界機(jī)翼的設(shè)計(jì)第三章飛機(jī)飛行力學(xué)的基本理論第四章型號(hào)氣動(dòng)的試驗(yàn)驗(yàn)證第五章氣動(dòng)特性數(shù)據(jù)體系的建立與分析方法前言

機(jī)翼作為飛機(jī)貢獻(xiàn)升力的主要部件，對(duì)飛機(jī)的整體氣動(dòng)特性起著十分重要作用。

機(jī)翼設(shè)計(jì)是飛機(jī)氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)中的技術(shù)關(guān)鍵。超臨界機(jī)翼是上世紀(jì)在氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)方面的一項(xiàng)重大突破。它顯著提高了機(jī)翼的跨音速氣動(dòng)特性,它能夠把阻力發(fā)散馬赫數(shù)提高一個(gè)檔次?？梢栽黾幼畲笙鄬?duì)厚度，或者減小機(jī)翼后掠角。這樣，進(jìn)一步提高了氣動(dòng)效率。因此，在機(jī)翼的幾何參數(shù)與氣動(dòng)特性的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、協(xié)調(diào)、匹配方面，給設(shè)計(jì)師們提供了更大的選擇空間。超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)前言

但是，超臨界機(jī)翼發(fā)展到今天，設(shè)計(jì)技術(shù)已日趨完善。想在這個(gè)基礎(chǔ)上再提高一個(gè)臺(tái)階，想在激烈的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中再領(lǐng)先一步，對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)師們都是極大的挑戰(zhàn)。在介紹超臨界機(jī)翼的設(shè)計(jì)之前，應(yīng)該對(duì)常規(guī)的機(jī)翼設(shè)計(jì)有一個(gè)初步概念。對(duì)于翼吊布局的飛機(jī)，機(jī)翼的最終成型是在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝之后，所以，這里介紹常規(guī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)、超臨界機(jī)翼的設(shè)計(jì)和機(jī)翼-發(fā)動(dòng)機(jī)短艙的一體化設(shè)計(jì)。在第一章中我們講到飛機(jī)總體設(shè)計(jì)流程，現(xiàn)在來(lái)看機(jī)翼設(shè)計(jì)在流程圖中的位置。超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

1常規(guī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)

1.1翼型的選擇與設(shè)計(jì)

1.2機(jī)翼的平面形狀

目錄超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

3機(jī)翼-吊掛/短艙一體化設(shè)計(jì)

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)位置的選擇

3.2短艙吊掛外形設(shè)計(jì)

3.3機(jī)翼的最后修形

3.4干擾阻力的計(jì)算

2超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

2.1機(jī)翼“超臨界”的含義

2.2超臨界機(jī)翼的特點(diǎn)

2.3超臨界機(jī)翼的設(shè)計(jì)

2.4翼梢小翼的設(shè)計(jì)

1常規(guī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)

1.1翼型的選擇與設(shè)計(jì)

1.2機(jī)翼的平面形狀

（1）翼型的幾何定義①翼型弦長(zhǎng)（c）②相對(duì)厚度（t）與最大厚度位置（xt）③相對(duì)彎度（f）與最大彎度位置（xf）④前緣半徑（r）

(t、xt、f、xf、上面都有一橫“--”)

1常規(guī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)

1常規(guī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)

1.1翼型的選擇與設(shè)計(jì)

翼型為機(jī)翼的縱向剖面外形，其氣動(dòng)特性對(duì)機(jī)翼乃至飛機(jī)的總體特性具有重要影響。

1常規(guī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)

1常規(guī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)

1.1翼型的選擇與設(shè)計(jì)（1）翼型的幾何定義（2）繞翼型的流動(dòng)駐點(diǎn)減速加速飛機(jī)飛行時(shí)，氣流繞機(jī)翼的流動(dòng)。同時(shí)①駐點(diǎn)分流

遠(yuǎn)前方來(lái)流在駐點(diǎn)處分開(kāi)，向上、下表面流動(dòng)。

②

前緣加速

上表面來(lái)流在前緣加速，前緣半徑小，加速快，負(fù)壓峰高。

③

上表面減速

上表面彎曲，氣流加速，相對(duì)厚度大，加速快，負(fù)壓高。但比前緣加速小，相對(duì)來(lái)說(shuō)是減速，負(fù)壓低。

④

翼型相對(duì)彎度翼型相對(duì)彎度越大，零升迎角（負(fù)）越大。在同樣的迎角下，升力越大。⑤

上表面后部減速

上表面后部氣流減速。根據(jù)儒科夫斯基的“庫(kù)塔條件”，前方的來(lái)流同時(shí)來(lái)到達(dá)機(jī)翼的前緣，又同時(shí)離開(kāi)機(jī)翼的后緣。所以，在后緣點(diǎn)的速度和壓力是平衡的。下表面的流動(dòng)可以同樣原理分析。

1常規(guī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)

1常規(guī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)

1.1翼型的選擇與設(shè)計(jì)（1）翼型的幾何定義（2）繞翼型的流動(dòng)飛機(jī)飛行時(shí)，氣流繞機(jī)翼的流動(dòng)。環(huán)量Γ⑥機(jī)翼產(chǎn)生升力壓力分布的積分就是這個(gè)飛機(jī)的升力。但是，這是在飛機(jī)前進(jìn)的時(shí)候才能產(chǎn)生這樣的壓力，飛機(jī)前進(jìn)同時(shí)產(chǎn)生阻力。⑦前緣上洗機(jī)翼產(chǎn)生升力，前緣誘導(dǎo)來(lái)流上洗。⑩⑧

