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大家好

我是岳奎志

本次课程为常规飞机气动布局

飞机气动布局主要是指飞机的外部形状

包括各部件的形状及相互搭配关系

通常指机翼 平尾 垂尾等形状与布置

常规飞机气动布局主要有正常式

变后掠翼 鸭式 三翼面 前掠翼等气动布局

本次课主要以军用飞机为背景

介绍常规飞机气动布局

为此 在上本次课之初

先明确一下学习目标

一共有五条

分别是

1 认识正常式气动布局的特点

2 分析变后掠翼气动布局的特点

3 评价鸭式气动布局的优缺点

4 分析三翼面气动布局的特点

5 评价前掠翼气动布局的优缺点

当您明确本次课的学习目标之后

接下来要学什么内容

您就清楚了吧

在讲本次课主要内容之前

先出一个小问题

考察一下您对常规飞机气动布局的认知储备情况

这个问题就是

1 什么是三翼面气动布局

它与正常式气动布局相比有何优点

如果您不清楚 没关系

通过本次课

这个问题将得以解决

通过本次课

刚才制定的学习目标也将得以实现

在自然界“优胜劣汰 适者生存”的丛林法则下

众所周知

鸟类几乎都是身体上长着一对翅膀

加一个尾巴的布局

这是千百年来进化“优胜劣汰”的结果

飞机设计师对鸟类进行仿生

研制飞机的气动布局

像鸟一样

最初大多数飞机的气动布局

就是水平尾翼放在机翼之后

这就是正常式气动布局

正常式气动布局的飞机

代表型号为美国F-35C舰载机

正常式气动布局的飞机

具有静稳定性 动稳定性

便于飞行员驾驶操纵飞机

为什么这样说呢

下面从飞机铅锤方向受力情况

分析一下飞机纵向平衡问题

正常式气动布局的飞机在空中平飞时

受到铅锤向下的重力G

作用在重心O上

机翼上受到向上的升力Y

且该升力Y的作用点在飞机重心O之后

平尾则受到向下的负升力L

在铅锤方向上

飞机受力平衡

即飞机自身重力G

等于机翼产生的升力Y

减去平尾产生的负升力L

飞机受到的力矩也平衡

绕飞机重心O

机翼产生的升力Y乘以机翼升力力臂

等于平尾产生的负升力L乘以平尾升力力臂

正常式气动布局的飞机

能够保证飞机飞行时纵向静稳定

这样减轻了飞行员飞行操纵负担

正常式气动布局的飞机

其受力情况像什么呢

像中国古代的杆秤

秤盘的重物产生的重力

相当于飞机自身的重力

人手向上提的拉力

相当于飞机机翼产生的升力

秤砣的重力相当于飞机平尾产生的负升力

杆秤具有静稳定性

可以达到平衡状态

同理正常式气动布局的飞机

也可以达到平衡状态

但是这种气动布局也有缺点

就是平尾产生的升力方向向下

对飞机整体的升力贡献为负

这种缺点会导致飞机载重量减少

飞机起降距离变长等不足

正常式气动布局的飞机

还有一种衍生的气动布局

就是变后掠翼气动布局

机翼后掠角在飞行中可以改变的气动布局

称为变后掠翼气动布局

具有变后掠翼气动布局的飞机

能够在不同速度下

通过改变机翼后掠程度

来获取最佳的升阻特性

变后掠翼气动布局的飞机

