1、飛機設計基本原理袁興盛西北工業大學航空學院飛機的設計基本原理第1頁主要內容航空航天基本概念飛行器分類飛機主要組成部分與功用飛機空氣動力飛機飛行性能飛行穩定與操縱機翼和尾翼飛機設計方法與過程飛機的設計基本原理第2頁航空與航天概念 航空 大氣層內 航天 大氣層外特點 應用廣泛 高度綜合 許多相關學科航空與航天聯絡： 飛行器到大氣層外航行必須穿過大氣層；如欲返回，又必須再入大氣層飛機的設計基本原理第3頁垂直方向上特征改變顯著 （密度、溫度、壓強、）10km高度 1/3 0 p1/4 p0100km高度 4*10-7 0 p 3*10-7 p0大氣層飛機的設計基本原理第4頁飛行器分類航空器 輕于空氣

2、重于空氣航天器 無人航天器 載人航天器火箭和導彈在地球大氣層內或大氣層外空間飛行器械，統稱飛行器飛機的設計基本原理第5頁航空器輕于空氣航空器 重于空氣航空器 飛機的設計基本原理第6頁航天器無人航天器 人造地球衛星 空間探測器載人航天器 載人飛船 航天站 航天飛機飛機的設計基本原理第7頁火箭和導彈火箭 以火箭發動機為動力，可在大氣層內或大氣層外飛行導彈 帶戰斗部，由制導控制系統控制飛行，能夠裝備火箭發動機、渦輪噴氣發動機或沖壓發動機等飛機的設計基本原理第8頁輕于空氣航空器氣球飛艇飛機的設計基本原理第9頁氣球ULDB - Ultra Long Duration Balloon Duration:

3、up to 100 days. Load: 6,000 pounds Height: 110,000 feetconstructed of thin, 0.02-millimeter polyethylene film, fill with helium飛機的設計基本原理第10頁飛機的設計基本原理第11頁飛艇飛機的設計基本原理第12頁Cargo Lifter CL-160CL 160 - Der berblickTechnik:halbstarres Kiel-Luftschiff fr Schwerlast-TransporteAbmessungen:65 Meter Durchmesser

4、 260 Meter Lnge 82 Meter Hhe insgesamtHllenvolumen:550.000 KubikmeterTraggas:HeliumLeergewicht:ca. 260 TonnenLadevolumen:50 Meter x 8 Meter x 8 MeterNutzlast:maximal 160 TonnenTransportgeschwindigkeit:durchschnittlich 90 StundenkilometerHaupt-Einsatzreichweite:Vor- und Nachlauf, kontinentale Mid Ran

5、ge bis zu 3.000 KilometerLong Rangebis zu 10.000 Kilometer飛機的設計基本原理第13頁Zeppelin NTAbmessungen Lnge 75 m Max. Breite 19.5 m Hhe1 7.4 m Hllenvolumen 8.225 m Ballonet- Volumen 2.200 mGondel Sitzpltze 2 + 12 Kabinenvolumen 26 m Kabinenlnge 10.7 mMasse Max. Startgewicht 10.690 kg Zuladung* 1.900 kgFlugle

6、istung Max. Geschwindigkeit 125 km/h Reichweite 900 km Max. Flughhe* 2.600 m Max. Flugdauer ca. 24 h飛機的設計基本原理第14頁Zeppelin NT飛機的設計基本原理第15頁重于空氣航空器固定翼航空器 飛機 滑翔機旋翼航空器 直升機 旋翼機撲翼機飛機的設計基本原理第16頁飛機飛機的設計基本原理第17頁The beginning of the first flight December 17, 1903萊特弟兄第一次飛行飛機的設計基本原理第18頁滑翔機飛機的設計基本原理第19頁旋翼航空器飛機的設計

