北航大飛機(jī)班

1、夬京航寶航夭大擘BEIHANG UNIVERSITY大飛機(jī)班大型客機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)課論文2013/12/271,大型客機(jī)概述1.1大型客機(jī)概念大型客機(jī)項(xiàng)目是一個(gè)國(guó)家工業(yè)、科技水平和綜合實(shí)力的集中體現(xiàn)，對(duì)增強(qiáng)中 國(guó)的綜合國(guó)力、科技實(shí)力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，使中國(guó)早日實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化具有極為重要的 意義。大飛機(jī)一般是指起飛總重超過(guò)100噸的運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)，包括軍用大型運(yùn)輸機(jī) 和民用大型運(yùn)輸機(jī)，也包括一次航程達(dá)到3000公里的軍用或乘坐達(dá)到100座以 上的民用客機(jī)。從地域上講，我國(guó)把150座以上的客機(jī)稱(chēng)為大客機(jī)，而國(guó)際航 運(yùn)體系習(xí)慣上把300座位以上的客機(jī)稱(chēng)作“大型客機(jī)”，這主要由各國(guó)的航空工業(yè) 技術(shù)水平?jīng)Q定的。具體載客

2、量要看機(jī)型和艙內(nèi)布局。最大的客機(jī)A380如果全經(jīng) 濟(jì)布局的話(huà)可以載800多個(gè)人。1.2大型客機(jī)研制較軍機(jī)而言，民機(jī)有許多不同之處。主要來(lái)講，民機(jī)研制流程可以從時(shí)間角 度劃分為前期論證、型號(hào)研發(fā)、產(chǎn)品支援及客戶(hù)服務(wù)三大階段：1）前期論證階段：這一階段的主要工作任務(wù)是形成產(chǎn)品設(shè)想和立項(xiàng)，一個(gè) 標(biāo)志性里程碑是：長(zhǎng)周期及通用技術(shù)準(zhǔn)備工作正式啟動(dòng)。2）型號(hào)研發(fā)之可行性論證階段：這一階段的主要工作任務(wù)是定義滿(mǎn)足市場(chǎng) 需求的產(chǎn)品方位和層次。初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段：這一階段的主要工作任務(wù)是 定義滿(mǎn)足市場(chǎng)需求的具體產(chǎn)品。產(chǎn)品研制階段：這一階段的主要工作任務(wù)是形成 滿(mǎn)足市場(chǎng)需求的合法的產(chǎn)品和服務(wù)。3）產(chǎn)品支援及客

3、戶(hù)服務(wù)階段。1.3國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)研制意義中國(guó)雖然在民用飛機(jī)制造方面擁有一定經(jīng)驗(yàn)，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在較大 差距，難以滿(mǎn)足我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和快速增長(zhǎng)的民用航空市場(chǎng)的需求。未來(lái)2 0 年，是中國(guó)民用航空工業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略機(jī)遇期。中國(guó)實(shí)施大型客機(jī)項(xiàng)目具有以 下六大重要意義：1）大型客機(jī)項(xiàng)目是一個(gè)國(guó)家工業(yè)、科技水平和綜合實(shí)力的集中體現(xiàn)，對(duì)增 強(qiáng)中國(guó)的綜合國(guó)力、科技實(shí)力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，使中國(guó)早日實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化具有極為重 要的意義。2）航空工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)、輻射面寬、連帶效應(yīng)強(qiáng)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科學(xué)技 術(shù)進(jìn)步中發(fā)揮著重要作用。大型客機(jī)是現(xiàn)代制造業(yè)的一顆明珠，是現(xiàn)代高新科技 的高度集成。發(fā)展大型客機(jī)，能夠帶動(dòng)新材料、現(xiàn)

4、代制造、先進(jìn)動(dòng)力、電子信息、自 動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的群體突破；能夠拉動(dòng)眾多高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展；還 將帶動(dòng)流體力學(xué)、固體力學(xué)等諸多基礎(chǔ)學(xué)科的重大進(jìn)展，將會(huì)全面地、大幅度地 提高中國(guó)科學(xué)技術(shù)水平。發(fā)展大型客機(jī)，將更好地滿(mǎn)足我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民出行需要，也必將成 為一個(gè)潛力無(wú)限的新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。研制具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的大型客機(jī)，不僅可以為航空工業(yè)的發(fā)展提供突破 口和新的增長(zhǎng)點(diǎn)，還有利于提高中國(guó)航空工業(yè)的制造能力和管理水平，最終形成 強(qiáng)大的航空工業(yè)。中國(guó)擁有13億人口，改革開(kāi)放以來(lái)綜合國(guó)力和國(guó)際地位日益提高，應(yīng) 該擁有自己的大飛機(jī)，這樣才與我國(guó)社會(huì)主義大國(guó)的地位相稱(chēng)。，2,大型客機(jī)氣動(dòng)布局簡(jiǎn)介2.1飛

