基本介紹
- 中文名：機翼設計
- 外文名：airfoil design
- 所屬領域：航空
- 考慮因素：飛行器完成任務性質
- 設計內容：性能要求、飛行品質等
- 機翼用途：產生升力及阻力
設計要求,設計內容,性能要求,飛行品質,結構框架,內部容積,水上飛機機翼設計,
設計要求
機翼是飛機產生升力的主要部件，同時也產生阻力。對於一般飛機，機翼的阻力占全機零升阻力的1/3左右，而誘導阻力幾乎全由機翼產生，所以它對飛機的性能和飛行品質有著重要的影響。機翼設計，首先必須滿足飛機設計要求中的飛行技術性能要求，它是機翼設計的主要技術依據。對機翼設計在氣動性能方面的要求是：
①在起飛、著陸和空中機動狀態下儘可能有大的升力及高的升阻比；
②在巡航狀態和大速度下有儘可能小的氣動阻力；
③在全飛行包線內具有良好的操穩特性，特別是在低速時要有線性的俯仰力矩特性、較好的副翼效率和橫航向特性。
除以上氣動性能要求外，還要滿足強度和氣動彈性要求，使機翼具有足夠結構剛度和較輕的結構重量和較大的臨界顫振速度。同時要具有一定容積率儲存燃油，滿足外掛物的安裝和投放時的穩定性，還要有一定的重心移動範圍以及隱身性要求。
在討論機翼的時候經常使用一條被稱為弦線的參考線，是一條過剖面圖中兩個端點前緣和後緣的直線。弦線到機翼上、下表面的距離表示上、下表面任意點的拱形程度。另一條參考線是從前緣到後緣的，叫“平均彎度線”，意思是這條線到上、下表面輪廓是等距離的。
機翼的形狀是利用空氣對某些物理定律的回響來構造的。它從空氣獲得兩種作用力：一種是從機翼下方空氣產生的正壓升力；另一種是從機翼上方空氣產生的反向壓力。
當機翼和其運動方向成一個小角度傾斜時，氣流衝擊相對較平的機翼下表面，空氣被迫向下推動，所以導致了一個向上作用的升力，而同時衝擊機翼前緣上曲面部分的氣流斜向上運動。也就是說，機翼導致作用於空氣的力，迫使空氣向下，同時也就提供了來自空氣的相等的反作用力，迫使機翼向上。如果構造機翼的形狀能夠導致升力大于飛機的重量，飛機就可以飛起來。
如果所有需要的力僅僅來自於機翼下表面導致的空氣偏流，那么飛機就只需要一個類似風箏的平的機翼。然而，給機翼上表面產生的力和下表面產生的力指定一個具體的百分比既不精確，也沒用處。這些(來自上、下表面的力以及它們的比例)都不是恆定值。它們的變化不僅取決於飛行條件，還和不同的機翼設計有關。
不同的機翼有不同的飛行特性。在風洞和實際飛行中測試了成千上萬種機翼，但是沒有發現一種機翼能夠滿足每一項飛行要求。每種飛機的重量、速度和用途決定了機翼的外形。
產生最大升力的最有效率的機翼是一種有凹陷的下表面的勺狀機翼。作為一種固定的設計，這種類型的機翼在產生升力的時候犧牲了太多的速度，因此不適合於高速飛行。通過工程上巨大的進步，今天的高速噴氣機又開始利用勺狀機翼的高升力特性這個優勢。前緣(Kreuger)襟翼和後緣(福勒)襟翼從基本機翼結構向外延伸時，直接把機翼的外形變化為經典的勺狀形態，這樣就能夠在慢速飛行條件下產生大得多的升力。
另一方面，特別流線型的機翼風阻力很小，有時不能產生足夠的升力讓飛機離地。這樣，現代飛機機翼在設計上採取極端之間的中庸，外形根據飛機的設計需要而變化。
設計內容
在方案設計階段，要估算一個機翼面積和粗略地推測這個機翼形狀。當設計進入到更詳細的設計階段，必須仔細考慮機翼幾何參數，以得到對於規定任務是最佳的形狀。雖然機翼不能和飛機其他部件(如動力裝置、尾部布局、噪聲等)分開孤立地考慮，但在設計的初始階段，把精力集中在主要的機翼參數上是必要的，而在設計過程的後期，再考慮由飛機方案/技術指標所確定的全部因素。
可以在下述4個方面確定主要的機翼設計參數：性能要求、飛行品質、結構框架、內部容積。
性能要求
在概念設計階段必須考慮飛機性能要求。機翼的尺寸必須滿足指令性(適航性)要求，並且必須對設計(技術指標)要求進行估算。在適航性要求中規定了一定的爬升率和使用速度。沒計要求也規定了場長和巡航速度。
飛行品質
保證飛機有可接受的飛行操縱品質，將影響到機翼幾何參數的選擇(如機翼的平面形狀將影響低速時飛機失速和過失速特性)。設計要求將規定場長和巡航速度。在高速飛行時，氣動彈性和氣動力抖振也是一個考慮的準則。飛行器的操縱將受機翼的突風回響的影響，但這可以用同機翼操縱面結合的自動飛行控制系統來緩和。對於操縱性和穩定性來說，荷蘭滾和橫向回響將是重要的參數。而飛機自動飛行控制系統可以給這些品質以有利的影響。預測機翼平面形狀對飛行品質的影響是困難的，以至於常常用“修整”來改正內在的缺陷。
結構框架
對結構考慮的主要準則是安全和最小的重量。機翼結構框架必須支撐所有的非機翼部件(如發動機、起落架)，安置全部飛行控制部件和高升力裝置(如副翼、襟翼、減速板等)。在所有這些要求中，機翼必須易於製造，並在其使用壽命期內維護方便。
內部容積
機翼內部容積應能裝進所要求的燃油(在不同的油箱內)、起落架(如果收進機翼型面內)和高升力裝置及其他控制部件。
水上飛機機翼設計
由於水上飛機在水上起降時水載荷與飛機速度平方成正比，故機翼應採用襟翼這類增升裝置，使水上飛機可在45kn(80km/h)左右以下速度在較小的水域安全起飛降落，另外機翼低的失速速度有利於縮短飛機在起飛時的滑跑距離和時間，這也意味著更早離開不平穩水面而更安全，飛機從水面起飛後很快加速和爬升是成功飛行的關鍵，展弦比在8～10的機翼，在大迎角爬升時誘導阻力小而更有利。
應按最大升力係數0.9來設計機翼面積，這樣以便在飛機起降時，有進一步增加升力的潛力。
由於水上飛機有在水上起降運行的特點，為防水花影響機翼的氣動特性，一般都採用上單翼的機翼布局，這也有利於防水花對機翼結構的腐蝕。
機翼應選擇阻力係數和俯仰力矩係數小的翼型。
機身船體前段龍骨相對飛機基準縱軸有1°～2°上仰角，水上飛機在水中滑行時，龍骨相對水面有8°迎角，這時船尾正好離開水面，根據這時希望機翼產生最大升力來設定機翼安裝角和襟翼的偏角。這樣設定的機翼安裝角在飛機以巡航速度飛行時。迎角偏大，故巡航時船體機身會略有低頭，有利於改善駕駛員的視線。
水上飛機機翼上的副翼，除了同一般飛機一樣要注意防止副翼反逆而差動設計外，還因水上飛機有在至少15m/s側風下在水面起飛時糾正飛機機翼傾斜的需要，副翼面積要比常規飛機偏大。這樣在空中飛行時副翼操縱會顯得敏感．這可以通過在副翼區機翼選用9%～10%稍薄的翼型來改善。
