民用飛機氣動布局形式的歷史演變與未來展望

民用飛機氣動布局形式的歷史演變與未來展望1氣動布局的演變2新概念氣動布局目錄背景知識1.1飛機氣動布局定義3飛機機翼、機身、尾翼、發(fā)動機及起落架等主要部件尺寸、形狀、數(shù)量及其相互位置分布按機翼分：數(shù)量：單翼布局、雙翼布局位置：上翼布局、中翼布局、下翼布局形狀：平直翼布局、后掠翼布局、前掠翼布局按尾翼分：垂尾：單垂尾布局、雙垂尾布局平尾：低平尾布局、高平尾布局按發(fā)動機分：數(shù)量：單發(fā)布局、雙發(fā)布局、四發(fā)布局位置：翼吊布局、尾吊布局、翼根布局類型：螺旋槳布局、渦噴布局、渦扇布局按起落架分：數(shù)量：雙起落架布局、三點起落架布局接地點位置：前三點布局、后三點布局背景知識1.1飛機氣動布局的重大價值4氣動布局與飛機的動態(tài)特性及所受到的空氣動力密切相關，關系到飛機的飛行特征及性能氣動布局形式的選擇決定了飛機維修運營成本的高低商用飛機的發(fā)展史，很大程度上是飛機氣動布局的演變史氣動布局——機翼數(shù)量演變1.2雙翼機時代5飛機以雙翼機的氣動布局形式誕生，萊特兄弟制造的“飛行者”一號是雙翼機，它的兩個推進式螺旋槳分別安裝在駕駛員位置的兩側當時發(fā)動機功率低、重量大，建造機體的材料大多是木材和蒙布。為在低速條件下產生足夠的升力，需要較大面積的機翼1914年1月1日，世界上首個固定翼飛機商業(yè)航線在美國佛羅里達州的圣彼得斯堡市——坦帕市開通，使用的是BENOISTXIV水上飛機1920年5月17日，荷航飛行員JerryShaw駕駛一架DH-16飛機從倫敦飛往阿姆斯特丹，完成荷航首個商業(yè)航班氣動布局——機翼數(shù)量演變1.2雙翼機三種典型氣動布局6正交錯雙翼布局負交錯雙翼布局最初的雙翼機，上下翼面的正投影是重疊的，這是由于通過支柱和張線，上下翼面可以形成一個盒式結構，增大機翼的抗扭強度上翼在前叫正交錯，氣動效率，最大升力，飛行員視野和上下飛機方便，大多數(shù)雙翼機都采用正交錯設計上翼在后叫負交錯，比奇17雙翼機是第一款應用交錯式雙翼結構的飛機，兩對機翼不像普通飛機那樣垂直固定，而是下翼在前，上翼在后重疊雙翼布局氣動布局——機翼數(shù)量演變1.2雙翼布局的優(yōu)點與不足7氣動干擾，由于下翼的上表面的高速氣流與上翼下表面的低速氣流相互抵消，導致上下機翼的升力總和遠小于一層機翼的兩倍，而阻力卻大于一層機翼的兩倍結構復雜，給制造帶來很大困難發(fā)動機功率不足，無法獲得更高的升力，不能在更高的空中飛行機翼結構的更加平穩(wěn)，使它在農業(yè)噴灑農藥和飛行表演領域大展身手，也可以改裝為無人貨機。右圖為順豐用運5B運輸機改裝的貨運無人機氣動布局——機翼數(shù)量演變1.2單翼機的出現(xiàn)8在探索有動力飛行之初，早在1874年，人們就開始嘗試設計單翼機由于結構、材料和工藝等方面的限制，當時單冀機性能還不如雙翼機，飛行員更喜歡那些操縱穩(wěn)定、結構可靠、機動靈活的雙翼機1909年，首架單翼飛機成功試飛，如BleriotModelXI，最高速度每小時87.04公里，采用單發(fā)（25馬力、3汽缸、氣冷式星型發(fā)動機），衍架式木質機身氣動布局——機翼數(shù)量演變1.2單翼機的出現(xiàn)9隨著飛機速度的不斷提高，雙翼機機翼及支柱的阻力越來越大隨著高強度鋁合金的