5、機(jī)氣動(dòng)布局飛機(jī)的氣動(dòng)布局是指飛機(jī)不同氣動(dòng)承力面的安排形式。機(jī)翼是飛機(jī)的主要?dú)?動(dòng)承力面，由平尾和立尾組成的尾翼是飛機(jī)的輔助氣動(dòng)承力面。簡(jiǎn)單地說(shuō)，飛機(jī) 機(jī)翼和尾翼的不同安排就構(gòu)成了飛機(jī)的氣動(dòng)布局。傳統(tǒng)飛機(jī)的氣動(dòng)布局有以下幾 種形式。正常式布局：水平尾翼位于機(jī)翼之后的布局形式，是現(xiàn)代飛機(jī)采用最 多的布局，積累的知識(shí)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)最為豐富。飛機(jī)正常飛行時(shí)，正常式布局的水 平尾翼一般提供向下的負(fù)升力，保證飛機(jī)各部分的合力矩平衡，保持飛機(jī)的靜穩(wěn) 定性?，F(xiàn)代大型客機(jī)全部采用這種布局形式，如1957年首飛的波音707客機(jī)和 1991年首飛的空客公司A340客機(jī)氣動(dòng)外形比較，它們幾乎沒(méi)多大區(qū)別，最新型 的波音78

6、7和空客A350也采用類(lèi)似布局。鴨式布局：水平尾翼位于機(jī)翼之前的布局形式。鴨式布局是飛機(jī)最早 采用的布局形式，萊特兄弟設(shè)計(jì)的飛機(jī)就是鴨式布局，由于鴨翼提供的不穩(wěn)定俯 仰力矩造成鴨式飛機(jī)發(fā)展緩慢。隨著主動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，鴨式布局技術(shù)日趨成 熟，這種布局升力效率高，難點(diǎn)是鴨翼位置的選擇和大迎角時(shí)俯仰力矩上仰的問(wèn) 題。無(wú)尾式布局：只有機(jī)翼、無(wú)平尾、有立(垂)尾的布局形式，一般采用 大后掠的三角機(jī)翼，用機(jī)翼后緣的襟副翼作為縱向配平的操作面。配平時(shí)，襟副 翼的升力方向向下，引起升力損失，同時(shí)力臂較短，效率不高。為解決操縱困難 和配平阻力大的問(wèn)題，無(wú)尾式布局的飛機(jī)通常采用機(jī)翼扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)。這種布局的優(yōu) 點(diǎn)是結(jié)

7、構(gòu)重量較輕、氣動(dòng)阻力較小。近年來(lái)，在上述3種典型布局的基礎(chǔ)上，又 發(fā)展了飛翼和三翼面布局形式。（4）飛翼和三翼面布局：飛翼飛機(jī)只有機(jī)翼、沒(méi)有平尾和立尾，一般采用翼 身一體化設(shè)計(jì)，也沒(méi)有明顯的機(jī)身，通常在飛翼后緣裝襟副翼、升降舵、阻力方 向舵等多個(gè)舵面來(lái)控制飛機(jī)的飛行，具有氣動(dòng)效率高、升阻比大等優(yōu)點(diǎn)。三翼面 布局飛機(jī)機(jī)翼前面有前翼，后面有平尾，綜合了正常式布局和鴨式布局的特點(diǎn)， 操縱和配平特性好，允許有更大的重心移動(dòng)范圍，不足之處是飛機(jī)的總重有所增 加。2.2大型客機(jī)氣動(dòng)布局客機(jī)的氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上是飛機(jī)空氣動(dòng)力的總體設(shè)計(jì)，其科學(xué)依據(jù)主要是 空氣動(dòng)力學(xué)，這自然是飛機(jī)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，對(duì)于實(shí)現(xiàn)客機(jī)的

