飛機(jī)設(shè)計(jì)氣動(dòng)布局的選擇

2.5 飛機(jī)氣動(dòng)布局的選擇飛機(jī)的氣動(dòng)布局通常是指其不同的氣動(dòng)力承力面的安排形式。全機(jī)氣動(dòng)特性取決于各承力面之間的相互位置以及相對(duì)尺寸和形狀。機(jī)翼是主承力面，它是產(chǎn)生升力的主要部件，前翼、平尾、垂尾等是輔助承力面，主要用于保證飛機(jī)的安定性和操縱性。根據(jù)各輔助翼面與機(jī)翼相對(duì)位置及輔助面的多少，有以下幾種氣動(dòng)布局形式：——正常式布局，水平尾翼在機(jī)翼之后；——鴨式布局，水平前翼在機(jī)翼的前面；——無尾或“飛翼”，飛機(jī)只有一對(duì)機(jī)翼；——三翼面布局，機(jī)翼前面有水平前翼，機(jī)翼后面有水平尾翼。其共同點(diǎn)是對(duì)不同的升力值都能進(jìn)行配平，在給定某一升力值時(shí)都能保持穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)。操縱性和穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)任何一種氣動(dòng)布局型式的基礎(chǔ)，因此，上面所談到的四種基本型式又叫做飛機(jī)配平的布局型式。它們可以由呈平面的承力面組成，這時(shí)“無尾”式只能配平有限的縱向靜穩(wěn)定度（中立穩(wěn)定。）采用“扭轉(zhuǎn)”的承力面，可以在保持飛機(jī)穩(wěn)定性的條件下合理地（升阻比損失最?。?duì)所有各種布局型式進(jìn)行配平。2.6.1 正常式布局多數(shù)戰(zhàn)斗機(jī)都采用正常式布局?，F(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)更強(qiáng)調(diào)中、低空機(jī)動(dòng)性，要求飛機(jī)具有良好的大迎角特性。在20世紀(jì)70年代發(fā)展了邊條機(jī)翼，在中到大迎角范圍邊條產(chǎn)生的脫體渦除本身具有高的渦升力增量外，還控制和發(fā)展了基本翼的外翼分離流動(dòng)，從而提高了基本翼對(duì)升力的貢獻(xiàn)（如圖2.6.1所示）。圖2.6.1 正常式布局飛機(jī)2.6.2 鴨式布局隨著主動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，電傳操縱技術(shù)的成熟，把前翼設(shè)計(jì)得比較大（相對(duì)面積8％～15％）并靠近機(jī)翼構(gòu)成所謂近耦合鴨式布局已成為現(xiàn)實(shí)。在中、大迎角時(shí)，前翼和機(jī)翼前緣同時(shí)產(chǎn)生脫體渦，兩者相互干擾，使渦系更穩(wěn)定而產(chǎn)生很高的渦升力。它與邊條翼不同之處在于其主翼（基本翼后掠角也大）也產(chǎn)生脫體渦，兩個(gè)脫體渦產(chǎn)生強(qiáng)有利干擾，屬于脫體渦流型；而邊條翼僅邊條產(chǎn)生脫體渦，基本流仍是分離流，屬于混合流型。由于其大迎角特性優(yōu)越，也是一種具有高機(jī)動(dòng)性能的氣動(dòng)布局型式，典型代表機(jī)種有瑞典的JAS－39、法國的“陣風(fēng)”、歐洲四國的EF－2000（如圖2.6.2所示）。鴨式布局的難點(diǎn)是鴨翼位置的選擇以及大迎角俯仰力矩上仰的問題。因鴨翼面積大產(chǎn)生的大升力在重心之前，俯仰力矩在大迎角時(shí)上仰嚴(yán)重，由于無平尾，如何保證在大迎角具有足夠的低頭操縱力矩成為難題，有時(shí)在后機(jī)身加邊條（X－29）或限制放寬靜穩(wěn)定度；當(dāng)推力矢量技術(shù)成熟后，該問題就容易解決了。圖2.6.2 近距耦合鴨式布局為了在配平的條件下保證飛機(jī)的縱向靜穩(wěn)定度（C

