機(jī)翼是如何設(shè)計(jì)的?
? ? 一、設(shè)計(jì)要求
機(jī)翼是飛機(jī)產(chǎn)生升力的主要部件,同時(shí)也產(chǎn)生阻力。對(duì)于一般飛機(jī),機(jī)翼的阻力占全機(jī)零升阻力的1/3左右,而誘導(dǎo)阻力幾乎全由機(jī)翼產(chǎn)生,所以它對(duì)飛機(jī)的性能和飛行品質(zhì)有著重要的影響。機(jī)翼設(shè)計(jì),首先必須滿(mǎn)足飛機(jī)設(shè)計(jì)要求中的飛行技術(shù)性能要求,它是機(jī)翼設(shè)計(jì)的主要技術(shù)依據(jù)。對(duì)機(jī)翼設(shè)計(jì)在氣動(dòng)性能方面的要求是:
?、僭谄痫w、著陸和空中機(jī)動(dòng)狀態(tài)下盡可能有大的升力及高的升阻比;
?、谠谘埠綘顟B(tài)和大速度下有盡可能小的氣動(dòng)阻力;
?、墼谌w行包線(xiàn)內(nèi)具有良好的操穩(wěn)特性,特別是在低速時(shí)要有線(xiàn)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(dòng)性能要求外,還要滿(mǎn)足強(qiáng)度和氣動(dòng)彈性要求,使機(jī)翼具有足夠結(jié)構(gòu)剛度和較輕的結(jié)構(gòu)重量和較大的臨界顫振速度。同時(shí)要具有一定容積率儲(chǔ)存燃油,滿(mǎn)足外掛物的安裝和投放時(shí)的穩(wěn)定性,還要有一定的重心移動(dòng)范圍以及隱身性要求。
在討論機(jī)翼的時(shí)候經(jīng)常使用一條被稱(chēng)為弦線(xiàn)的參考線(xiàn),是一條過(guò)剖面圖中兩個(gè)端點(diǎn)前緣和后緣的直線(xiàn)。弦線(xiàn)到機(jī)翼上、下表面的距離表示上、下表面任意點(diǎn)的拱形程度。另一條參考線(xiàn)是從前緣到后緣的,叫“平均彎度線(xiàn)”,意思是這條線(xiàn)到上、下表面輪廓是等距離的。
機(jī)翼的形狀是利用空氣對(duì)某些物理定律的響應(yīng)來(lái)構(gòu)造的。它從空氣獲得兩種作用力:一種是從機(jī)翼下方空氣產(chǎn)生的正壓升力;另一種是從機(jī)翼上方空氣產(chǎn)生的反向壓力。
當(dāng)機(jī)翼和其運(yùn)動(dòng)方向成一個(gè)小角度傾斜時(shí),氣流沖擊相對(duì)較平的機(jī)翼下表面,空氣被迫向下推動(dòng),所以導(dǎo)致了一個(gè)向上作用的升力,而同時(shí)沖擊機(jī)翼前緣上曲面部分的氣流斜向上運(yùn)動(dòng)。也就是說(shuō),機(jī)翼導(dǎo)致作用于空氣的力,迫使空氣向下,同時(shí)也就提供了來(lái)自空氣的相等的反作用力,迫使機(jī)翼向上。如果構(gòu)造機(jī)翼的形狀能夠?qū)е律Υ笥陲w機(jī)的重量,飛機(jī)就可以飛起來(lái)。
如果所有需要的力僅僅來(lái)自于機(jī)翼下表面導(dǎo)致的空氣偏流,那么飛機(jī)就只需要一個(gè)類(lèi)似風(fēng)箏的平的機(jī)翼。然而,給機(jī)翼上表面產(chǎn)生的力和下表面產(chǎn)生的力指定一個(gè)具體的百分比既不精確,也沒(méi)用處。這些(來(lái)自上、下表面的力以及它們的比例)都不是恒定值。它們的變化不僅取決于飛行條件,還和不同的機(jī)翼設(shè)計(jì)有關(guān)。
不同的機(jī)翼有不同的飛行特性。在風(fēng)洞和實(shí)際飛行中測(cè)試了成千上萬(wàn)種機(jī)翼,但是沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一種機(jī)翼能夠滿(mǎn)足每一項(xiàng)飛行要求。每種飛機(jī)的重量、速度和用途決定了機(jī)翼的外形。