后緣下洗機(jī)翼后緣有尾渦。誘導(dǎo)上、下表面的氣流下洗。⑨

機(jī)翼的環(huán)量機(jī)翼的這個(gè)對(duì)氣流的誘導(dǎo)相當(dāng)于一個(gè)環(huán)的作用。這個(gè)環(huán)的大小叫做“環(huán)量”，環(huán)量的大小與升力有關(guān)：L=ρVΓ

。這個(gè)環(huán)量與機(jī)翼對(duì)氣流的誘導(dǎo)作用是等效的。（3）翼型的選擇與修形

早期飛機(jī)設(shè)計(jì)使用的翼型通常選擇一些典型翼型。根據(jù)飛行性能的要求，采用逐步修形，最后進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證。

1常規(guī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)

1常規(guī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)

1.1翼型的選擇與設(shè)計(jì)（1）翼型的幾何定義（2）繞翼型的流動(dòng)（2）翼型的選擇與修形

1常規(guī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)

1常規(guī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)

1.1翼型的選擇與設(shè)計(jì)（1）翼型的幾何定義翼型選擇應(yīng)考慮的因素：

①高的升力線(xiàn)斜率使整個(gè)飛機(jī)的飛行姿態(tài)具有較高的升力系數(shù)。②盡可能小的阻力有高的升阻比，以獲得比較好的巡航和爬升性能。③俯仰力矩比較小不致帶來(lái)較大的升力損失和配平阻力。④良好的失速特性大的最大升力系數(shù)，而且失速時(shí)升力變化緩慢。⑤較大的相對(duì)厚度使得結(jié)構(gòu)重量輕，燃油容積大。

1常規(guī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)

1常規(guī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)

1.1翼型的選擇與設(shè)計(jì)

1.2機(jī)翼的平面形狀

（1）飛機(jī)特征參數(shù)

機(jī)翼包括布置在上面的輔助部件和穿越機(jī)身的部分。

機(jī)翼面積

毛機(jī)翼包括穿越機(jī)身部分和輔助部件的機(jī)翼稱(chēng)為“毛機(jī)翼”

基本機(jī)翼包括穿越機(jī)身部分但不包括輔助部件的稱(chēng)為“基本機(jī)翼”

外露機(jī)翼不包括穿越機(jī)身部分但包括輔助部件的稱(chēng)為“外露機(jī)翼”

外露基本機(jī)翼不包括穿越機(jī)身部分也不包括輔助部件的稱(chēng)為“外露基本機(jī)機(jī)翼參考面積

“基本機(jī)翼”在飛機(jī)構(gòu)造水平面中的投影面積。

①機(jī)翼參考面積

1常規(guī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)

1常規(guī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)

1.1翼型的選擇與設(shè)計(jì)

1.2機(jī)翼的平面形狀

（1）飛機(jī)特征參數(shù)

①機(jī)翼參考面積

②平均氣動(dòng)弦長(zhǎng)平均氣動(dòng)弦長(zhǎng)(MAC)是代表整個(gè)機(jī)翼，甚至飛機(jī)氣動(dòng)特性的一個(gè)特征長(zhǎng)度。

1常規(guī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)

1常規(guī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)

1.1翼型的選擇與設(shè)計(jì)

1.2機(jī)翼的平面形狀

（1）飛機(jī)特征參數(shù)

①各翼剖面的環(huán)量機(jī)翼由各個(gè)翼剖面組成。各個(gè)翼剖面都有剖面升力，一定的升力對(duì)應(yīng)一定的環(huán)量。

（2）繞機(jī)翼的流動(dòng)

翼剖面②剖面間的附著渦各個(gè)翼剖面的環(huán)量不同，無(wú)旋流，環(huán)量守衡，相鄰剖面間拖出尾渦——“附著渦”。

③強(qiáng)大的翼尖渦在翼尖環(huán)量不連續(xù)，拖出“翼尖渦”。比附著渦強(qiáng)得多，對(duì)周?chē)鲃?dòng)的誘導(dǎo)也大得多。

④最后形成渦辮翼尖渦和附著渦在機(jī)翼后緣拖出組合，最后形成一個(gè)“渦辮”。這是機(jī)翼后下洗的來(lái)源。

附著渦翼尖渦渦辮

1常規(guī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)

1常規(guī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)

1.1翼型的選擇與設(shè)計(jì)

1.2機(jī)翼的平面形狀

（1）飛機(jī)特征參數(shù)

機(jī)翼的三個(gè)主要平面參數(shù)包括:

展弦比梢根比后掠角

（3）飛機(jī)平面參數(shù)

（2）繞機(jī)翼的流動(dòng)

1常規(guī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)

1.2機(jī)翼的平面形狀①展弦比

機(jī)翼的展弦比為其展長(zhǎng)與平均幾何弦長(zhǎng)之比。

提高展弦比有助于提高飛機(jī)

的升力線(xiàn)斜率。

有限展長(zhǎng)的機(jī)翼，大的展弦

比可以有效地減小升致阻力。大展弦比大，結(jié)構(gòu)重量就大。（1）飛機(jī)特征參數(shù)

（3）飛機(jī)平面參數(shù)

