飛機氣動構型

飛機氣動構型即飛機氣動布局，是指為滿足飛機的戰術技術要求，對該飛機的機翼、機身、尾翼、發動機及其進氣道等的外形、尺寸和部位作出的安排。目的是利用空氣動力學原理，選擇各種氣動措施的最佳組合，使飛機具有所要求的氣動性能。

基本介紹

• 中文名：飛機氣動構型
• 外文名：Aircraft Aerodynamic layout
• 別稱：飛機氣動布局
• 設計原理：空氣動力學原理
• 定義：飛機各部件的外形、位置的組合
• 目的：為滿足飛機的戰術技術要求

簡介

飛機氣動布局設計不僅限于飛機氣動外形的設計，還包括各種氣動參數的選擇，以及一些與氣動特性有關的綜合設計。飛機氣動布局設計就是飛機空氣動力的總體設計。

圖1.結構重量和氣動布局的關係

在機翼設計中，機翼面積是一個需要優選的參數。由於氣動特性的不同，各種氣動布局形式不同或不同機翼平面形狀需要的機翼面積也不同，而尾翼的面積與機翼面積又有一定的關係，因此機翼面積(翼載)及其形狀選擇是飛機氣動布局設計中需要同時確定的一個參數。

發動機類型和發動機循環參數的選擇一般是概念設計研究的內容。在方案設計階段主要確定發動機推力大小(但可能包括加力比或其他發動機循環參數的細調)，也就是確定飛機的推重比，由於各種布局方案的不同氣動特性和對飛機重量的不同影響，在飛機氣動布局設計中，推重比也是一個需要同時進行最佳化的參數。

實際上，在飛機氣動布局設計中雖然考慮的出發點是空氣動力，但必須同時考慮對重量的影響，這種影響來自兩個方面，氣動效率和燃油需要量，以及不同布局參數影響結構重量，而結構重量對性能的影響反過來又影響氣動布局的選擇。其關係如圖1所示。

飛機氣動布局形式

根據各輔助翼面與機翼相對位置及輔助面的多少，有以下幾種氣動布局形式：

圖2.邊條翼氣動布局典型機種

（1）正常式布局，水平尾翼在機翼之後；

（2）鴨式布局，水平前翼在機翼的前面；

（3）無尾或“飛翼”，飛機只有一對機翼；

（4）三翼面布局，機翼前面有水平前翼，機翼後面有水平尾翼。

其共同特點是對不同的升力值都能進行配平，在給定某一升力值時都能保持安定的運動。

正常式布局

多數戰鬥機都採用正常式布局。現代戰鬥機更強調中、低空機動性，要求飛機具有良好的大迎角特性。在20世紀70年代發展了邊條機翼，在中到大迎角範圍邊條產生的脫體渦除本身具有高的渦升力增量外，還控制和改善了基本翼的外翼分離流動，從而提高了基本翼對升力的貢獻。邊條翼在大迎角時使升力增加，誘導阻力減小，跨音速時延緩波阻的增加，減小超聲速的波阻(相對厚度減小)，但易使俯仰力矩發生上仰。隨著主動控制技術的發展，採用放寬靜安定度設計很容易解決縱向力矩局部不安定問題。由於邊條翼所具有的優點，許多第三代戰鬥機，如F-16、F/A-18、米格-29、蘇-27皆採用正常式邊條翼布局，其機動性能尤為突出，圖2給出了該四種飛機的三面圖。美國第四代戰鬥機F-22A也採用了正常式布局，如圖3所示。

圖3.第四代戰鬥機F-22A

鴨式布局

隨著主動控制技術的發展，電傳操縱技術的成熟，把前翼設計得比較大(相對面積8%~15%)並靠近機翼構成所謂近耦合鴨式布局已成為現實。在中、大迎角時，前翼和機翼前緣同時產生脫體渦，兩者相互干擾，使渦系更穩定而產生很高的渦升力。它與邊條翼不同之處在於其主翼(基本翼後掠角也大)也產生脫體渦，兩個脫體渦產生強有利干擾，屬於脫體渦流型；而邊條翼僅邊條產生脫體渦，基本翼仍是分離流，屬於混合流型。由於其大迎角特性優越，也是一種具有高機動性能的氣動布局形式，典型代表機種為瑞典的JAS-39、法國的“陣風”、歐洲四國的EF-2000(如圖4所示)。

鴨式布局的難點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，產生的大升力在重心之前，俯仰力矩在大迎角時上仰嚴重，由於無平尾，如何保證在大迎角具有足夠的低頭操縱力矩成為難題，有時在後機身加邊條(如X-29)或限制放寬靜安定余度；當推力矢量技術成熟後，該問題容易解決了。俄羅斯的第五代戰鬥機米格I·42即是鴨式布局(如圖5所示)。

圖5.米格 I 42戰鬥機

無尾飛機

由於無尾飛機沒有前翼和平尾，其飛機的縱向操縱和配平僅靠機翼後緣的升降舵來實現，其一尾臂較短，效率不高；其二在飛機起降時，增加升力需下偏較大角度，由此帶來低頭力矩，為配平又需上偏，造成操縱困難和配平阻力增加，因而限制了飛機的氣動性能，現代飛機比較少用，僅有法國的幻影Ⅲ及SR-71為無尾飛機，其優點是超聲速阻力小。有了電傳操縱系統後，可放寬靜安定度，縱向操縱及配平問題得以解決，但大迎角氣動特性不好，因此，一般第三代高機動戰鬥機都不採用，僅幻影2000和隱身轟炸機B-2採用了飛翼形式，現在進一步發展無立尾的飛機如美國的試驗機X-36(如圖6所示)。

圖6.無尾飛機機種

三翼面布局

三翼面布局是在正常式布局的基礎上增加一個水平前翼而構成(即前翼+機翼+平尾)，因此，它綜合了正常式和鴨式布局的優點，經過仔細設計，有可能得到更好的氣動特性，特別是操縱和配平特性。F-15加前翼構成三翼面布局(AFTI-15布局)，其機動性改善是明顯的，如圖7所示；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，其機動性得到更大提高，主要得益於升力的增加(如圖8所示)。

圖7.F-15 三翼面布局及其性能收益

在正常式布局的機翼前面加一個前翼，使氣動載荷分配更合理，從而可以減輕機翼上的載荷，減少結構重量。此外，增加一個前翼操縱自由度，它與機翼的前、後緣襟翼及水平尾翼結合在一起可進行直接控制及保證大迎角有足夠的低頭恢復力矩，改善大迎角特性，提高最大升力；其缺點是因加前翼而使零升阻力和重量稍增加。

圖8.三翼面布局典型機種

綜上所述，各種布局形式特點不同，選擇氣動布局形式是一個綜合、折衷的過程。對於現代高性能戰鬥機的設計，除要在亞、超聲速及大、小迎角全包線範圍內都具有滿意的氣動特性外，還要考慮隱身性能對外形的要求；而隱身與氣動力對外形的要求有些是矛盾的，因此如何綜合、最佳化氣動力與隱身性能就更是總體布置和設計的一個主要任務。