產(chǎn)生最大升力的最有效率的機(jī)翼是一種有凹陷的下表面的勺狀機(jī)翼。作為一種固定的設(shè)計(jì),這種類(lèi)型的機(jī)翼在產(chǎn)生升力的時(shí)候犧牲了太多的速度,因此不適合于高速飛行。通過(guò)工程上巨大的進(jìn)步,今天的高速?lài)姎鈾C(jī)又開(kāi)始利用勺狀機(jī)翼的高升力特性這個(gè)優(yōu)勢(shì)。前緣襟翼和后緣襟翼從基本機(jī)翼結(jié)構(gòu)向外延伸時(shí),直接把機(jī)翼的外形變化為經(jīng)典的勺狀形態(tài),這樣就能夠在慢速飛行條件下產(chǎn)生大得多的升力。
另一方面,特別流線(xiàn)型的機(jī)翼風(fēng)阻力很小,有時(shí)不能產(chǎn)生足夠的升力讓飛機(jī)離地。這樣,現(xiàn)代飛機(jī)機(jī)翼在設(shè)計(jì)上采取極端之間的中庸,外形根據(jù)飛機(jī)的設(shè)計(jì)需要而變化。
二、設(shè)計(jì)內(nèi)容
可以在下述4個(gè)方面確定主要的機(jī)翼設(shè)計(jì)參數(shù):性能要求、飛行品質(zhì)、結(jié)構(gòu)框架、內(nèi)部容積。
1.性能要求
在概念設(shè)計(jì)階段必須考慮飛機(jī)性能要求。機(jī)翼的尺寸必須滿(mǎn)足指令性(適航性)要求,并且必須對(duì)設(shè)計(jì)(技術(shù)指標(biāo))要求進(jìn)行估算。在適航性要求中規(guī)定了一定的爬升率和使用速度。沒(méi)計(jì)要求也規(guī)定了場(chǎng)長(zhǎng)和巡航速度。
2.飛行品質(zhì)
保證飛機(jī)有可接受的飛行操縱品質(zhì),將影響到機(jī)翼幾何參數(shù)的選擇(如機(jī)翼的平面形狀將影響低速時(shí)飛機(jī)失速和過(guò)失速特性)。設(shè)計(jì)要求將規(guī)定場(chǎng)長(zhǎng)和巡航速度。在高速飛行時(shí),氣動(dòng)彈性和氣動(dòng)力抖振也是一個(gè)考慮的準(zhǔn)則。飛行器的操縱將受機(jī)翼的突風(fēng)響應(yīng)的影響,但這可以用同機(jī)翼操縱面結(jié)合的自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)來(lái)緩和。對(duì)于操縱性和穩(wěn)定性來(lái)說(shuō),荷蘭滾和橫向響應(yīng)將是重要的參數(shù)。而飛機(jī)自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)可以給這些品質(zhì)以有利的影響。預(yù)測(cè)機(jī)翼平面形狀對(duì)飛行品質(zhì)的影響是困難的,以至于常常用“修整”來(lái)改正內(nèi)在的缺陷。
3.結(jié)構(gòu)框架
對(duì)結(jié)構(gòu)考慮的主要準(zhǔn)則是安全和最小的重量。機(jī)翼結(jié)構(gòu)框架必須支撐所有的非機(jī)翼部件(如發(fā)動(dòng)機(jī)、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(jī)翼必須易于制造,并在其使用壽命期內(nèi)維護(hù)方便。
? ? ? ?4.內(nèi)部容積
機(jī)翼內(nèi)部容積應(yīng)能裝進(jìn)所要求的燃油(在不同的油箱內(nèi))、起落架(如果收進(jìn)機(jī)翼型面內(nèi))和高升力裝置及其他控制部件。