代表型号有美国的F-14“雄猫”舰载机

俄罗斯的图-160轰炸机等等

下面以F-14舰载机为背景

介绍变后掠翼气动布局

F-14“雄猫”舰载机

飞行中机翼后掠角变化范围为20度至68度

由机载设备根据飞行状态自动调节

最大可以变化速度为7度每秒

也可以由驾驶员手动调节

当飞机低速飞行时

需要增大机翼面积

来提高飞机的升力

用于平衡飞机的重力

因此需要前缘后掠角变小

变成直机翼

所以F-14前缘后掠角变成20度

当飞机高速飞行时

需要减小机翼面积

进而减小阻力

以便增加速度

因此需要前缘后掠角变大

所以F-14前缘后掠角变成68度

停放时

F-14前缘后掠角可以达到75度

减小飞行甲板占用面积

变后掠翼飞机

具有总阻力较小 最大可用升力系数较大

最大升阻比高等优点

在军用飞机市场上

占有一席之地

但是由于增加了变后掠机构

所以导致飞机增重 结构复杂 故障率高

另外 机翼一部分空间被变后掠机构占用

导致载油量减小 作战半径减小

变后掠翼气动布局

同正常式气动布局一样

在一般飞行状态时

作为俯仰操纵舵面的平尾产生负升力

对飞机整体升力贡献为负

有没有一种飞机

在一般飞行状态时

俯仰操纵舵面产生正升力呢

答案是有的

鸭式气动布局的飞机

就属于这种情况

航空界把主翼前配置有小翼的飞机

称为鸭式气动布局飞机

放在机翼前面的小翼称为前翼

或称鸭翼

取代正常式气动布局的水平尾翼

鸭式气动布局飞机代表型号为

法国的阵风M舰载机

下面以阵风M舰载机为背景

介绍鸭式气动布局

鸭式气动布局飞机的优点很多

归纳一下

可总结成五个方面

一 可得到正的配平升力

下面从受力分析角度解释一下原因

鸭式气动布局的飞机在空中飞行时

飞机受到铅垂向下的重力G

其作用点在重心O处

机翼受到向上的升力Y

其作用点在重心之后

鸭翼后缘向下偏

鸭翼受到向上的升力L

其作用点在重心之前

这种气动布局

鸭翼和机翼产生的升力都向上

用来平衡飞机的重力

因此可以形象的称为

“两人抬轿子”式气动布局

鸭式气动布局

因为重心在升力之前

因此具有纵向静稳定性

当飞机迎角受到扰动增大时

飞机能自动恢复原迎角

鸭式气动布局的飞机

鸭翼提供向上的升力

对飞机升力贡献为正

因此在相同条件下

与正常式气动布局相比

可以缩短飞机起降距离 增大飞机作战半径

鸭式气动布局飞机的优点之二就是

近距耦合可以获得涡升力

鸭翼与主翼近距恰当配置

能够得到有利干扰

在中等迎角下

鸭翼会产生脱体涡

脱体涡流经机翼上表面时

降低主翼上表面的压力

使其产生附加的涡升力

鸭式气动布局飞机的优点之三就是

配平阻力较小

由于增加了涡升力

在机翼上产生相同升力的条件下

升致阻力随之减小

由于平衡时鸭翼提供正升力

增加了总升力

飞机为达到平衡时阻力随之减小

鸭式气动布局飞机的优点之四就是

抗尾旋能力强

作为操纵面

鸭翼的迎角比机翼的迎角大

鸭翼比机翼先发生气流分离

鸭翼升力减小

要机头“下俯”

