机翼外形初步设计

切翼的应用：Y-12
内翼后缘扩展
• 内翼后缘扩展定义
– 内翼后缘扩展（wing inboard trailing edge extensions）也称转折的 机翼后缘（cranked trailing edge），如图所示。
• 目的
– 增加根部弦长，便于起落架的布置。 – 可降低根部弦剖面升力系数，便于气动设计。
几种喷气支线客机的展弦比
飞机名称 乘客 （人） 70~85 66 ~78 70 70~85 70~79 机翼展长 （米） 26.3 23.3 26.0 26.6 28.7 机翼面积 （米2） 77.3 68.7 72.8 75.0 93.5 展弦比
阿夫罗RJ70（英） CRJ700ER（加） ERJ170LR（巴） 728JET（美） 福克70（荷）
BAE-146：T平尾和上单 翼布局，有负的上反角
翼梢形状的设计
翼梢（wing tip）形状会影响翼梢处的气流旋涡效应。
各种各样的翼梢形状
• 翼梢小翼的应用：双发喷气式公务机
• 翼梢小翼的应用：A-330
• 采用翼梢小翼的效果
对翼梢处的旋涡进行遮挡 翼梢小翼设计成有弯度，翼梢涡在小翼产生升力，这 个升力方向向前，可减小总阻力。 Y7-100， MD-82等许多飞机均应用了 翼尖小翼实验验证结果（Starship-3) 阻力 重量 航程 燃油 巡航状态，减小3.1% 巡航时重量，增加0.5% 增加117海里，增加3.3% 可减少24605升
机翼边条（边条翼）
• 什么是边条翼（strake）？
在中等后掠翼（后掠角30∼40°左 右）根部前缘，加上一后掠角很 大（ 70∼80°）的细长前缘所形 成的复合机翼。原后掠翼称为基 本翼，附加的细长前缘称为边条。
• 为什么需要边条翼？
1）边条前缘产生强的脱体涡，可以直接产生涡升力 ； 2）边条脱体涡对机翼流场的有利干扰会推迟机翼表面的气流分离； 3）边条机翼的布局特别适于改进飞机大迎角气动性能，与近距鸭翼 有相似的对机翼有利干扰作用。
α
• 统计值
喷气客机： 1º~5.3º 战斗机： -1º~3.6º
机翼扭转角的确定
• 扭转角（twist)
– 几何扭转：1）负扭转—从翼根至翼尖， iw 逐渐减小。 2）正扭转—从翼根至翼尖， iw 逐渐增大。 – 气动扭转：翼根与翼尖的翼型不同。
机翼扭转角的确定
• 对气动特性的影响
– 负扭转或气动扭转可延缓翼梢气流失速； – 可改变升力分布，影响诱导阻力。
• 如何确定扭转角
- 在概念设计阶段参考同类飞机（类型和布局类似）。 - 轻型飞机、涡桨支线客机：负扭转角：0º~3º - 公务机、喷气运输机：负扭转角：0º~7º - 超声速战斗机/攻击机：扭转角很小或为零度。
喷气客机典型的机翼扭转角
机翼上反角的确定
• 定义（Dihedral）
- 机翼基准面与飞机对称面的垂线之间的夹角。
分分 系系 统统 发动机选择 发动机选择 机翼外形初步设计 机翼外形初步设计 尾翼外形初步设计 尾翼外形初步设计 总体布置 总体布置 形成初步方案 形成初步方案 重量特性 重量特性 动力特性 动力特性 操稳特性 操稳特性 噪声特性 噪声特性 气动特性 气动特性 性能评估 性能评估 经济性分析 经济性分析 排放量 排放量
▲ 后掠角增大，最大升力系数降低； ▲ 后掠角增大，机翼升阻比K降低；
2）对操纵性的影响
攻角较大时，可能会“自动上仰”，难于控制，影响飞行安全。
3）对结构重量的影响
▲ 后掠角增大，机翼结构重量增加。 对于战斗机：
W机翼 ∝
1 cos Λ
4）对内部容积的影响
▲ 后掠角过大，不有利于布置起落架。
5）如何选定后掠角χ
– 一个典型的例子是翼根翼型采用NACA 23018，翼尖翼型采 用NACA 23010。
机翼厚度的分布
• 对于高亚声速公务机和运输机，一般用三个或更多的翼 型来定义机翼厚度的分布。
– 位置：一个在机翼机身连接部，一个在翼尖；在二者之间再定义 一个或几个翼型。 – 目的：使机翼上表面等压线的后掠角更均匀，以提高机翼的阻力 发散马赫数。
▲ 对于亚声速飞机： Λ =0 ▲ 对于高亚声速飞机： 或 Λ < 15o (用于调整重心）
Λ = 25∼40°；可以提高临M界数，延缓激波的产生。
喷气客机后掠角的统计数据
机翼厚度的分布
• 许多飞机机翼在不同展向站位上其厚度是变化的。 • 机翼根部的相对厚度通常大于翼尖的的相对厚度，以 有利于结构承受弯矩。 • 有些轻型飞机为了降低制造成本，机翼设计成矩形 翼，且翼型不变。 • 对于直机翼螺旋桨飞机，通常在翼根和翼尖分别确定 一个翼型，在二者之间翼型线性过渡。
边条翼的应用
F-16
F-18
米格-29
苏-27
机翼安装角的确定