7、基本原理第20頁撲翼機飛機的設計基本原理第21頁飛機分類民用 旅客機，貨機（民用運輸機）， 農用機，運動機，救護機，試驗研究機，軍用 殲擊機、截擊機、強擊機、偵察機、轟炸機（重型、中型、輕型，或戰術、戰略）、殲擊轟炸機、 其它（反潛、預警、電子干擾、軍用運輸、空中加油、艦載機、） 飛機的設計基本原理第22頁Q&A飛機的設計基本原理第23頁飛機主要組成部分與功用 飛機的設計基本原理第24頁飛機各個部件機身駕駛艙發動機機翼水平尾翼垂直尾翼升降舵方向舵副翼襟翼飛機的設計基本原理第25頁飛機各個部件飛機的設計基本原理第26頁飛機各部件功用機翼尾翼舵面 機身起落架動力系統操縱系統 機載設備 產生升力 穩

8、定和操縱 升降舵、方向舵、副翼、擾流片 裝載、連接其它部件 起降滑跑、地面支撐 產生推力。包含發動機及其附件系統。 操縱飛機。 飛行儀表、通訊、導航、環境控制、生命保障、能源供給等等。飛機的設計基本原理第27頁Q&A飛機的設計基本原理第28頁飛機空氣動力 飛機的設計基本原理第29頁飛機外力飛機的設計基本原理第30頁作用在飛機上空氣動力 升力 更大重量阻力 更小發動機功率問題：怎樣增大升力、減小阻力飛機的設計基本原理第31頁迎角相對氣流方向與翼弦之間夾角 Angle of Attack (AoA)不一樣于飛機姿態飛機的設計基本原理第32頁升力氣流翼型上表面流線變密流管變細下表面平坦流線改變不大(

9、與遠前方流線相比) 連續性定理、伯努利定理翼型上表面流管變細流管截面積減小氣流速度增大故壓強減小 翼型下表面流管改變不大壓強基本不變 上下表面產生了壓強差總空氣動力R R方向向后向上分力：升力L、阻力D 飛機的設計基本原理第33頁不一樣迎角對應壓力分布飛機的設計基本原理第34頁失速通常，機翼升力與迎角成正比。迎角增加，升力隨之增大(圖1、圖2)。不過，當迎角增大到某一值時，則會出現相反情況，即迎角增加升力反而急劇下降。這個迎角就稱為臨界迎角。當機翼迎角超出臨界點時，流經上翼面氣流會出現嚴重分離，形成大量渦流，升力大幅下降，阻力急劇增加。飛機減速并抖動，各操縱面傳到桿、舵上外力變輕，隨即飛機下墜

10、，機頭下俯，這種現象稱為失速。飛機的設計基本原理第35頁彎度和迎角作用飛機的設計基本原理第36頁改變后緣彎度作用飛機的設計基本原理第37頁阻力摩擦阻力壓差阻力干擾阻力誘導阻力激波阻力飛機的設計基本原理第38頁阻力1：摩擦阻力由空氣粘性造成附面層 ( 層流附面層 紊流附面層 )層流流動，摩擦阻力小；紊流流動，摩擦阻力大多 - 盡可能使物體表面流動保持層流狀態附面層 飛機的設計基本原理第39頁阻力2：壓差阻力運動著物體前后所形成壓強差所產生同物體迎風面積、形狀和在氣流中位置都有很大關系飛機的設計基本原理第40頁迎面阻力摩擦阻力和壓差阻力合起來叫做“迎面阻力”一個物體終究哪種阻力占主要部分，主要取決

11、于物體形狀流線體，迎面阻力中主要是摩擦阻力遠離流線體式樣，壓差阻力占主要部分，摩擦阻力則居次要位置，且總迎面阻力也較大飛機的設計基本原理第41頁機翼三元效應上翼面壓強低，下翼面壓強高 - 壓差 - 漩渦 - 下洗飛機的設計基本原理第42頁阻力3：誘導阻力翼尖渦使流過機翼氣流向下偏轉一個角度（下洗）。升力與氣流方向垂直（向后傾斜），產生了向后分力（阻力）誘導阻力同機翼平面形狀，翼剖面形狀，展弦比，尤其是同升力相關。伴隨升力而產生飛機的設計基本原理第43頁阻力4：干擾阻力氣流流過翼-身連接處，因為部件形狀關系，形成了一個氣流通道。B處高壓區形成氣流阻塞，使氣流開始分離，產生旋渦，能量消耗和飛機不一

