1 航空宇航学院 飞机总体设计框架 设计 要求 设计 要求 布局型式选择 布局型式选择 主要参数计算 主要参数计算 发动机选择 发动机选择 部件外形设计 机身 机翼 尾翼 起落架 进气道 部件外形设计 机身 机翼 尾翼 起落架 进气道 三面图 部位安排图 结构布置图 三面图 部位安排图 结构布置图 分析计算 重量计算 气动计算 性能计算 结构分析 分析计算 重量计算 气动计算 性能计算 结构分析 是否满足 设计要求 最优 ？ 是否满足 设计要求 最优 ？ 2 航空宇航学院 机翼的设计 ? 翼型的选择与设计 ? 机翼平面形状设计 ? 机翼安装角和上反角的确定 ? 关于边条翼、翼梢形状和 Yehudi Flap ? 增升装置的设计 ? 副翼的设计 ? 设计举例 3 航空宇航学院 机翼平面形状设计 ? 描述机翼平面形状的几何参数 ? 机翼平面形状设计时所考虑的因素 ? 几何参数对气动特性和结构重量的影响 ? 机翼平面形状的几何参数的确定 4 航空宇航学院 描述机翼平面形状的几何参数 ? 机翼面积 : S L/2 ? 展弦比 : Sl / 2 =λ ? 后掠角 : 前缘 χχ 4/1 ? 根梢比 : 尖 根 c c =η ? 平均气动弦长 把给定机翼展向各面的气动力矩特性加 以 平 均 而 计 算 出 来 的 等 面 积 矩 形 相 当机翼的弦长，该矩形翼的力矩特性与给定的力矩特性相同。 5 航空宇航学院 ? 几何参数之间的关系 4/1 ,,, χηλS 如果给定： 则： Sl ?= λ )]1(/[2 1 η +?= lSc 根 根尖 cc η 1 = )1( 1 3 2 2 ηη ηη + ++ ?= 根 cc A )]1(/[)1( 11 4/1 ηη λχχ +?+=tgtg 前缘 6 航空宇航学院 ? 平均气动力弦长 c A ∫ = 2/ 0 2 2 l A dzc S c ∫ = 2/ 0 2 l A xcdz S x ∫ = 2/ 0 2 l A ycdz S y ? 对于梯形机翼: )1( 1 3 2 2 0 ηη ηη + ++ = cc A 1 2 3 1 + + = η η 尖 yy A 1 2 3 1 + + = η η 尖 xx A ? 求平均气动力弦长的几何作图法 7 航空宇航学院 机翼平面形状设计时所考虑的因素 ? 气动特性 ? 结构重量 ? 内部容积 – 燃油箱布置 – 起落架布置 – 操纵系统布置 8 航空宇航学院 几何参数对气动特性和结构重量影响 ? 展弦比 λ 1）对气动阻力的影响 对低速飞机， λ增大，诱导阻力减小； 对高速飞机， λ增大，波阻增大； 2）对升力线斜率的影响 λ增大，升力线斜率增大。 不同展弦比机翼的 MC x ~ 不同展弦比机翼的 α~ y C 9 航空宇航学院 3）对失速攻角和失速速度的影响： ▲ λ增大，失速攻角减小。 ▲减 小 λ ，可防止大攻角时翼尖失速。 4）对稳定性和操纵性影响： ▲ λ减小，减小从亚音速到超音速过程中气动焦点的移动量； ▲ λ减小，降低了飞机横滚阻尼特性 5）对结构重量的影响： ▲ λ增大，机翼根部弯矩增大，导致结构重量增加； ▲ λ减小，机翼根部弦长增大，结构高度增加，有利于承力构件布置； 6）对内部容积的影响： ▲ λ减小，有利于起落架布置； ▲ λ减小，可增加燃油容积。 10 航空宇航学院 6）展弦比统计值 亚声速飞机：6 ～9，最大可达10 超声速飞机：3 ～5，最小可至2 飞机名称 乘 客 （人） 机翼展长 （米） 机翼面积 （米 2 ） 展弦比 阿夫罗RJ70（英）70~85 26.3 77.3 8.95 CRJ700ER（加）66 ~78 23.3 68.7 7.90 ERJ170LR（巴）70 26.0 72.8 9.29 728JET（美）70~85 26.6 75.0 9.43 福克70（荷）70~79 28.7 93.5 8.69 11 航空宇航学院 ? 根梢比 η 1）对气动诱导阻力的影响 ▲ 根据Prandtl机翼理论，当升力分布为椭圆形时，诱导阻力最小； ▲ 若机翼没有扭转和后掠，则机翼平面形状为椭圆形时，升力分布为 椭圆形，诱导阻力最小； ▲当 η=2.5时，升力分布接近椭圆形，故许多低速飞机 η为2.5左右。 2）对结构重量的影响 ▲ η增加，可减轻机翼结构重量 3）对内部容积的影响 ▲ η增加，有利于布置起落架 4）对于高速飞机 ▲ η=3～5，主要是从结构重量考虑 12 航空宇航学院 ? 后掠角 χ 1）对气动特性的影响 ▲ χ增大，可以提高临M界数，延缓激波的产生； ▲ χ增大，波阻降低； ▲ χ增大，升力线斜率降低； χ χ αα cos)( 0 ?