• 机翼安装角（incidence）的定义：
机翼根弦与机身轴线之间的夹角
• 安装角对飞机气动特性和性能的影响
- 对巡航时阻力有影响； - 对起飞滑跑距离有影响；
• 如何确定安装角（iw)
C L, Des = C L ⋅ iw
（CL，Des－巡航时所需的升力系数）
可靠性 维修性 可靠性 维修性 机场适应性 …… 机场适应性 ……
分析
机翼的设计的内容
• 翼型的选择与设计 • 机翼平面形状设计 • 机翼厚度分布的确定 • 机翼安装角和上反角的确定 • 关于边条翼、翼梢形状和内翼后缘扩展 • 增升装置的设计 • 副翼和绕流板的设计
机翼平面形状设计
• 描述机翼平面形状的几何参数 • 机翼平面形状设计时所考虑的因素 • 几何参数对气动特性和结构重量的影响 • 机翼平面形状的几何参数的确定
5）对结构重量的影响：
▲ AR 增大，机翼根部弯矩增大，导致结构重量增加； ▲ AR 减小，机翼根部弦长增大，结构高度增加，有利于承力构件布置；
6）对内部容积的影响：
▲ AR 减小，有利于起落架布置； ▲ AR 减小，可增加燃油容积。
7）机翼展弦比的确定实质上是综合考虑巡航状态的升阻 比、结构重量和容积的结果。 飞机类型 轻型飞机 涡桨支线客机 公务机 喷气运输机 超声速战斗机 展弦比（AR） 5.0～8.0 11.0～12.8 5.0～8.8 7.0～9.5 2.5～5.0
• 对气动特性和布局的影响
- 对侧向稳定性和荷兰滚稳定性有影响； - 外挂与地面之间的距离（Geometric ground clearance)。
• 如何确定上反角
在概念设计阶段，主要依据统计值。 统计值的大小与飞机布局型式有关。 上反角的统计值 飞机类型 直机翼 亚声速后掠翼 超声速后掠翼 下单翼 5º~7º 3º~7º 0º~5º 机翼位置 中单翼 2º~4º -2º~2º -5º~0º 上单翼 0º~2º -5º~2º -5º~0º
机翼外形初步设计（二）
南京航空航天大学 余雄庆
概念设计流程
设计
全机布局设计 全机布局设计 No 机身外形初步设计 机身外形初步设计 确定主要参数 确定主要参数 满足要求？ 满足要求？ 方案最优？ 方案最优？
设计要求、适航条 设计要求、适航条
Yes
初初 步步 方方 案案
方案分析与评估 方案分析与评估
• 超声速战斗机/攻击机的相对掠角与平均相对厚度的确定
后掠角与相对厚度对阻力发散马赫的影响
喷气运输机后掠角与相对厚度的确定
后掠角与相对厚度对阻力发散马赫的影响
▲ 对于超声速飞机： A. 采用亚声速前缘 当M=1.2∼1.8时；相应的 Λ = 40 ∼60 °
机翼后掠角和平均相对厚度的确定
• 对于轻型飞机，其巡航速度一般小于阻力发散马赫数 较小，相对厚度一般为15％左右。 • 对于喷气运输机和公务机，其后掠角的确定与翼型的 相对厚度有关。
– 相对厚度大，后掠角应大一些。 – 相对厚度小，后掠角可小一些。 – 应选择最佳的后掠角和翼型的相对厚度的组合，使气动效率 和结构重量综合最优。 – 一般地，在确定了机翼平均相对厚度后，在满足阻力发散马 赫数的前提下，应使后掠角尽量小。 – 喷气运输机和公务机的平均相对厚度一般在10％至12％之间。
2）对结构重量的影响
▲ λ 减小，可减轻机翼结构重量
3）对内部容积的影响
▲ λ减小，有利于布置起落架
4）对于翼尖失速的影响
▲ λ 小对防止翼尖失速不利。
5）梯形比的确定实质上也是综合考虑诱导阻力（通过影 响载荷分布）、翼尖失速、结构重量和容积的结果。
飞机类型 轻型飞机 涡桨支线客机 公务机 喷气运输机 超声速战斗机
梯形比 1.0～0.6 0.6～0.4 0.6～0.4 0.4～0.2 0.5～0.2
• 后掠角（sweepback） 1）对气动特性的影响
▲ 后掠角增大，可以提高临M界数，延缓激波的产生； ▲ 后掠角增大，波阻降低； ▲ 后掠角增大，升力线斜率降低；
α α CL = (CL ) χ =0 ⋅ cos Λ
机翼厚度的分布
喷气运输机机翼厚度的典型分布
机翼厚度的分布
• 机翼平均厚度
– 在初步设计中，通常用到平均厚度概念。 – 对于线性过渡的机翼，定义为：
(t / c) AV =
troot + ttip croot + ctip
对于由不同翼型定义的多段机翼，且每段线性过渡， 则首先用上述公式计算每段的平均厚度，然后再对各段 机翼的平均厚度进行平均，得到整个机翼的平均厚度。
2）对升力线斜率的影响
AR 增大，升力线斜率增大。
AR＝8
AR＝8
AR＝2
不同展弦比机翼的 C x ~ M
不同展弦比机翼的 C y ~ α
3）对失速攻角和失速速度的影响：
▲ AR 增大，失速攻角减小。 ▲ 减小AR，可防止大攻角时翼尖失速。