問世，制造出結構重量不太大而又能承受大載荷的薄機翼從20世紀30年代起，雙翼機逐漸被單翼機取代1930年，波音200單翼信使首飛，用于郵件運輸，同時引領了新的下單翼設計風范1932年，德國亨克爾首飛，該機用于郵政快遞運輸1933年，波音247正式首飛，融入了眾多現(xiàn)代化商業(yè)航空飛機特色1936年，DC-3投入運營，將航空運輸變得可以盈利，成為經典機型氣動布局——機翼數(shù)量演變1.2單翼機的布局形式10按是否帶有撐桿，單翼機可分為帶撐桿的單翼機和不帶撐桿的懸臂式單翼機氣動布局——機翼數(shù)量演變1.2單翼機的布局形式11按機翼相對于機身上下位置的不同，又可分為上單翼飛機、中單翼飛機和下單翼飛機。商用飛機采用中單翼布局的極少氣動布局——機翼數(shù)量演變1.2三種單翼機布局的利弊12特征上單翼中單翼下單翼機翼上表面流場√√×干擾阻力√√×翼身連接結構√×√起落架結構×√√穩(wěn)定性√√×向下看的視界√××固有穩(wěn)定性是指因全機重心與機翼平面位置關系來的穩(wěn)定性氣動布局——機翼篇1.3機翼平面形狀13飛機的機翼按照俯視平面形狀的不同，可劃分為平直、前掠和后掠這三種基本機翼，但前掠機翼在商用飛機中幾乎沒有采用平直翼——指機翼1/4弦線和機身對稱面垂直，在20世紀40年代前，是飛機機翼的主要形式優(yōu)點：構造簡單，安裝方便，在低速飛行時，與其他形式機翼相比，提供的升力比較大缺點：當飛行速度增加到高亞聲速時，平直翼的前緣會提早產生激波，使阻力增加氣動布局——機翼篇1.3機翼平面形狀14為了克服和減小激波阻力，人們一改平直的機翼形狀，提出了后掠翼設計方案后掠翼就是前緣和后緣均向后掠的機翼，表征機翼后掠程度的指標是后掠角，即機翼前緣與水平線的夾角后掠翼的氣動特點是可增大機翼的臨界馬赫數(shù)，推遲激波的到來，并減小超音速飛行時的阻力后掠翼的出現(xiàn)是機翼形狀的一次重大變革，對飛機發(fā)展產生了極大影響世界上第一架后掠飛機是德國的Me一262飛機氣動布局——發(fā)動機篇1.4概述15飛機發(fā)動機，不僅是飛機的動力，也是促進航空事業(yè)發(fā)展的重要推動力，人類航空史上的每一次重要變革都與航空發(fā)動機的技術進步密不可分氣動布局——發(fā)動機篇1.4按發(fā)動機數(shù)量16按發(fā)動機的數(shù)量分，可以分為單發(fā)、雙發(fā)、三發(fā)、四發(fā)、六發(fā)、八發(fā)等。商用飛機主要以雙發(fā)和四發(fā)為主氣動布局——發(fā)動機篇1.4按發(fā)動機類型17按發(fā)動機的數(shù)量分，可以分為活塞發(fā)動機、渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪風扇發(fā)動機、渦槳發(fā)動機等。當代商用飛機主要采用大涵道比渦輪風扇發(fā)動機氣動布局——發(fā)動機篇1.4按發(fā)動機位置18按發(fā)動機在飛機上的位置分，可以分為翼吊布局、尾吊布局、翼上布局、翼根布局、“翼吊+尾吊”三發(fā)布局等。