这就减小了机翼迎角

防止飞机失速

减小了飞机进入尾旋的危险

鸭式气动布局飞机的优点之五就是

前翼操纵效能高

鸭翼不受机翼干扰

故其操纵效能比位于机翼后的水平尾翼高

总结一下

鸭式气动布局飞机的优点就是

1 可得到正的配平升力

2 近距藕合可获得涡升力

3 配平阻力较小

4 抗尾旋能力强

5 前翼操纵效能高

俗话说

金无足赤 人无完人

鸭式气动布局也有弱点

主要表现在

1 俯仰操纵性差 附加阻力大

鸭翼力臂短 操纵力矩小

鸭翼的实际迎角较大

会引起鸭翼先失速

配平升力下降

削弱俯仰操纵

鸭翼经常处于大迎角状态

对应的附加阻力也较大

2 大迎角削弱方向稳定性

鸭式气动布局飞机在侧滑中

鸭翼的尾涡有可能打在垂直尾翼上

使垂直尾翼侧滑的一面压力降低

引起扩大侧滑角的方向力矩

削弱方向稳定性

3 主翼在鸭翼之后

受鸭翼干扰较大

鸭翼产生的下洗

使主翼的有效迎角减小

升力减小

由于鸭翼存在这些缺点

因此有“占小便宜 吃大亏”之嫌

有没有这样一种飞机

机翼提供正升力

平尾也提供正升力的呢

答案是有的

三翼面气动布局的飞机就属于这种情况

飞机同时具有鸭翼

机翼和平尾的气动布局称为三翼面气动布局

三翼面气动布局的舰载机

代表型号有俄罗斯的Su-33多用途舰载机

三翼面气动布局的飞机在空中平飞时

飞机受到铅垂向下的重力G

其作用点在重心O处

机翼受到向上的升力Y

其作用点在重心之前

平尾后缘向下偏

平尾受到向上的升力L

其作用点在重心之后

鸭翼后缘向上偏

鸭翼受到向下的升力Ly

其作用点在重心之前

因为升力作用点在重心之前

所以三翼面气动布局的飞机

具有纵向静不稳定性

因此需要优质的飞控

帮助飞行员驾驶飞机

在三翼面气动布局的飞机中

平尾和机翼都提供正升力

用平尾进行俯仰操纵

鸭翼提供负升力

鸭翼起俯仰阻尼作用

防止迎角增加过快

三翼面气动布局的飞机优点很多

归纳一下

可总结成四个方面

1 升力特性好

由于鸭翼控制机翼气流分离

与正常式气动布局相比

三翼面气动布局不但升力系数曲线斜率增大

失速迎角增大

更主要的是在大迎角时升力有明显地增大

2 诱导阻力小

鸭翼改善了机翼大迎角的分离状况

使诱导阻力减小

3 低空 低速性能好

众所周知

飞机平飞时力平衡的条件

就是升力等于重力 推力等于阻力

为了取得平衡重力的升力

由升力公式Y=Cy1/2ρV2S

可知当机翼面积S增大时

速度V就可以减小

因此 机翼面积S增大

飞机的低速性能就会变好

例如 三翼面气动布局的Su-33舰载机

与正常式气动布局的Su-27飞机相比

由于机翼面积也增大了

所以 低速性能就比较好

舰载机在航母上进行起降时

都是低空 低速

因此 三翼面气动布局飞机

适合做舰载机

4 容易实现直接力控制

达到飞行轨迹的精确控制

使用直接力控制

可使舰载机在着舰下滑时更快速

精准地沿着标准下滑道下滑

使用直接力控制

并且可以在航迹角不变的条件下改变俯仰角

在俯仰角不变的条件下改变航迹角等等

讲到这里

在本次课之初提的那一个问题的答案

您就知道了吧

任何事物

都有利有弊

同样

三翼面气动布局飞机也有劣势

主要表现在

1 在小迎角时阻力大

超声速状态阻力更大

2 增加一个升力面和相应的操纵机构增重

但是瑕不掩瑜

前面讲的四种气动布局

即正常式 变后掠翼 鸭式和三翼面气动布局

它们的机翼都是向后掠的

而下面讲的气动布局

机翼后掠角是向前掠的

因此叫做前掠翼

前掠翼好像“颠倒”的后掠翼

采用前掠翼气动布局的飞机

代表型号是俄罗斯的Su-47验证机

Su-47验证机

不仅属于前掠翼气动布局飞机

由于它也具有鸭翼 机翼 平尾

因此它也属于三翼面气动布局的飞机

不过本知识点重点介绍的是前掠翼气动布局

气流流过前掠翼时

向内偏斜

流线如图所示

这就导致前掠翼的载荷展向分布情况为

翼根部分载荷大 翼尖部分载荷小

因此在相同条件下

前掠翼的气动特性优于后掠翼

具体表现在以下五个方面

一 诱导阻力小 升阻比大

如图所示

前掠翼的翼尖部分载荷变化率小

故翼尖涡流相对较小

载荷分布比较靠近翼根

同一升力下产生的弯矩小于后掠翼

产生相同的弯矩

展弦比可比后掠翼大

从而减小诱导阻力

二 翼根气流先分离

前掠翼流谱也成S形流动

导致翼根部分发生气流分离

翼尖部分气流分离较迟

三 飞机可用升力系数较大

前掠翼采用鸭式或附加机翼边条

就能利用脱体涡有效地控制翼根气流分离

提高机翼最大的可用升力

四 机身和机翼减小跨声速飞行时的阻力

机身和机翼结合更符合面积律的要求

飞机横截面积沿纵轴的分布变化缓和平滑

有利于减小跨声速飞行时的阻力

五 机翼安装靠后

机翼承力机件靠后

使重心附近有效容积增大

便于设计布局

前掠翼气动布局的飞机优点很多

但是没有广泛应用

其原因就是有一个致命的缺点

现代技术很难克服

这个缺点就是

前掠翼“气动弹性发散”

当迎角增大

升力增大时

前掠翼产生的扭转变形使得前缘提高后缘降低

迎角继续增大

从而使机翼升力和扭转变形继续增大

为此前掠翼采取的修正措施就是增加结构刚度

但是导致飞机重量增加

讲到这里

本次课程即将结束

下面进行一下小结

本次课程

介绍了正常式 变后掠翼 鸭式

三翼面和前掠翼气动布局的特点

本次课程到此结束

谢谢