飛機機身

機身是飛機的一個重要部件，它的主要功用是：固定機翼、尾翼、起落架等部件，使之連成一個整體；同時，它還用來裝載人員(機組人員、乘客)、貨物、燃油及各種設備。現代飛機的機身結構是由縱向元件（沿機身縱軸方向)——長桁、桁梁和垂直於機身縱軸的橫向元件——隔框以及蒙皮組合而成，其結構形式有構架式、硬殼式和半硬殼式。

基本介紹

• 中文名：飛機機身
• 外文名：airframe
• 套用領域：航空航天科技

簡介

機身是飛機的一個重要部件，它的主要功用是：固定機翼、尾翼、起落架等部件，使之連成一個整體；同時，它還用來裝載人員(機組人員、乘客)、貨物、燃油及各種設備。

按照機身的功用，首先在使用方面，應要求它具有儘可能大的空間，使它的單位體積利用率最高，以便能裝載更多的人和物資，同時連線必須安全可靠。應有良好的通風加溫和隔音設備；視界必須廣調，以利於飛機的起落。其次在氣動方面，飛行中，機身的阻力要占整個飛機阻力的較大部分，因此，要求機身具有良好的流線形、光滑的表面、合理的截面形狀以及儘可能小的橫截面積。另外，在保證有足夠的強度、剛度和抗疲勞的能力情況下，應使它的重量最輕。對於具有氣密座艙的機身，抗疲勞的能力尤為重要。

飛機機體的型式一般有機身型、船身型和短艙型，機身型是陸上飛機的機體，水上飛機機體一般採用船身型，至於短艙型則是沒有尾翼的機體。短艙型包括雙機身和雙尾撐。另外，二戰中還有一種偵察/轟炸飛機，介於雙機身和雙尾撐形式之間：一側機身有座艙，另一側機身則連線尾翼，這種不對稱布局在飛機上較少見。

機身受力構件的基本構造

現代飛機的機身結構是由縱向元件（沿機身縱軸方向)——長桁、桁梁和垂直於機身縱軸的橫向元件——隔框以及蒙皮組合而成。機身結構各元件的功用相應地與機翼結構中的長桁、翼肋、蒙皮的功用基本相同。

隔框

作為橫向元件的隔框分為普通框和加強框。普通框主要用於維持機身的截面形狀，承受蒙皮的局部載荷。一般沿機身周邊空氣壓力為對稱分布，此時空氣動力在框上自身平衡，不再傳到機身別的結構去。普通框一般都為環形框。當機身為圓截面時，普通肋的內力為環向拉應力；當機身截面有局部接近平直段時，則普通框內就會產生彎曲內力。此外，普通框還受到因機身彎曲變形引起的分布壓力。普通框還對蒙皮和長桁起支持作用。隔框間距影響長桁的總體穩定性。

加強框除上述作用外，其主要功用是將裝載的質量力和其他部件（如機翼、尾翼等)上的載荷，經連線接頭傳遞到機身結構上將集中力加以分散，然後以剪流的形式將力傳給機身蒙皮。

長桁與桁梁

長桁作為機身結構的縱向構件，在桁條式機身中主要用來承受機身彎曲引起的軸向力。另外長桁對蒙皮有支持作用，它提高了蒙皮的受壓、受剪失穩臨界應力；其次它承受部分作用在機身蒙皮上的氣動力並傳給隔框，與機翼的長桁相似。桁梁的作用與長桁相似，只是截面積比長桁大。

蒙皮

機身蒙皮在構造上的功用是構成機身的氣動外形，並保持表面光滑，所以它承受局部空氣動力，在增壓密封座艙部位的蒙皮將承受內壓載荷，蒙皮將其傳遞給機身骨架。

蒙皮在機身總體受載中起著很重要的作用。它承受垂直和水平兩個平面內的剪力和扭矩；同時它和長桁等一起組成壁板承受垂直和水平兩個平面內彎矩引起的軸力。

機身的結構形式

構架式機身

在早期的低速飛機上，機身的承力構架都做成四緣條的立體構架。為了減小飛機的阻力，在承力構架外面，固定有整形用的隔框、桁條和蒙皮，這些構件只承受局部空氣動力，不參加整個結構的受力。機身的剪力、彎矩和扭矩全部由構架承受。其中彎矩引起的軸向力由構架的四根緣條承受；垂直方向的剪力由構架兩側的支柱和斜支柱(或各對張線)承受；水平方向的剪力由上、下平面內的支柱、斜支柱(或張線)承受；機身的扭矩。則由四個平面構架組成的立體結構承受。構架式機身的抗扭剛度差，空氣動力性能不好，其內部容積也不易得到充分利用。只有一些小型低速飛機機身採用構架式機身。

構架式機身

硬殼式機身

硬殼式機身結構是由蒙皮與少數隔框組成。其特點是沒有縱向構件，蒙皮較厚，由蒙皮承受機身總體彎、剪、扭引起的全部軸向力和剪力。普通框和加強框用於維持機身截面形狀，支持蒙皮和承受、擴散框平面內的集中力。