其中，翼吊布局是目前最常見的布局形式翼吊布局尾吊布局氣動布局——發(fā)動機篇1.4按發(fā)動機位置19尾吊三發(fā)布局翼吊+尾吊三發(fā)布局氣動布局——尾翼篇1.5概述20尾翼是安裝在飛機尾部的一種裝置，用來控制飛機的俯仰、偏航和滾轉以改變其飛行姿態(tài)，是飛行控制系統(tǒng)的重要組成部分大多數(shù)尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼，也有少數(shù)采用V型尾翼尾翼對飛機姿態(tài)的影響，主要就是杠桿原理。飛機的重心位置是杠桿的支點，尾翼就是杠桿的端點。力矩產生的大小，受尾翼受力和力臂大小的制約氣動布局——尾翼篇1.5垂尾21按照垂尾的數(shù)目，可分為單垂尾、雙垂尾和多垂尾飛機等。通常情況下，多數(shù)飛機都只有一個垂直尾翼，位于飛機的對稱面內垂尾的主要作用是保持飛機的航向平衡、穩(wěn)定和操縱作用，保持轉彎在無側滑狀態(tài)下進行，在有側風著陸時保持機頭對準跑道，在飛行中平衡不對稱的偏航力矩（如單發(fā)停車造成的偏航力矩）氣動布局——尾翼篇1.5垂尾22An-22雙垂尾An-225雙垂尾大型飛機由于機身比較粗大，為了保證飛機在高空高速飛行時仍有足夠的航向穩(wěn)定性，需要有很大的垂尾面積采用雙垂尾布局，可以降低垂尾高度，減小垂尾在側滑時產生的滾轉力矩，同時也可提高大迎角時的航向穩(wěn)定性在雙垂尾布局中，常將兩個垂尾布置在平尾兩端，以提高平尾的效率氣動布局——尾翼篇1.5多垂尾23LockheedConstellation三垂尾三垂尾版的747航天飛機過去速度較低的時代，出現(xiàn)過多垂尾客機在單垂尾面積有限的情況下，可以提供更大的方向舵面積和安定面面積，可以有效降低垂尾的高度，便于維護氣動布局——尾翼篇1.5平尾24按照平尾相對于機翼的上下位置不同，大致分為高平尾、中平尾和低平尾三種型式。通常情況下，平尾處于飛機尾部。但鴨式布局則把它布置在機翼前方，稱為鴨翼平尾的主要作用是保持飛機縱向俯仰平衡、穩(wěn)定和操縱作用，使飛機在俯仰方向上具有靜穩(wěn)定性。受機身、機翼和、發(fā)動機短艙和螺旋槳滑流等因素的影響氣動布局——尾翼篇1.5平尾25波音、空客的飛機大多采用低平尾布局，如B707、B737-B787、A320-A350、A380等麥道公司的飛機喜歡采用高平尾，如MD-80，MD-82，MD-90等一般來說，干線飛機多采用低平尾，支線飛機和公務機多采用高平尾氣動布局——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積可以減小減阻減重，操縱靈活深失速，不方便人員維護流行、主流客機均是低平尾配合翼吊布局，能采用大尺寸發(fā)動機維修維護方便大迎角時不容易出現(xiàn)深失速氣動布局——起落架篇1.6起落架的功能27起落架裝置是唯一一種支撐整架飛機的部件、是飛行器重要的具有承力兼操縱性的部件，在飛行器安全起降過程中擔負著極其重要的使命，其性能的優(yōu)劣直接關系到飛機的使用于安全氣動布局——起落架篇1.6起落架的演變281903年，萊特兄弟所制造的“飛行者一號”，只有一對類似滑橇的裝置，用帶輪子的小車在滑軌上靠落錘裝置彈射輔助起飛1906年，Santos-Dumont（桑托斯·杜蒙）的“飛機-14BIS”采用輪式起落架以后，飛機在地面的移動、起飛前滑跑和著陸性能都有了很大的提高，這是現(xiàn)代起落架的雛形氣動布局——起落架篇1.6起落架的演變29后三點式起落架，特點是兩個主輪在重心稍前處，尾輪在機身尾部離重心較遠。