（2）繞機(jī)翼的流動(dòng)

1.2機(jī)翼的平面形狀

（3）飛機(jī)平面參數(shù)

①展弦比

對(duì)飛機(jī)的翼展有限制，例如:機(jī)場(chǎng)跑道寬度，滑行道空間，特別是轉(zhuǎn)彎處，以及機(jī)庫(kù)大門(mén)寬度對(duì)客機(jī)的寬度,

其上限為80m?？梢圆杉{翼尖小翼,增加有效展弦比。典型客機(jī)翼展限制見(jiàn)表

中所示。典型客機(jī)翼展限制飛機(jī)類(lèi)型取值范圍（m）支線(xiàn)飛機(jī)20-21.5單通道飛機(jī)28.5-34中長(zhǎng)航程飛機(jī)50-61超大型雙通道飛機(jī)

77-80

1常規(guī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)

1常規(guī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)

1.2機(jī)翼的平面形狀①展弦比

②梢根比

梢根比又稱(chēng)梯形比。是機(jī)翼翼梢弦長(zhǎng)和翼根弦長(zhǎng)的比值。

首先要使氣動(dòng)載荷沿展向呈半橢

圓分布。

大梢根比對(duì)于結(jié)構(gòu)上是有益的。

過(guò)大的梢根比可能導(dǎo)致氣動(dòng)載荷

在翼尖處集中，進(jìn)而導(dǎo)致首先翼

尖失速。

而且，翼尖弦長(zhǎng)的減小還受副翼

弦長(zhǎng)的限制。

通常梢根比在0.1到0.6的范圍。

大部分低速機(jī)翼的梢根比為

0.4—0.5。后掠機(jī)翼的梢根比為

0.2—0.3。（1）飛機(jī)特征參數(shù)

（3）飛機(jī)平面參數(shù)

（2）繞機(jī)翼的流動(dòng)

1常規(guī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)

1.2機(jī)翼的平面形狀①展弦比

②梢根比

③后掠角

機(jī)翼等百分比弦點(diǎn)之連線(xiàn)在飛機(jī)構(gòu)造水平面中的投影與垂直飛機(jī)對(duì)稱(chēng)面的平面之間的夾角定義為機(jī)翼的“后掠角”。通常以1/4弦線(xiàn)的角表示，稱(chēng)為“1/4弦線(xiàn)后掠角”。

機(jī)翼的后掠角增大可以提高它的臨界馬赫數(shù)，同時(shí)減小激波阻力的峰值。降低副翼效率。大的后掠角將增加結(jié)構(gòu)重量。

典型亞音速運(yùn)輸機(jī)機(jī)翼后掠角、相對(duì)厚度與臨界馬赫數(shù)的關(guān)系。

（3）飛機(jī)平面參數(shù)

1.2機(jī)翼的平面形狀

（3）飛機(jī)平面參數(shù)

機(jī)翼幾何特征的典型值參數(shù)飛行馬赫數(shù)范圍MN≤0.65

0.65<MN≤0.950.95<MN≤1(le)MN≥1(le)后掠角0展弦比

5-7（短程）10-12（長(zhǎng)程）4-6（戰(zhàn)斗機(jī)）7-10（運(yùn)輸機(jī)）1.5-3.02-4梢根比0.5-0.60.2-0.30.10.o02-0.04翼根厚度0.15-0,200.10-0.150.060.02-0.03翼尖厚度65%

翼根值65%

翼根值翼根值翼根值表中：MN——飛行馬赫數(shù)；1（le）——代表機(jī)翼前緣（M=1）

1常規(guī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)

1常規(guī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)

1.1翼型的選擇與設(shè)計(jì)

1.2機(jī)翼的平面形狀

目錄超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

3機(jī)翼-吊掛/短艙一體化設(shè)計(jì)

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)位置的選擇

3.2短艙吊掛外形設(shè)計(jì)

3.3機(jī)翼的最后修形

3.4干擾阻力的計(jì)算

2超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

2.1機(jī)翼“超臨界”的含義

2.2超臨界機(jī)翼的特點(diǎn)

2.3超臨界機(jī)翼的設(shè)計(jì)

2.4翼梢小翼的設(shè)計(jì)

2超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

2.1機(jī)翼“超臨界”的含義

2.2超臨界機(jī)翼的特點(diǎn)

2.3超臨界機(jī)翼的設(shè)計(jì)

2.4翼梢小翼的設(shè)計(jì)2

超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

2.1

機(jī)翼“超臨界”的含義

2超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)M=1（1）臨界馬赫數(shù)

飛行器在飛行中，隨著飛行速度的增大，部件（例如：飛機(jī)的機(jī)翼）上某一點(diǎn)出現(xiàn)音速，此時(shí)的飛行馬赫數(shù)，就是這個(gè)飛行器的“臨界馬赫”Mcr

。M<1M=Mcr2

超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

2.1

機(jī)翼“超臨界”的含義

（1）臨界馬赫數(shù)

2超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

（2）阻力發(fā)散馬赫數(shù)