12、樣部件之間相對位置相關飛機的設計基本原理第44頁阻力5：激波阻力屬于壓差阻力飛機的設計基本原理第45頁Q&A飛機的設計基本原理第46頁飛機飛行性能 飛機的設計基本原理第47頁飛行性能 等速直線飛行性能（基本飛行性能） 續航性能 起飛著陸性能 機動飛行性能 飛機的設計基本原理第48頁等速直線飛行性能 水平等速直線飛行性能 (定直平飛) 最大平飛速度最小平飛速度巡航速度 飛機的設計基本原理第49頁最大平飛速度主要限制: 推力=阻力不一樣高度Vmax等速直線飛行性能飛機的設計基本原理第50頁最小平飛速度 CL=CLmax時，可取得最小平飛速度 慣用安全/允許升力系數（ 7090% CLmax）作為計

13、算vmin依據。 主要限制: 升力=重力等速直線飛行性能飛機的設計基本原理第51頁巡航速度 耗油最少（每千米耗油量） 或最慢（每小時耗油量）對應速度取決于： 飛機最大升阻比 發動機高度特征、速度特征 等速直線飛行性能飛機的設計基本原理第52頁爬升性能 1、定直上升航跡角 力平衡 T = D + G sin = arcsin ( T D) / G = arcsin( T / G ) 最大爬升角max對應于最大剩下推力 Tmax 2、上升率vy 飛行速度v鉛垂分量 vy = v * sin 3、靜升限 飛機能作定直飛行最大高度 （vy=0所對應高度）等速直線飛行性能飛機的設計基本原理第53頁上升率

14、曲線理論升限和實用升限飛機的設計基本原理第54頁飛機定常飛行高度-速度范圍（飛行包線）飛機的設計基本原理第55頁續航性能 與可用燃料量發動機工作狀態飛行高度飛行速度 等參數相關指標：航程、航時可用燃料量=總燃料量 減去 - (1) 地面試車、滑行、起飛和著陸所需燃料；- (2) 為確保安全而必須貯備燃料；- (3) 殘留在油箱和供油系統中無法用盡燃料。 飛機的設計基本原理第56頁起飛性能 過程： 起飛滑跑 加速 抬前輪 繼續加速 離地爬升 至安全高度飛機的設計基本原理第57頁著陸性能 過程： 下滑 - 拉平 - 平飛減速 - 飄落 - 著陸滑跑 飛機的設計基本原理第58頁機動飛行性能平飛加速

15、加大油門同時操縱駕駛桿減小迎角 平飛減速 減小油門同時操縱駕駛桿加大迎角 飛機的設計基本原理第59頁機動飛行性能盤旋 水平面內 一定半徑和速度 繞空中某一點做圓周、連續改變飛行方向而高度不變 曲線運動 定常盤旋 飛行速度、迎角、傾角、側滑角均保持不變 正常盤旋 不帶側滑定常盤旋指標： 盤旋半徑、角速度飛機的設計基本原理第60頁盤旋飛機的設計基本原理第61頁俯沖、躍升、筋斗戰斗轉彎勢能 動能空間機動飛機的設計基本原理第62頁Q&A飛機的設計基本原理第63頁飛行穩定與操縱飛機的設計基本原理第64頁飛機穩定性平衡狀態：外力與外力矩之和都為零平衡狀態常會因為各種原因影響而遭到破壞（如燃油消耗、收放起落

16、架、收放襟翼、發動機推力改變或投擲炸彈等）。此時，駕駛員能夠經過偏轉對應操縱面來保持飛機平衡，稱為配平。 飛機的設計基本原理第65頁穩定性受擾動后恢復平衡狀態能力欲使處于平衡狀態物體含有穩定性，其必要條件：物體在受到擾動后能夠產生穩定力/力矩，使物體含有自動恢復到原來平衡狀態趨勢；在恢復過程中同時產生阻尼力/力矩，確保物體最終恢復到原來平衡狀態。 飛機的設計基本原理第66頁飛機縱向穩定重心位置與靜穩定性飛機各部分附加升力 飛機的設計基本原理第67頁飛機操縱升降舵主要舵面方向舵副翼飛機的設計基本原理第68頁飛機操縱俯仰飛機的設計基本原理第69頁飛機操縱滾轉飛機的設計基本原理第70頁飛機操縱偏航飛