8、設(shè)計(jì)目標(biāo)起著關(guān)鍵 作用，但只通過(guò)氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)是遠(yuǎn)不能解決所有問(wèn)題的，需要有先進(jìn)推進(jìn)、材料、 工藝等技術(shù)的支撐。發(fā)動(dòng)機(jī)是未來(lái)客機(jī)的關(guān)鍵，發(fā)動(dòng)機(jī)效率的提高直接帶來(lái)油耗、 廢氣排放、噪聲方面的收益；輕質(zhì)高效新材料的使用可減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量，降低 客機(jī)巡航飛行時(shí)的需用推力；新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝可減少飛機(jī)結(jié)構(gòu)零件和連 接、緊固件數(shù)量，除降低結(jié)構(gòu)重量外，還可極大改善飛機(jī)的可維護(hù)性?？墒辗攀狡鹇浼芫さ鯐r(shí)告渦卓歸機(jī)單通道.較寬皿身-雙發(fā)中垃建常規(guī)茍屈1正常式布局現(xiàn)役大型客機(jī)以及幾乎全部支線(xiàn)客機(jī)都采用正常式布局，自然想到在現(xiàn)有先 進(jìn)客機(jī)上改進(jìn)設(shè)計(jì)能否滿(mǎn)足未來(lái)25年左右的設(shè)計(jì)要求。按照NASA的設(shè)計(jì)目標(biāo)， 波音公

9、司領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)以波音737為原準(zhǔn)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，正常布局的原準(zhǔn)飛機(jī) 使用超臨界翼型，巡航升阻比18.2。在原準(zhǔn)設(shè)計(jì)上綜合使用自然和主動(dòng)層流控 制、機(jī)身使用脊?fàn)畋砻鏈p阻、尾翼放寬靜穩(wěn)定性和增加最大升力系數(shù)、使用多功 能結(jié)構(gòu)/減少緊固件/減少襟翼整流罩等技術(shù)降低雜項(xiàng)阻力，巡航升阻比增加到 20.9，但巡航馬赫數(shù)M a降低了 6%，為0.74，在此基礎(chǔ)上綜合使用先進(jìn)復(fù)合 材料結(jié)構(gòu)、高涵道比低排放渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、輕質(zhì)涂層和艙內(nèi)設(shè)施輕質(zhì)化等技術(shù)得到 飛機(jī)精細(xì)設(shè)計(jì)方案，使飛機(jī)油耗降低44%、噪聲降16dB、氮氧化物排放減少58%， 降低油耗的實(shí)質(zhì)是減小飛機(jī)阻力，波音團(tuán)隊(duì)采用大展弦比機(jī)翼來(lái)提高正常式布局 飛機(jī)的氣

10、動(dòng)效率，得到了支撐式上單翼方案。該設(shè)計(jì)方案繼續(xù)使用層流控制、機(jī) 身和機(jī)翼湍流部分的脊?fàn)畋砻?、先進(jìn)超臨界翼型、低干涉發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙和低阻支撐 等技術(shù)，使Ma 0.74下巡航升阻比達(dá)到25.97,配裝使用先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的非常 高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，可降低油耗46%、噪聲22dB、廢氣排放72%。但由于翼展 過(guò)長(zhǎng)，考慮機(jī)場(chǎng)適應(yīng)性和減重使用了斜支撐和機(jī)翼折疊，帶來(lái)折疊機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性 和整個(gè)機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量的不確定性。諾斯羅普-格魯門(mén)公司領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)以波音737-500為參照，開(kāi)展了一系列 研究工作。在氣動(dòng)布局形式選擇方面，該團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)若干布局上的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，最后 的首選方案回到了正常式布局。該方案主要使用層流控制、起落

11、架整流罩（也有 降噪功能）等氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)。與波音737-500相比，機(jī)翼后掠角加大1、展弦 比增加61%、翼載荷減少29%，巡航升阻比接近20，但巡航高度增加到13700m。 由于羅-羅公司是團(tuán)隊(duì)成員，該方案重點(diǎn)使用了三轉(zhuǎn)子超高涵道比（18）渦扇 發(fā)動(dòng)機(jī)以及后掠風(fēng)扇葉片、壓氣機(jī)流動(dòng)控制、形狀記憶合金噴口等相關(guān)先進(jìn)技術(shù)。 此外，該方案使用了大型一體化編織和縫合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、超高性能纖維、主動(dòng) 氣彈控制、進(jìn)氣道隔聲襯套、碳納米管電纜等先進(jìn)技術(shù)，達(dá)到了降低噪聲69.6dB、 油耗63.5%、廢氣排放90.6%的性能指標(biāo)，同時(shí)可使用1500m的備用機(jī)場(chǎng)跑道， 基本上達(dá)到了 NASA的設(shè)計(jì)目標(biāo)，不過(guò)該方