一般以阻力-馬赫數(shù)曲線(xiàn)斜率的增量來(lái)衡量，當(dāng)曲線(xiàn)的斜率

=0.1所對(duì)應(yīng)的馬赫數(shù)，確定為這個(gè)飛機(jī)的阻力發(fā)散馬赫數(shù)。也可以零升阻力系數(shù)增加

0.002時(shí)的馬赫數(shù)作為阻力發(fā)散馬赫數(shù)。

在超過(guò)臨界馬赫數(shù)飛行

時(shí)，飛行器產(chǎn)生波阻，阻力增加。

速度不斷增大，阻力不斷增加。到

達(dá)某個(gè)馬赫數(shù)時(shí)，阻力迅速增加。

這個(gè)阻力迅速增加的馬赫數(shù)叫做

“阻力

發(fā)散馬赫數(shù)”Mdd

。2

超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

2.1

機(jī)翼“超臨界”的含義

（1）臨界馬赫數(shù)

2超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)（2）阻力發(fā)散馬赫數(shù)

（3）超臨界機(jī)翼的物理本質(zhì)

“超臨界機(jī)翼”是一個(gè)適用于超過(guò)其臨界M數(shù)飛行的機(jī)翼。所以，這個(gè)機(jī)翼上應(yīng)該有超音速區(qū)。有超音速區(qū)就有激波，有激波就有波阻，有波阻飛機(jī)阻力就很快增大。因此，要使這個(gè)機(jī)翼的阻力發(fā)散M數(shù)盡可能的高一些。這樣，使得飛機(jī)飛行速度增大了，而阻力增加不太多，從而得到飛機(jī)比較高的巡航效率。

總之，超臨界機(jī)翼是在臨界馬赫數(shù)與阻力發(fā)散馬赫數(shù)之間，獲得最佳巡航效率的機(jī)翼。最佳巡航效率

2.1

機(jī)翼“超臨界”的含義

（3）超臨界機(jī)翼的物理本質(zhì)

有些研究超臨界機(jī)翼學(xué)者，在無(wú)激波設(shè)計(jì)方面很感興趣，花了較大的精力。也有一些業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為：“無(wú)激波就沒(méi)有波阻，不更好嗎”？

2超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

弱激波無(wú)激波

2.1

機(jī)翼“超臨界”的含義

（3）超臨界機(jī)翼的物理本質(zhì)這樣的機(jī)翼抗干擾的能力非常脆弱，飛行速度減低一點(diǎn)，升力系數(shù)（迎角）小一點(diǎn)，出現(xiàn)雙激波；速度稍大一點(diǎn)，出現(xiàn)強(qiáng)激波。

2超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

不同馬赫數(shù)不同迎角

2.1

機(jī)翼“超臨界”的含義

（3）超臨界機(jī)翼的物理本質(zhì)

無(wú)激波機(jī)翼巡航點(diǎn)阻力系數(shù)最小，但是，隨飛行速度的提高波阻迅速增大。阻力發(fā)散特性差別較大。

2超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

2

超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

2.1

機(jī)翼“超臨界”的含義

2.2

超臨界機(jī)翼的特點(diǎn)

2超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)（1）超臨界機(jī)翼的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

“超臨界機(jī)翼的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則”。各種資料介紹了大同小異的許多準(zhǔn)則，歸納、整理起來(lái)是：

①最小激波阻力準(zhǔn)則巡航飛行狀態(tài)下,激波較弱，波阻最小，巡航效率最高。阻力隨馬赫數(shù)增加比較緩和，阻力發(fā)散馬赫數(shù)高。②最小誘導(dǎo)阻力準(zhǔn)則對(duì)于單獨(dú)機(jī)翼，給定展弦比時(shí)，橢圓升力分布具有最小的誘導(dǎo)阻力。對(duì)于全機(jī)，低平尾時(shí)全機(jī)最誘導(dǎo)阻力對(duì)應(yīng)的升力分布與橢圓升力分布相比，內(nèi)翼升力增大，外翼升力略為減小。③最小設(shè)計(jì)迎角準(zhǔn)則

采用適當(dāng)?shù)那凹虞d和后加載，使設(shè)計(jì)條件下的機(jī)翼升力比較大，而迎角盡可能小，最好接近于零。④最小低頭力矩準(zhǔn)則后加載控制在一定范圍內(nèi)，使其產(chǎn)生的低頭力矩盡可能小，以降低配平阻力和尾翼載荷。并對(duì)翼尖后加載進(jìn)行適當(dāng)控制，保證襟翼和副翼的結(jié)構(gòu)空間。⑤后緣氣流分離準(zhǔn)則

在設(shè)計(jì)馬赫數(shù)和設(shè)計(jì)升力系數(shù)范圍內(nèi)，機(jī)翼后緣的逆壓梯度不能太大，以避免后緣氣流分離。⑥低速失速特性準(zhǔn)則低速狀態(tài)，具有較高的最大升力系數(shù)和較好失速特性，以盡量減輕增升裝置設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)。2

超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

2.1

機(jī)翼“超臨界”的含義

2.2

超臨界機(jī)翼的特點(diǎn)

2超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)（1）超臨界機(jī)翼的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

①頭部比較豐滿(mǎn)超臨界翼型的前緣半徑大，頭部比較豐滿(mǎn)，以消除前緣的負(fù)壓峰，使氣流不致加速太快，而過(guò)早達(dá)到音速。②上表面比較平坦

上表面中部曲度小，比較平坦，使壓力分布比較平緩，不能有比較大的逆壓剃度，使這部分氣流逐漸平穩(wěn)加速，達(dá)到比較低的超音速。以減小激波強(qiáng)度，降低波阻。