硬殼式機身

這種機身的優點是結構簡單，氣動外形光滑，內部空間可全部利用。但因為機身的相對載荷較小，而且機身不可避免要大開口，會使蒙皮材料利用率不高，因開口補強增重較大。所以這種形式的機身實際上用得很少，只在機身結構中某些氣動載荷較大、要求蒙皮局部剛度較大的部位，如機身頭部、機頭罩、尾錐等處有採用。

半硬殼式機身

為了使機身結構的剛度器滿足飛行速度日益增大的要求，需要使蒙皮參加整個結構的受力。因此，目前的機身結構廣泛採用了金屬蒙皮，並且將蒙皮與隔框、大梁、桁條牢固地鉚接起來。成為一個受力的整體，通常稱為半硬殼式機身。

半硬殼式機身

在半硬殼式機身中，大梁和桁條用來承受彎矩引起的軸向力；蒙皮除了要不同程度地承受軸向力外，還要承受全部剪力和扭矩；隔框用來保持機身的外形和承受局部空氣動力，此外，還要承受各部件傳來的集中載荷，並將這些載荷分散地傳給蒙皮。

(1)桁梁式機身

桁梁式機身結構特點是有幾根桁梁，桁梁的截面積很大。在這類機身結構上長桁的數量較少而且較弱，甚至長桁可以不連續，蒙皮較薄。這種結構的機身，由彎曲引起的拉、壓軸向力主要由桁梁承受，蒙皮和長桁承受很小部分的軸向力。剪力則全部由蒙皮承受。普通框的作用是維持機身外形，支持縱向構件，加強框除維持外形外，主要承受集中載荷，如機翼、尾翼和機身連線的接頭等都安排有加強框。

從桁梁式機身的受力特點可以看出，在桁梁之間布置大開口不會顯著降低機身的抗彎強度和剛度。雖然因大開口會減小結構的抗剪強度和剛度而必須補強，但相對桁條式和硬殼式結構的機身來說，同樣的開口，桁梁式的機身補強引起的重量增加較少。因此這種形式的機身便於開較大的艙口。

(2) 桁條式機身

桁條式機身的桁條和蒙皮較強，受壓穩定性好，彎矩引起的軸向力全部由上、下部的蒙皮和桁條組成的壁板受拉、受壓來承受。由於蒙皮加厚，改變了機身的空氣動力性能，增大了機身結構的抗扭剛度，所以與桁梁式機身相比，它更適用於較高速飛機。此外，桁條式機身的蒙皮和桁條。在結構受力中能夠得到充分利用。但是，這種機身由於沒有強有力的大梁，不宜開大的艙口，如果要開口，必須在開口部位用專門構件加強。桁條式機身各構件受力比較均勻，傳遞載荷時必須採取分散傳遞的方法，因而機身各段之間都用很多接頭來連線。

機身的外形

機身的外形和發動機的類型、數目及安裝位置有關。例如活塞發動機螺旋槳式飛機的機身，就與噴氣式發動機飛機的機身有所不同。

從機身外形來看，不外乎側面形狀和剖面形狀兩種。側面形狀一般為拉長的流線體。現代飛機的側面形狀受到駕駛艙的很大影響。有的駕駛艙平滑地露於氣流之中，有的則埋藏在機身之內，前者多用於中小型飛機，後者多用於大型飛機。

現代超音速戰鬥機根據跨音速飛行的阻力特點，首先採用了跨音速面積律，即安裝機翼部位的機身截面適當縮小，形成蜂腰機身；其次它的機頭往往做得很尖，或者在頭部用空速管作為激波桿，遠遠地伸出在迎面氣流之中。這也有助於削弱激波的強度，減小波阻；第三是隨著速度的不斷增長，飛機機身的“長細比”不斷增大，即用細而長的旋轉體作機身。現代超音速飛機機身的長細比已超過10。所謂長細比即是機身長度與機身剖面的最大直徑的比值，這一比值越大，則機身越細越長。而且隨著速度的提高，飛機機身相對於機翼尺寸也越來越大。

還有些超音速飛機為了減小阻力，儘量將駕駛艙埋藏於機身外形輪廓線之內。這樣就使得飛機在著陸時座艙視界大大惡化。為了改善這種情況，就將機頭做成活動的，著陸時可以下垂。例如“協和”號超音速旅客機機頭就可下垂17.5度。其機頭可有三種狀態。超音速飛行時，機頭呈流線型；亞音速飛行時，檔整流罩放下，以擴大駕駛員的視界；進場和著陸時則全部下垂，駕駛員視界就更擴大了。

常用的機身剖面形狀有圓、橢圓、方、梯形等，這些形狀適用於不同用途及速度範圍的飛機。例如低速飛機可用方形，而具有氣密座艙的高亞音速大型客機，則多用圓形或橢圓形。噴氣式戰鬥機一般採用不規則的形狀。

隨著現代航空技術的進步，新的飛行動力理論的套用，飛機機身的外形也呈現千姿百態，變化多端，如隱身戰鬥機所使用的機翼和機身融為一體的翼身融合體；除去機身和尾翼的飛翼；除去機翼的升力體機身；以汽車作為機身的汽車飛機等等。