優(yōu)點是結構簡單、正常著陸時，三個機輪同時觸地，地面滑跑時具有較大的迎角，從而可以減小著陸的滑跑距離適合于裝有活塞式發(fā)動機型、超輕型低速飛機，在四十年代中葉以前曾得到廣泛的應用氣動布局——起落架篇1.6起落架的演變30前三點式起落架，為前一后二布局。前輪在機頭下面遠離飛機重心處，兩個主輪左右對稱地布置在重心稍后處，左右主輪有一定距離可保證飛機在地面滑行時不致傾倒當前主流起落架布局形式，其機身地板基本處于水平位置，便于旅客登機和貨物裝卸1氣動布局的演變2新概念氣動布局目錄氣動布局——新概念布局篇2.1Flying-V32Flying-V得名源自其兩個V型相交的機身，把把渦扇發(fā)動機置于機身上表面，客艙、貨艙和機身油箱集成在一起，形成了壯觀的V字形類飛翼氣動布局特點：較輕的機身、較高的氣動效率、通過機身來屏蔽部分發(fā)動機噪音，降低整機起降時的噪音水平、發(fā)動機上置也有利于利用噴流形成環(huán)流，進一步提高整機升力氣動布局——新概念布局篇2.2跨音速桁架支撐機翼TTBW33類似于傳統(tǒng)的“筒狀機身加機翼”布局，但是其大翼展、低阻力、桁架支撐結構的機翼確是全新的概念右圖所示，TTBW飛機的機翼明顯加長，所以需要一個桁架支撐，而且也由目前流行的下單翼改為上單翼采用T尾布局，渦槳發(fā)動機氣動布局——新概念布局篇2.3聯(lián)結翼布局34聯(lián)結翼布局飛機是指帶上反角的后掠前翼和帶下反角的前掠后翼聯(lián)結成菱形框架結構的飛機從前視圖和俯視圖上看，聯(lián)結的機翼框架都成菱形投影作為一種飛行器創(chuàng)新布局，其本質是氣動/結構一體化的布局形式氣動布局——新概念布局篇2.4飛翼布局35飛翼式飛機是一種沒有尾翼和機身，只有巨大機翼的飛機，具有結構重量輕和飛行阻力小的特點飛翼式飛機由無尾飛機發(fā)展而來，當巨型無尾飛機的機翼大到足以容納人員和貨物時，機身和機翼融為一體氣動布局——新概念布局篇2.5翼身融合布局BWB36翼身融合布局指機翼和機身做為一個整體來設計，二者平面形狀和剖面形狀完全融合為一，可以獲取更好的氣動性能優(yōu)點是結構輕、容積大、阻力，具有較大的內部空間，噪音低，油耗率低，具有非常穩(wěn)定的低速性能，更加環(huán)保、安靜氣動布局——新概念布局篇2.6空客新概念機-猛禽37最大的特點是模仿猛禽飛羽設計的機翼翼梢和尾翼其靈感來自于鷹這種空中捕食者的自然特征，模仿了猛禽的翅膀與尾巴結構空客表示“這個方案的主要目的是啟發(fā)新一代工程師的靈感，現(xiàn)在討論其商業(yè)可行性還為時過早”氣動布局——新概念布局篇2.7D8雙氣泡布局38利用目前正在開發(fā)的技術，這架飛機的燃油消耗量可以比今天的同類飛機減少30%至50%，這是效率上的一個重大飛躍氣動布局——新概念布局篇2.8高能效混合動力噴氣客機39在新式設計中，風扇對這些空氣進行收集、加速并轉化為推力，以此形成優(yōu)勢。有兩臺發(fā)動機提供推力和電力以驅動風扇氣動布局——新概念布局篇2.9Onera的Nova布局40采用后機身嵌入式大涵道比發(fā)動機布局，通過BLI達到減阻效果氣動布局——新概念布局篇2.10德國PFC布局41包豪斯研究院的“推進式機身概念”，位于后機身內的風扇通過環(huán)狀進氣道吸入附面層氣流，并對尾跡重新注入能量PFC布局相比同級別的2035年服役的傳統(tǒng)單