（2）超臨界翼型的幾何特點(diǎn)

根據(jù)超臨界機(jī)翼的物理本質(zhì)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，與早期的典型翼型相比，超臨界翼型的幾何外形有以下特點(diǎn)。③上后部向下彎曲

上表面后部向下微微彎曲，以緩和激波誘導(dǎo)邊界層分離。也增加一點(diǎn)翼型的彎度，增加一點(diǎn)升力。④下表面后部凹彎

下表面后部有一個(gè)向里凹進(jìn)去的彎曲段，產(chǎn)生一定的正壓力，因而增加升力，叫做“后加載”。彌補(bǔ)上表面比較平坦引起的升力不足，使超臨界機(jī)翼在較小迎角下，得到足夠大的升力。2

超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

2.1

機(jī)翼“超臨界”的含義

2.2

超臨界機(jī)翼的特點(diǎn)2.3

超臨界機(jī)翼的設(shè)計(jì)機(jī)翼設(shè)計(jì)要求超臨界翼型設(shè)計(jì)M,CL,t/c,

平面形狀M2D,CL2D,(t/c)2D,

目標(biāo)壓力分布超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)翼型配置彎扭設(shè)計(jì)表面光順翼梢小翼設(shè)計(jì)計(jì)算分析與非設(shè)計(jì)點(diǎn)協(xié)調(diào)機(jī)翼設(shè)計(jì)凍結(jié)與低速設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)與總體布局協(xié)調(diào)（1）第一步

翼型設(shè)計(jì)（2）第二步

展向配置和修形（3）第三步

再設(shè)計(jì)和再修（4）第四步

其他方面的協(xié)調(diào)超臨界機(jī)翼的設(shè)計(jì)結(jié)果

（1）第一步

翼型設(shè)計(jì)

2超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

2.3

超臨界機(jī)翼的設(shè)計(jì)

根據(jù)上面超臨界機(jī)翼的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，有了翼型的設(shè)計(jì)升力系數(shù)和設(shè)計(jì)M數(shù)，就可以設(shè)計(jì)一個(gè)典型的、到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的翼型壓力分布，叫做“目標(biāo)壓力分布”。根據(jù)飛機(jī)巡航條件，確定機(jī)翼的設(shè)計(jì)指標(biāo)——設(shè)計(jì)M數(shù)和設(shè)計(jì)升力系數(shù)。再轉(zhuǎn)化到翼型設(shè)計(jì)指標(biāo)：

2超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

2.3超臨界機(jī)翼的設(shè)計(jì)（2）第二步

展向配置和修形

進(jìn)行幾何外形的協(xié)調(diào)和修

形。使得各個(gè)剖面的厚度、扭轉(zhuǎn)

角、以及等百分比線(xiàn)沿展向比較

光順。所以，超臨界機(jī)翼沒(méi)有早

期機(jī)翼的典型翼型，而是各個(gè)剖

面的的目標(biāo)壓力分布。

將此作為初始翼型沿機(jī)翼展

向配置，計(jì)算分析各個(gè)剖面的壓

力分布。修改各個(gè)剖面翼型，使

其接近前面的目標(biāo)壓力分布。

（3）第三步

再設(shè)計(jì)和再修

2超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

2.3超臨界機(jī)翼的設(shè)計(jì)

形經(jīng)過(guò)第二步修改的翼型，壓力分布變化了。然后再做第一步和第二步的再設(shè)計(jì)和再修形。如此循環(huán)，最后得到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的、外形光順的機(jī)翼。（4）第四步

其他方面的協(xié)調(diào)

2超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)2.3超臨界機(jī)翼的設(shè)計(jì)

需要對(duì)非設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算分析。例如：阻力發(fā)散馬赫數(shù)要高一些，阻力隨馬赫數(shù)的變化趨勢(shì)緩和一些。協(xié)調(diào)、修改，折中處理。

①高速非設(shè)計(jì)點(diǎn)的協(xié)調(diào)

②高速與低速的協(xié)調(diào)

盡可能給低速增升裝置的設(shè)計(jì)有必需的潛力。

Δ氣動(dòng)上——最大升力系數(shù)比較大。

Δ結(jié)構(gòu)上——足夠的厚度，足夠的空間。

③與總體布局的協(xié)調(diào)

從總體布局的角度，還有結(jié)構(gòu)的厚度和油箱容積等的協(xié)調(diào)。經(jīng)過(guò)這一輪的修改，機(jī)翼的高速設(shè)計(jì)才算最終完成。可見(jiàn)，超臨界機(jī)翼的設(shè)計(jì)是不斷計(jì)算分析、不斷優(yōu)化協(xié)調(diào)、多重迭代循環(huán)的繁復(fù)、細(xì)致的過(guò)程。

同樣的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，同樣的設(shè)計(jì)指標(biāo)，同樣的約束條件，同一個(gè)原始機(jī)翼，

2超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)2.3超臨界機(jī)翼的設(shè)計(jì)

——設(shè)計(jì)結(jié)果各個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)都有不完全相同的設(shè)計(jì)思路。六個(gè)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了六副不同的機(jī)翼。2

超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

2.1

機(jī)翼“超臨界”的含義

2.2

超臨界機(jī)翼的特點(diǎn)2.3

超臨界機(jī)翼的設(shè)計(jì)

2.4

翼梢小翼的設(shè)計(jì)