17、機的設計基本原理第71頁Q&A飛機的設計基本原理第72頁機翼和尾翼飛機的設計基本原理第73頁翼型(a) 薄翼剖面(b) 凹凸翼型(c) 平凸翼型(d) 雙凸翼型(e) 對稱翼型(f) S形翼型(g) 超臨界翼型(h) 菱形翼型(i) 雙弧形翼型翼型(翼剖面) 平行于對稱面或垂直于前緣剖面形狀飛機的設計基本原理第74頁翼型幾何參數弦長 c (作為基準)相對厚度 t最大相對厚度位置 xt相對彎度 fcxttmaxfl飛機的設計基本原理第75頁機翼平面形狀基本類型 平直翼 后掠/前掠翼 三角翼飛機的設計基本原理第76頁RectangularTaperedRounded or EllipticalSt

18、raight WingSweepback WingSlight SweepbackModerate SweepbackGreat SweepbackForwardComplexDelta WingSimpleSwing-wing飛機的設計基本原理第77頁機翼平面形狀飛機的設計基本原理第78頁機翼幾何特征機翼面積 翼展 展弦比 梯形比 后掠角 0.2501.0bc1c0機翼幾何參數飛機的設計基本原理第79頁機翼幾何特征機翼面積S翼展l -機翼左右翼尖之間長度。翼弦b -翼弦是指機翼沿機身方向弦長。平均幾何弦長 bav（b0b1）/2 b0-翼根、 b1-翼尖或bav=S/l展弦比 -翼展l和平均

19、幾何弦長bav比值。l/bav 或 l2/S后掠角 -機翼與機身軸線垂線之間夾角。前緣后掠角 -機翼前緣與機身軸線垂線之間夾角，普通用0表示后緣后掠角 -機翼后緣與機身軸線垂線之間夾角，普通用1表示1/4弦線后掠角 -機翼1/4弦線與機身軸線垂線之間夾角，普通用0.25表示。前掠角 -假如飛機機翼向前掠，則后掠角就為負值,變成了前掠角。根梢比 -翼根弦長b0與翼尖弦長b1比值，b0/b1。除此之外，機翼在安裝時還可能帶有上反角或者下反角(前視)飛機的設計基本原理第80頁機翼前視形狀 上反角與下反角飛機的設計基本原理第81頁橢圓翼Spit FireLa-5FN 三面圖飛機的設計基本原理第82頁平

20、直翼三座小客機阿克-1（-1）飛機的設計基本原理第83頁梯形翼飛機的設計基本原理第84頁后掠翼飛機的設計基本原理第85頁三角翼飛機的設計基本原理第86頁雙三角翼飛機的設計基本原理第87頁上反角飛機的設計基本原理第88頁上反角飛機的設計基本原理第89頁下反角飛機的設計基本原理第90頁下反角飛機的設計基本原理第91頁尾翼組成 水平尾翼(平尾)垂直尾翼(垂尾或立尾)舵面 + 安定面 低速全動尾翼 超音速飛機的設計基本原理第92頁背鰭和腹鰭改進方向穩定特征 飛機的設計基本原理第93頁尾翼型式 (a)常規尾翼(b)雙垂尾式(c)雙機身(雙尾撐)上雙垂尾(d)寬機身上雙垂尾(e)“T”字型尾翼(f)“”字型尾翼(g) “ V” 型尾翼(h)無(平)尾式(i)鴨翼（a）（b）（c）（g）（i）（h）（f）（e）（d）飛機的設計基本原理第94頁Q&A飛機的設計基本原理第95頁飛機設計方法與過程飛機的設計基本原理第96頁飛機研制普通過程確定設計要求概念設計初步設計詳細設計原型機試制試飛成批生產使用和改進改型飛機的設計基本原理第97頁確定設計要求從本質上講，飛機是一個載具（從屬性）。飛機設計要求研究和制訂影響到它裝備和使用大型飛機從設計要求制訂到開始使用普通都需要