12、案中高性能發(fā)動(dòng)機(jī)是重點(diǎn)，飛機(jī)出廠 價(jià)格可能相當(dāng)昂貴。麻省理工學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)以波音737-800為基準(zhǔn)，開(kāi)展了正常式布局的創(chuàng) 新設(shè)計(jì)，氣動(dòng)布局主要特征為“雙氣泡”形寬體機(jī)身、帶自然層流控制的大展弦 比小后掠下單翼、雙立尾頂端的高平尾、具有附面層吸出功能帶隔聲襯套的后置 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，采用主動(dòng)載荷減緩和起落架整流等氣動(dòng)技術(shù)。此外，該方案使用3 臺(tái)涵道比20的發(fā)動(dòng)機(jī)、先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)減重設(shè)計(jì)、健康和飛行監(jiān)視等技術(shù)， 降低油耗70%、氮氧化物排放87%、噪聲60dB，可在1500m跑道起降，幾乎達(dá)到 了 NASA的設(shè)計(jì)目標(biāo)。該方案創(chuàng)新性強(qiáng)，較傳統(tǒng)正常式布局有獨(dú)到之處，但其高 涵道比要求發(fā)動(dòng)機(jī)有更小尺寸

13、和更高效率的核心機(jī)，可行性受到質(zhì)疑。2翼身融合布局高升阻比是翼身融合布局的最大優(yōu)勢(shì)，這是一種廣義的飛翼布局形式。隨著 NASA和波音公司X-48翼身融合試驗(yàn)無(wú)人機(jī)項(xiàng)目研究工作的開(kāi)展，翼身融合布局 受到了全球廣泛關(guān)注。按照NASA的N+3代客機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)，波音公司團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行 翼身融合布局方案設(shè)計(jì)。該方案主要采用機(jī)翼和垂尾的層流控制、機(jī)身和機(jī)翼湍 流部分的脊?fàn)畋砻?、降低雜項(xiàng)阻力和低干涉吊艙等氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)，Ma0.74巡航 馬赫數(shù)下的升阻比達(dá)到26.6，高于正常式布局方案，加之非常高涵道比渦扇發(fā) 動(dòng)機(jī)、先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料和工藝、噪聲屏蔽設(shè)計(jì)等技術(shù)的應(yīng)用，波音翼身融合布局方 案降低油耗43.3%、排放72%、

14、噪聲37dB。但該布局存在客艙容量小、應(yīng)急逃生 通道安排困難、滿(mǎn)足機(jī)場(chǎng)適用性采取的機(jī)翼折疊等問(wèn)題。麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)按照NASA設(shè)計(jì)目標(biāo)，以350座級(jí)的波音777-200加長(zhǎng)型 為參照，完成了翼身融合布局方案設(shè)計(jì)。該方案采用無(wú)立尾帶翼梢小翼的翼身融 合布局形式，氣動(dòng)上采用前緣帶彎度的升力體機(jī)身、無(wú)前緣縫翼和襟翼的機(jī)翼、 發(fā)動(dòng)機(jī)嵌入機(jī)身上表面后部以吸入機(jī)體部分40%弦長(zhǎng)的附面層并屏蔽發(fā)動(dòng)機(jī)噪 聲、帶整流罩的起落架等布局和技術(shù)方案，0.83馬赫數(shù)下的巡航升阻比達(dá)到 24.2。加之平齊安裝涵道比20的高性能渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，隔聲襯套、可變噴口面積、 推力矢量以及先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料和設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，使該方案降低油耗

15、54%、氮氧化 物排放81%、噪聲46dB。該方案的問(wèn)題仍然是小尺寸高效率發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)。3,我國(guó)客機(jī)氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)發(fā)展中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司的C919客機(jī)已完成氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)，采用正常式 布局，在翼型、翼梢、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、前機(jī)身等方面使用了先進(jìn)的空氣動(dòng)力和聲學(xué) 設(shè)計(jì)技術(shù)，氣動(dòng)性能指標(biāo)比現(xiàn)役同級(jí)別飛機(jī)有所提高。由以上討論可以看出，要 以現(xiàn)有成熟技術(shù)與未來(lái)可預(yù)知技術(shù)使大型客機(jī)同時(shí)滿(mǎn)足未來(lái)25年左右的設(shè)計(jì) 目標(biāo)是非常困難的，必須以發(fā)展、前瞻的眼光來(lái)看待未來(lái)客機(jī)的創(chuàng)新問(wèn)題，為提 高我國(guó)未來(lái)大型客機(jī)的設(shè)計(jì)水平及其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，在飛機(jī)氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)方面應(yīng)注 意以下工作：（1）加強(qiáng)對(duì)正常布局客機(jī)的挖潛研究、重點(diǎn)進(jìn)行后掠機(jī)翼的層流控制、先進(jìn)翼 型、穩(wěn)定環(huán)量控制等方面的深入研究，同時(shí)開(kāi)展分布式噴口和襟翼、可收放狹板 旋渦發(fā)生器、起落架整流、