2超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)（1）翼根和翼尖的修形（2）

翼梢小翼的氣動(dòng)機(jī)理（3）翼梢小翼的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（4）翼梢小翼的氣動(dòng)設(shè)計(jì)

（1）翼根和翼尖的修形

2超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

2.4翼梢小翼的設(shè)計(jì)

①翼根的修形

翼根修形是為了改善內(nèi)翼區(qū)的結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)特性。

Δ加大翼根剖面弦長(zhǎng)，翼型相對(duì)厚度不變，擴(kuò)大內(nèi)部空間，以有利結(jié)構(gòu)的安排，并減輕結(jié)構(gòu)重量。

Δ增加內(nèi)翼前緣后掠角，縮小翼根剖面上表面的超音速區(qū)，從而減輕激波強(qiáng)度。

Δ修改翼根剖面，頭部下垂，減小機(jī)翼根部的實(shí)際安裝角。以減小氣流分離的可能。

（1）翼根和翼尖的修形

①翼根的修形

2超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

2.4翼梢小翼的設(shè)計(jì)②翼尖的修形

梯形翼尖帶來(lái)較大的阻力，為此，修改成曲線(xiàn)翼尖。這樣，翼尖區(qū)的后掠角加大，阻力減小。這種曲線(xiàn)翼尖稱(chēng)為“低阻翼尖”。

2超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

2.4翼梢小翼的設(shè)計(jì)融合式鯊魚(yú)鰭帆板式（2）

翼梢小翼的氣動(dòng)機(jī)理（1）翼根和翼尖的修形翼梢小翼的形式較多，當(dāng)前航線(xiàn)上常見(jiàn)的有三種：帆板式；融合（上反）式；鯊魚(yú)鰭式。其中，采用最普遍是上反式小翼。（2）

翼梢小翼的氣動(dòng)機(jī)理

2超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

2.4翼梢小翼的設(shè)計(jì)②

減弱機(jī)翼翼尖渦的強(qiáng)度③抵消翼尖渦的誘導(dǎo)作用①

增加機(jī)翼的有效展弦比（1）翼根和翼尖的修形

翼梢小翼的作用：

2超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

2.4翼梢小翼的設(shè)計(jì)（2）

翼梢小翼的氣動(dòng)機(jī)理（1）翼根和翼尖的修形（3）翼梢小翼的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則①小翼的剖面設(shè)計(jì)

剖面彎度要大于機(jī)翼，使氣流分離遲于機(jī)翼。小翼的相對(duì)厚度要?。ㄒ话闶?%或者更小），不使小翼表面產(chǎn)生激波或強(qiáng)激波。②小翼的平面形狀

小翼的面積增大，升力、升阻比增大。小翼和機(jī)翼的結(jié)構(gòu)重量增大。一般小翼面積約為機(jī)翼面積的1.5～3%?？刂聘叨?，一般在機(jī)翼半翼展的10%左右。翼梢小翼有較大的梢根比，其后掠角比機(jī)翼稍大一些。③小翼的弦向布置

小翼要靠后布置，不使氣流與機(jī)翼上表面前段的高速氣流疊加。④小翼外撇與外傾

機(jī)翼翼尖渦的洗流使小翼有一個(gè)較大的迎角，小翼應(yīng)有外撇角。翼梢小翼的外傾角有利于減弱其根部區(qū)域的洗流干擾，一般取外傾角15～20°為好。

2超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

2.4翼梢小翼的設(shè)計(jì)（2）

翼梢小翼的氣動(dòng)機(jī)理（1）翼根和翼尖的修形（3）翼梢小翼的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（4）翼梢小翼的氣動(dòng)設(shè)計(jì)

翼梢小翼的幾何參數(shù)相當(dāng)于一個(gè)機(jī)翼。其剖面參數(shù)，平面參數(shù)和機(jī)翼一樣。也有翼型的配置和扭轉(zhuǎn)，小翼的外撇角相當(dāng)于機(jī)翼的安裝角，外傾角相當(dāng)于上反角。而且，小翼區(qū)域的流場(chǎng)受小翼翼尖渦和機(jī)翼翼尖渦兩股洗流的組合影響，流動(dòng)狀態(tài)十分復(fù)雜。如何按照設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行小翼的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，各個(gè)設(shè)計(jì)師的理解不僅相同，側(cè)重方面和權(quán)衡能力不僅相同，設(shè)計(jì)出來(lái)的小翼也就不同，就不好談更具體的設(shè)計(jì)方法。例如，某型客機(jī)，六個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，在相同的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，相同的約束條件，同一副機(jī)翼上設(shè)計(jì)出來(lái)的六副翼梢小翼。

2超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

2.4翼梢小翼的設(shè)計(jì)——設(shè)計(jì)出來(lái)的六副翼梢小翼

1常規(guī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)

1.1翼型的選擇與設(shè)計(jì)

1.2機(jī)翼的平面形狀

目錄超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

3機(jī)翼-吊掛/短艙一體化設(shè)計(jì)

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)位置的選擇

3.2短艙吊掛外形設(shè)計(jì)

3.3機(jī)翼的最后修形

3.4干擾阻力的計(jì)算

2超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

2.1機(jī)翼“超臨界”的含義

2.2超臨界機(jī)翼的特點(diǎn)

2.3超臨界機(jī)翼的設(shè)計(jì)

2.4翼梢小翼的設(shè)計(jì)