0

），必須滿足“縱向Ⅴ法則”的要mCL求，即：任何由兩個(gè)串列翼面組成的空氣動(dòng)力系統(tǒng)，在配平的條件下（C

0

，）為了保證其縱向m靜穩(wěn)定度，前翼面的迎角1

必須大于后翼面的迎角2

。對(duì)于鴨式飛機(jī)，此規(guī)則相當(dāng)于鴨翼的迎角大于機(jī)翼的迎角；對(duì)于正常式飛機(jī)，此規(guī)則相當(dāng)于機(jī)翼的迎角大于平尾的迎角。2.6.3 無尾式布局由于無尾飛機(jī)沒有前翼和平尾，其飛機(jī)的縱向操縱和配平僅靠機(jī)翼后緣的升降舵來實(shí)現(xiàn)，其一尾臂較短，效率不高；其二在飛機(jī)起降時(shí)，增加升力需下偏較大角度，由此帶來低頭力矩，為了配平又需上偏，造成操縱困難和配平阻力增加，因而限制了飛機(jī)的氣動(dòng)性能，現(xiàn)代飛機(jī)比較少用，僅有法國的幻影Ⅲ和SR－71為無尾飛機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是超音速阻力小。有了電傳操縱系統(tǒng)后，可放寬靜穩(wěn)定度，縱向操縱及配平問題得以解決，但大迎角氣動(dòng)特性不好，因此，一般第三代高機(jī)動(dòng)戰(zhàn)斗機(jī)都不采用，僅幻影2000和B－2隱身轟炸機(jī)采用了飛翼型式，現(xiàn)在進(jìn)一步發(fā)展無垂尾的飛機(jī)如美國的試驗(yàn)X－36（如圖2.6.3所示。）圖2.6.3 無尾飛機(jī)機(jī)種2.6.4 三翼面布局三翼面布局是在正常式布局的基礎(chǔ)上增加一個(gè)水平前翼而構(gòu)成的（即前翼+機(jī)翼+平尾），因此，它綜合了正常式和鴨式布局的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過仔細(xì)設(shè)計(jì)，有可能得到更好的確定特性，特別是操縱和配平特性。F－15加前翼構(gòu)成三翼面布局（AFTI－15布局，）其機(jī)動(dòng)性改善是明顯的；俄羅斯把蘇－27加小前翼改為艦載型，又把蘇－27加大前翼改成蘇－35，其機(jī)動(dòng)性得到更大提高，主要得益于升力的增加（如圖2.6.4所示。）在正常式布局的機(jī)翼前面加一個(gè)前翼，使氣動(dòng)載荷分配更合理，從而可以減輕機(jī)翼上的載荷，減少結(jié)構(gòu)重量。此外，增加一個(gè)前翼操縱自由度，它與機(jī)翼的前、后緣襟翼及水平尾翼結(jié)合在一起可進(jìn)行直接控制及保證足夠的低頭恢復(fù)力矩，改善大迎角特性，提高最大升力；其缺點(diǎn)是因增加前翼而使零升阻力和重量稍有增加。圖2.6.4 三翼面布局典型機(jī)種綜上所述，各種布局型式特點(diǎn)不同，選擇確定布局型式是一個(gè)綜合、折衷的過程。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，鴨式和無尾式布局用于超音速為基本飛行狀態(tài)的飛機(jī)是合理的，而常規(guī)式布局則用于亞音速飛機(jī)或以亞音速飛行狀態(tài)為主，超音速飛行狀態(tài)為次的飛機(jī)最合適。2.6.5 選擇飛機(jī)布局時(shí)要考慮的其它因素在選擇飛機(jī)布局時(shí)，除選擇氣動(dòng)配平的型式外，還要考慮其它因素。首先要選擇機(jī)翼的平面形狀、尾翼的尺寸和在飛機(jī)上的安裝位置，然后是選擇起落架的型式及其在飛機(jī)上的安裝位置。在飛機(jī)氣動(dòng)阻力中稱為干擾阻力的部分決定于飛機(jī)各部分之間的相互影響，最主要的中機(jī)翼和機(jī)身之間的相互干擾。中單翼的干擾阻力最小。只要中央翼段不妨礙機(jī)身內(nèi)的貨艙和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的安排，則大多數(shù)軍用飛機(jī)都采用中單翼布局。旅客機(jī)和貨機(jī)實(shí)際上不可能采用這種布局，因?yàn)橹醒胍矶未┻^機(jī)身中間，不能構(gòu)成統(tǒng)一的客艙和貨艙。上單翼飛機(jī)的干擾阻力特性與中單翼飛機(jī)的差不多。上單翼布局在布局上和構(gòu)造上有以下缺點(diǎn)：——起落架不能裝在機(jī)翼內(nèi)，或者（在不大的飛機(jī)上）起落架的主支柱很長、很重。在這種情況下，起落架通常是裝在機(jī)身內(nèi)，機(jī)身要承受很大的集中力。這些力和氣密機(jī)身的載荷加在一起，會(huì)大大地增加其結(jié)構(gòu)的重量和縮短其使用壽命?！趹?yīng)急著陸時(shí)，機(jī)翼（尤其是其上裝有發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)）可能壓壞支撐它的機(jī)身和貨艙或客艙。為了避免這種情況，在安裝機(jī)翼處機(jī)身的結(jié)構(gòu)要加強(qiáng)，這將使其重量大為增加?！?dāng)在水上應(yīng)急降落時(shí)，機(jī)身在水面以下，應(yīng)急疏散旅客困難。上單翼布局有個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)——機(jī)身距離地面的高度小。這使得現(xiàn)在所有軍用運(yùn)輸機(jī)都采用上單翼布局，從而保證能夠從機(jī)身前面或后面下部的舷梯或斜板（貨橋）輕易地，裝卸武器、裝備和人員。下單翼的干擾阻力最大。在機(jī)翼和機(jī)身