飞行性能工程学(第二版)

第1章 飞机概述 人类对空中飞行的愿望自古就有，对飞行活动进行了数个世纪顽强不懈的探索。早期的飞行活动是以滑翔机或热气球的形式进行的。直到1903年12月17日，莱特兄弟在美国北卡罗米纳州的基蒂霍克，才实现了人类历史上**次带动力的、持续的、可控的飞行。 在大气层中进行飞行的飞行器称为航空器，航空器根据其任务和目的不同可分为若干种，如图1-1所示。其中飞机是由发动机驱动的，比空气重的固定翼航空器。飞机是目前*常用的航空器，广泛应用于军事活动和航空作业等方面。本章简单介绍飞机分类及其主要组成部分、操纵飞机的基本方法以及机翼的形状等内容。 图1-1 航空器的分类 1.1 飞机的分类 飞机依其分类依据不同，主要有以下几种不同的划分方法。 1．按飞机的用途划分 飞机按用途分为军用飞机和民用飞机两大类。军用飞机是直接参加战斗、保障战斗行动和军事训练的飞机的总称，是航空兵的主要技术装备，主要包括歼击机、轰炸机、歼击轰炸机、强击机、反潜巡逻机、武装直升机、侦察机、预警机、电子对抗飞机、炮兵侦察校射飞机、水上飞机、军用运输机、空中加油机和教练机等。民用飞机泛指一切非军事用途的飞机（如旅客机、货机、农业机、运动机，救护机以及试验研究机等）。 2．按发动机类型划分 飞机按发动机类型分为螺旋桨式飞机和喷气式飞机。螺旋桨式飞机包括活塞螺旋桨式飞机和涡轮螺旋桨式飞机。喷气式飞机包括涡轮喷气式飞机和涡轮风扇喷气式飞机，该类型的飞机结构简单，飞行速度快，节省燃料，装载量大。 3．按发动机数量划分 飞机按发动机数量分为单发飞机、双发飞机、三发飞机、四发飞机和多发飞机。 4．按飞行速度划分 飞机按飞行速度分为亚音速飞机和超音速飞机。亚音速飞机又分为低速飞机（飞行速度低于l00km/h）和高亚音速飞机（飞行马赫数为0. 8～0.9）。大多数民用客机为高亚音速飞机。 5．按飞机航程划分 飞机按航程分为近程飞机、中程飞机和远程飞机。近程飞机的航程一般小于1000km，主要用于支线，因此，又称为支线飞机。中程飞机的航程为3000km左右。远程飞机的航程为11000km左右，可以完成中途不着陆的洲际跨洋飞行。中、远程飞机一般用于国内干线和国际航线，又称干线飞机。 图1-2为飞机按发动机类型、飞行速度和航程进行分类时的划分方法。此外，飞机还可按机翼数量分为单翼机、双翼机和多翼机；按机翼的形状分为平直翼飞机、后掠翼飞机和三角翼飞机等；按飞机客座数分为大型飞机、中型飞机和小型飞机。 图1-2飞机的分类 1.2 飞机的主要组成 自世界上出现飞机以来，飞机的结构形式虽然在不断改进，飞机类型不断增多，但到目前为止，除了少数特殊的机型，大多数飞机都是由机身、机翼、尾翼、起落装置和动力装置五个主要部分组成的。它们各有其独*的功用，民用客机的主要组成部分如图1-3所示。 1.2.1 机身 机身包含驾驶舱(cockpit)和客舱(fuselage)，主要功用是装载乘员、旅客、武器、货物和各种设备；还可将飞机的其他部件如尾翼、机翼及发动机等连接成一个整体。机身中有供乘客使用的座位和飞机的控制装置。另外，机身也提供货舱和其他主要飞机部件的挂载点。一些飞行器使用开放的桁架结构。桁架型机身用钢或铝质管子构造。通过把这些管子焊接成一系列三角形来获得强度和刚性，成为桁架结构。图1-4所示为华伦桁架。 较小型飞机的机身内部通常是和外界连通的，机舱内外气压相等，大型飞机的机身大多是增压座舱，增压座舱内的气压由飞机环境控制系统控制，使之高于环境气压并根据飞行高垂直杆一度自动调节，以保证乘员在高空飞行时具有舒适的环境和工作条件。 图1-3 民用客机的主要组成部分 图1-4 华伦桁架 1.2.2 机翼 机翼的主要功用是产生升力，以支持飞机在空中飞行。升力产生的效率是机翼设计时需主要考虑的问题。安装有一副机翼的飞机称为单翼机，两副机翼的飞机称为双翼机。历史上曾流行过双翼机，甚至还出现过多翼机，但现在飞机一般都是单翼机。 机翼在飞机的稳定和操纵方面起着重要的作用。机翼上安装的可操纵翼面主要有副翼( ailerons)和襟翼(flaps)，如图1 5所示。