3機(jī)翼-吊掛/短艙一體化設(shè)計(jì)

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)位置的選擇

3.2短艙吊掛外形設(shè)計(jì)

3.3機(jī)翼的最后修形

3.4干擾阻力的計(jì)算

超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)

3機(jī)翼-吊掛/短艙一體化設(shè)計(jì)

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)位置的選擇

3.2短艙吊掛外形設(shè)計(jì)

3.3機(jī)翼的最后修形

3.4干擾阻力的計(jì)算

一體化設(shè)計(jì)的目的

①

減小機(jī)翼-吊掛/發(fā)動(dòng)機(jī)

短艙組合的干擾阻力；

②

避免機(jī)翼-吊掛/短艙組

合后出現(xiàn)激波或強(qiáng)激波；

③

防止機(jī)翼-吊掛/短艙組合

后引起局部流動(dòng)分離；

④機(jī)翼-吊掛/發(fā)動(dòng)機(jī)短艙組

合后盡可能不影響機(jī)翼原

有的氣動(dòng)特性。3

機(jī)翼-吊掛/短艙一體化設(shè)計(jì)

3.1

發(fā)動(dòng)機(jī)短艙位置的優(yōu)化

3.2

短艙吊掛外形設(shè)計(jì)

3.3

機(jī)翼修形

3.4

干擾阻力計(jì)算3機(jī)翼-吊掛/短艙一體化設(shè)計(jì)（1）展向位置（2）前伸量（3）下沉量（4）安裝角（5）內(nèi)偏角3

機(jī)翼-吊掛/短艙一體化設(shè)計(jì)

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)短艙位置的優(yōu)化

3機(jī)翼-吊掛/短艙一體化設(shè)計(jì)

各個(gè)型號(hào)可有各自的規(guī)定，但要嚴(yán)密和方便。這里以一型配裝內(nèi)外涵渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的客機(jī)為例來(lái)定義:參考面——外涵出口平面。參考線(xiàn)——發(fā)動(dòng)機(jī)中心（軸）線(xiàn)。參考點(diǎn)——發(fā)動(dòng)機(jī)外涵出口平面與中心線(xiàn)的交點(diǎn)。

首先必須確定發(fā)動(dòng)機(jī)短艙自身的參考點(diǎn)、線(xiàn)、面。3

機(jī)翼-吊掛/短艙一體化設(shè)計(jì)

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)短艙位置的優(yōu)化

3機(jī)翼-吊掛/短艙一體化設(shè)計(jì)

(1)展向位置的選擇——需要考慮：

翼吊布局的統(tǒng)計(jì):

雙發(fā)飛機(jī)一般位于33-37半展長(zhǎng)處；四發(fā)飛機(jī)，內(nèi)側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)在30-37

半展長(zhǎng)處，外側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)在55-67。

①機(jī)翼翼根彎矩比較小；②單發(fā)停車(chē)時(shí)的偏航力矩比較?。虎埏w機(jī)乘客/貨艙門(mén)距發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的距離比較遠(yuǎn)；④飛機(jī)安全撤離應(yīng)急門(mén)與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道足夠的距離；⑤轉(zhuǎn)子爆破碎片飛出軌跡必須保證不會(huì)對(duì)飛機(jī)造成額外的安全損害。⑥襟翼和副翼的布局協(xié)調(diào)，不允許發(fā)動(dòng)機(jī)的熱噴流噴射到飛機(jī)的任何操縱面上。3

機(jī)翼-吊掛/短艙一體化設(shè)計(jì)

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)短艙位置的優(yōu)化

3機(jī)翼-吊掛/短艙一體化設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)短艙展向位置由總體布局設(shè)計(jì)基本確定。因此，短艙位置的選擇包括：前伸量、下沉量、安裝角和內(nèi)偏角。

(1)展向位置的選擇在發(fā)動(dòng)機(jī)短艙位置的優(yōu)化選擇時(shí)，暫不考慮吊掛影響。是一個(gè)單獨(dú)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙相對(duì)于機(jī)翼不同位置的選擇。沒(méi)有吊掛。

一般地說(shuō)：前伸量越大，干擾阻力越小。但是，短艙前伸過(guò)大，機(jī)翼必須付出較大的結(jié)構(gòu)重量。實(shí)際上，在一定的前伸量范圍內(nèi)，如果機(jī)翼本身的阻力發(fā)散特性比較好，抗干擾能力比較強(qiáng)，干擾阻力的變化并不很大,最大不超過(guò)5Counts。3

機(jī)翼-吊掛/短艙一體化設(shè)計(jì)

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)短艙位置的優(yōu)化

3機(jī)翼-吊掛/短艙一體化設(shè)計(jì)

(2)前伸量的選擇

(1)

展向位置的選擇

短艙前伸量阻力系數(shù)增量（Count）機(jī)翼總阻力的比ΔCDΔ%（0%）0.000（1%）0.150.0503（2%）0.260.0870（3%）0.340.1138（4%）0.390.1305（5%）0.470.1573

前伸量定義：發(fā)動(dòng)機(jī)短艙前伸，參考面相對(duì)于其當(dāng)?shù)貦C(jī)翼剖面前緣點(diǎn)的距離與當(dāng)?shù)叵议L(zhǎng)之比。

3

機(jī)翼-吊掛/短艙一體化設(shè)計(jì)