= =LL CC ▲ χ增大，最大升力系数降低； ▲ χ增大，机翼升阻比 K降低； 13 航空宇航学院 2）对结构重量的影响 ▲ χ增大，机翼结构重量增加。 χcos 1 ∝ 机翼 W 对于战斗机： 3）对内部容积的影响 ▲ χ过大，不有利于布置起落架。 4）如何选定后掠角 χ ▲ 对于亚声速飞机： χ=0 或 χ<15 o (用于调整重心） ▲ 对于高亚声速飞机： χ=25～40 ° ；可以提高临M界数，延缓激波的产生 14 航空宇航学院 ▲ 对于超声速飞机： A.采用亚声速前缘 当M=1.2 ～1.8时；相应的 χ=40 ～60 ° 15 航空宇航学院 B. 采用超声速前缘（当 M>2 时） F-15： χ 前缘 =45 ° 米格-25： χ 前缘 =40 ° 原因在于： χ过大，机翼结构重量太大。 χ的统计值 → 16 航空宇航学院 ? 为何要变后掠飞机 1）大后掠角飞机低速飞行时： ▲ 升力线斜率小； ▲ 最大升力系数小； ▲ 翼尖气流易分离。 2） 小后掠角飞机高速时 ▲ 零升阻力太大 3） 解决方案： 变后掠！ F-111? 第一架变后掠飞机后掠 起飞时： χ 前缘 =16o 亚音速巡航飞行时 ： χ 前缘 =26o 超音速飞行时 ： χ 前缘 =72.5o 17 航空宇航学院 机翼边条（边条翼） ? 什么是边条翼？ 在中等后掠翼（后掠角30 ～40° 左右）根部前缘，加上一后掠 角很大（ 70～80°）的细长前缘 所形成的复合机翼。原后掠翼 称为 基本翼 ，附加的细长前缘 称为 边条 。 18 航空宇航学院 ? 为什么需要边条翼？ 1）边条前缘产生强的脱体涡，可以直接产生涡升力 ； 2）边条脱体涡对机翼流场的有利干扰会推迟机翼表面的气流分离； 3）边条机翼的布局特别适于改进飞机大迎角气动性能，与近距鸭翼 有相似的对机翼有利干扰作用。 19 航空宇航学院 ? 边条翼的应用 F-16 20 航空宇航学院 F-18 21 航空宇航学院 米格-29 22 航空宇航学院 苏-27 23 航空宇航学院 机翼安装角的确定 ? 机翼安装角的定义： 机翼根弦与机身轴线之间的夹角 ? 安装角对飞机气动特性和性能的影响： - 对巡航时阻力有影响； - 对起飞滑跑距离有影响； ? 如何确定安装角（ i w ) wLDesL iCC ?= α , （C L， Des ：巡航时所需的升力系数） ? 统计值 喷气客机： 1o~5.3o 战斗机： -1o~3.6o 24 航空宇航学院 机翼扭转角的确定 ? 定义 - 几何扭转：1）负扭转 —从翼根至翼尖， i w 逐渐减小。 2）正扭转 —从翼根至翼尖， i w 逐渐增大。 - 气动扭转：翼根与翼尖的翼型不同。 ? 对气动特性的影响 - 负扭转或气动扭转可延缓翼梢气流失速； - 可改变升力分布，影响诱导阻力。 ? 如何确定扭转角 - 根据目标升力分布； - 负扭转角的范围： 0o~5o 25 航空宇航学院 机翼上反角的确定 ? 定义 - 机翼基准面与飞机对称面的垂线之间的夹角。 ? 对气动特性和布局的影响 - 对侧向稳定性和荷兰滚稳定性有影响； - 外挂与地面之间的距离（Geometric ground clearance) ? 如何确定上反角 - 在概念设计阶段，主要依据统计值 26 航空宇航学院 上反角的统计值 机翼位置 飞机类型 下单翼 中单翼 上单翼 直机翼 5o~7o 2o~4o 0o~2o 亚声速后掠翼 3o~7o -2o~2o -5o~2o 超声速后掠翼 0o~5o -5o~0o -5o~0o ? 由于上单翼会增加侧向稳定性，故上反角较小； ? 机翼后掠翼会增加侧向稳定性，故上反角较小。 27 航空宇航学院 翼梢形状的设计 ? 翼梢形状会影响翼梢处的气流旋涡效应 28 航空宇航学院 ? 各种各样的翼梢形状 29 航空宇航学院 ? 翼梢小翼的应用：双发喷气式公务机 30 航空宇航学院 ? 翼梢小翼的应用： A-330 31 航空宇航学院 ? 采用翼梢小翼的效果 9 对翼梢处的旋涡进行遮挡 9 翼梢小翼设计成有弯度，翼梢涡在小翼产生升力，这 个升力方向向前，可减小总阻力。 9 Y7-100， MD-82等许多飞机均应用了 翼尖小翼实验验证结果（ Starship-3) 阻力 巡航状态，减小3.1% 重量 巡航时重量，增加0.5% 航程 增加117海里，增加3.3% 燃油 可减少24605升 32 航空宇航学院 ? 切翼的应用：Y-12 33 航空宇航学院 Yehude Flap ? 增加根部弦长，便于起落架的布置 ? 可降低根部弦剖面升力系数，便于气动设计 波音757 —200三面图 34 航空宇航学院 波音767-200三面图