襟翼一般在机翼的后沿内侧，两边的偏转方向楣同，放下襟翼能使机翼升力增大，可用于飞机起飞着陆时降低起降速度；副翼一般在机翼的后沿外侧，两边副翼偏转方向相反，当它偏转时两翼的升力大小不同，可使飞机滚转，副翼又可分为内侧副翼和外侧副翼，外侧副翼主要用于飞机低速飞行。大型飞机还普遍使用减速板或扰流板，用于飞机空中机动和地面滑跑减速，有些飞机上还安装缝翼(slats)、翼刀和翼尖小翼。 另外，机翼上还可安装发动机、起落架和油箱等。 图1 5 机翼组成部分 1. 机翼的剖面形状 机翼横切面的轮廓称为机翼的剖面形状（简称翼剖面）（图1-6）。通常飞机的机翼都 是左右对称安装的，也就是关于某一平面是对称的，把该平面称为飞机的对称面，翼剖面就是平行于该对称面的剖面形状。 图1-6 翼剖面示意图 *早的飞机，机翼就是一块平板，模仿风筝在骨架上缝张蒙布，翼剖面就是一个平板剖面。这种机翼升力很小，后来为了增加升力，将翼剖面做成像鸟翼那样的弯拱形状——薄的单凸翼剖面，因此出现了弯弓形翼剖面的机翼，对升力特性有所改进。随着飞行速度的进一步提高，阻力比较大的弓形翼剖面又不适用了。20世纪初，经典流体动力学的方法已经可以成功地用于翼型，并且可以对某些简单翼型外形的升力特性进行数学计算。但是直到1907年俄国空气动力学家儒町夫斯基的机翼理论出来以后，才明确翼剖面应该有个圆头以及上下表面，在之后就出现了平凸形、双凸形、对称形、层流形、菱形、圆弧形等翼剖面，如图1-7历示。 (a)平板形 (e)对称形 (b)弯弓形 (f)层流形 (c)平凸形 (g)菱形 图1-7 各种翼剖面 平凸形和双凸形翼剖面的升力和阻力特性都较好，而且对结构布置和减轻重量也有利，是现代低速飞机广泛采用的翼剖面。 对称形翼剖面，前缘比较尖，*大厚度位置靠后，临界马赫数较高，阻力小。这种翼剖面常用于各种飞机的尾翼上和某些高速飞机的机翼上。 层流形翼剖面是指所设计的翼剖面边界几乎保持层流，摩擦阻力小。这种翼剖面特点是前缘比较尖、*大厚度一般在50%～60%弦长位置、后缘角大、*低压力点尽可能位于翼剖面靠后的部分。这种翼剖面常用于速度较高的飞机上。 圆弧形和菱形翼剖面常用在超音速飞机上。这两种翼剖面前端很尖，而且很薄，超音速飞行时阻力小。但在低速飞行时，升力和阻力特性不好，使飞机的起落性能变差。 随着飞机的发展，翼剖面研究已成为飞机空气动力学研究的一个重要部分，世界上很多国家都设有专门的研究机构，至今已研制出了一系列适用于各种不同需要的翼剖面，这就为飞机的设计和制造开辟了更科学、更便捷的道路。 (1)翼弦。 通常翼剖面南前缘、后缘、上表面、下表面组成，如图1-8所示。其中翼剖面前后缘之间的连线称为翼弦(chord)或几何弦，其长度用c表示。 图1-8 翼剖面 各种翼剖面的形状特点，可以用相对厚度、*大厚度相对位置和中弧曲度等翼剖面参数来表明。 (2)相对厚度。 相对厚度(t) -翼剖面的*大厚度(t)(图1-9)与翼弦的比值，也称厚弦比。相对厚度一般用百分数表示为 图1-9 *大厚度 相对厚度可用来说明翼剖面相对厚薄的程度。如图1-10所示，翼剖面A和翼剖面C虽然翼弦一样长，但翼剖面A的*大厚度比翼剖面C的大，故翼剖面A的相对厚度大。翼剖面A和翼剖面B虽然*大厚度一样，但翼剖面B的翼弦比翼剖面A的长，故翼剖面B的相对厚度比翼剖面A的小。 现代飞机翼剖面的相对厚度为3%～14%，超音速飞机用相对厚度较小的薄翼。 图1-10 相对厚度不同的翼剖面 (3)*大厚度相对位置。 *大厚度相对位置(*)－*大厚度位置（翼剖面的*大厚度所在位置到前缘的距离，即图1-11中的X1）与翼弦的比值，通常以其百分数来表示，即 (1-2) 图1-11 *大厚度位置 *大厚度相对位置的大小，表明翼剖面*大厚度离前缘的远近，即表明翼剖面前部的弯曲程度。 现代飞机的翼剖面，其*大厚度相对位置为30%-50%，层流形翼剖面为50%～60%。 (4)相对弯度。 相对弯度（*）——从翼剖面的前缘到后缘，在上、下表面之问对翼弦作若干条垂