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)短艙位置的優(yōu)化

3機(jī)翼-吊掛/短艙一體化設(shè)計(jì)

(2)

前伸量的選擇

(3)

下沉量的選擇

(1)

展向位置的選擇

下沉量定義：發(fā)動(dòng)機(jī)短艙下沉，短艙中心線(xiàn)相對(duì)于其當(dāng)?shù)貦C(jī)翼剖面前緣點(diǎn)的距離與當(dāng)?shù)叵议L(zhǎng)之比。

下沉量越大，發(fā)動(dòng)機(jī)短艙對(duì)機(jī)翼干擾越小，

干擾阻力越小。為了

防止地面異物吸入發(fā)動(dòng)機(jī)和短艙的觸地；又要降低起落架高度，減輕

飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量。下沉受到短艙進(jìn)氣道唇口的離地

間隙的限制。

所以，對(duì)于下單翼布局的飛機(jī)，下沉量的選擇范圍很小。因此，干擾阻力的變化也不很大。下沉量從8%下降到12%，計(jì)算得

到的阻力減小0.4～0.7counts。K3

機(jī)翼-吊掛/短艙一體化設(shè)計(jì)

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)短艙位置的優(yōu)化

3機(jī)翼-吊掛/短艙一體化設(shè)計(jì)

(2)前伸量的選擇

(3)下沉量的選擇

(4)上仰角的選擇

(1)

展向位置的選擇

上仰（安裝）角定義為：發(fā)動(dòng)機(jī)短艙中心線(xiàn)相對(duì)于飛機(jī)構(gòu)造水平線(xiàn)的夾角。

發(fā)動(dòng)機(jī)短艙的上仰角需要考慮飛機(jī)的飛行迎角、機(jī)翼安裝角和

機(jī)翼前緣上洗角等因素，使得短艙進(jìn)氣道唇口的當(dāng)?shù)貧饬鞔怪庇谶M(jìn)

口截面，順利通過(guò)進(jìn)氣道。因此，需要利用CFD手段進(jìn)行流態(tài)分析。

上仰角變化范圍很小，1°～２°，對(duì)干擾阻力的影響也很小。3

機(jī)翼-吊掛/短艙一體化設(shè)計(jì)

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)短艙位置的優(yōu)化

3機(jī)翼-吊掛/短艙一體化設(shè)計(jì)

(2)前伸量的選擇

(3)下沉量的選擇

(4)上仰角的選擇

(5)內(nèi)偏角的選擇

內(nèi)偏角定義為：發(fā)動(dòng)機(jī)短艙中心線(xiàn)相對(duì)于飛機(jī)對(duì)稱(chēng)面的夾角。

(1)

展向位置的選擇

在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置，機(jī)翼有展向

流。為了使進(jìn)氣道唇口的當(dāng)?shù)貧饬鞔?/p>

直于進(jìn)口截面，短艙需要內(nèi)撇一個(gè)角

度。選擇方法與上仰角一樣。

3

機(jī)翼-吊掛/短艙一體化設(shè)計(jì)

3.1

發(fā)動(dòng)機(jī)短艙位置的優(yōu)化

3.2

短艙吊掛外形設(shè)計(jì)

3.3

機(jī)翼修形

3.4

干擾阻力計(jì)算3機(jī)翼-吊掛/短艙一體化設(shè)計(jì)（1）吊掛的平面形狀（2）吊掛的剖面外形（3）內(nèi)偏角的選擇（4）吊掛與機(jī)翼間的整流

3

機(jī)翼-吊掛/短艙一體化設(shè)計(jì)

3.1

發(fā)動(dòng)機(jī)短艙位置的優(yōu)化

3機(jī)翼-吊掛/短艙一體化設(shè)計(jì)3.2

短艙吊掛的外形設(shè)計(jì)

受機(jī)翼展向流的影響，吊掛

內(nèi)側(cè)的氣流向外側(cè)流。受機(jī)翼前

緣上洗的影響吊掛前緣的氣流向上走。嚴(yán)重地影響了機(jī)翼原有的設(shè)計(jì)流態(tài)。3

機(jī)翼-吊掛/短艙一體化設(shè)計(jì)

3.1

發(fā)動(dòng)機(jī)短艙位置的優(yōu)化

3機(jī)翼-吊掛/短艙一體化設(shè)計(jì)3.2

短艙吊掛的外形設(shè)計(jì)

吊掛設(shè)計(jì)要求

①

吊掛及其附近的流動(dòng)沒(méi)有激波，沒(méi)有分離。

②

減小吊掛附近的流動(dòng)對(duì)機(jī)翼的干擾。

③

一定的寬度，足夠的結(jié)構(gòu)和管道布置空間。

④

阻力最小。表面積小，翼面光順。3

機(jī)翼-吊掛/短艙一體化設(shè)計(jì)

3.1

發(fā)動(dòng)機(jī)短艙位置的優(yōu)化

3機(jī)翼-吊掛/短艙一體化設(shè)計(jì)3.2

短艙吊掛的外形設(shè)計(jì)（1）吊掛的平面形狀

吊掛的平面形狀是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)于機(jī)翼的安裝位置和連接方式確定的。從氣動(dòng)設(shè)計(jì)的角度，為避免掛架前緣吸力峰和短艙唇口吸力峰相疊加，兩者應(yīng)叉開(kāi)配置。3

機(jī)翼-吊掛