氣動布局

氣動布局

氣動布局同飛機外形構造和大部件的布局與飛機的動態特性及所受到的空氣動力密切相關。關係到飛機的飛行特徵及性能。故將飛機外部總體形態布局與位置安排稱作氣動布局。簡單地說,氣動布局就是指飛機的各翼面,如主翼、尾翼等是如何放置的,氣動布局主要決定飛機的機動性,至於發動機、座艙以及武器等放在哪裡的問題,則籠統地稱為飛機的總體布局。

飛機外形構造和大部件的布局與飛機的動態特性及所受到的空氣動力密切相關。關係到飛機的飛行特徵及性能。故將飛機外部總體形態布局與位置安排稱作氣動布局。其中,最常採用的機翼在前,尾翼在後的氣動布局又叫作常規氣動布局。
氣動布局形式是氣動布局設計中首先需要考慮的問題。目前飛機設計中主要採用的包括

以下幾種:

正常布局;
鴨式布局;
變後掠布局;
三翼面布局;
無平尾布局;
無垂尾布局;
飛翼布局。

正常布局

是迄今為止被使用最多的一種布局形式,目前仍然被套用於各類飛機之上。
鴨式布局在早期未能得到足夠的重視,但隨著超音速時代的來臨,鴨式布局的優點逐漸
為人們所認識。目前廣泛套用於戰鬥機之上的近距鴨式布局利用鴨翼與機翼的前緣分離
渦之間相互有利干擾使渦系更加穩定,推遲了渦的破裂,為大迎角飛行提供了足夠的渦
升力,顯著的提高了戰鬥機的機動性。此外,採用ACT和靜不穩定的鴨式布局的優點則更
為突出。
變後掠布局較好的兼顧了飛機分別在高速和低速狀態下對氣動外形的要求,在六七十年
代曾得到廣泛套用,但由於變後掠結構所帶來的結構複雜性、結構重量的激增,再加上
其它一些更為簡單有效的協調飛機高低速之間矛盾的措施的使用,在新發展的飛機中實
際上已經很少有採用這種布局形式的例子了。
三翼面布局形式可以說最早出現在六十年代初,米高揚設計局由米格-21改型而得的Е-
6Т3和Е-8試驗機。三翼面的採用使得飛機機動性得到提高,而且宜於實現直接力控制
達到對飛行軌跡的精確控制,同時使飛機在載荷分配上也更趨合理。
無平尾、無垂尾和飛翼布局也可以統稱為無尾布局。對於無平尾布局,其基本優點為:
超音速阻力小和飛機中兩較輕,但其起降性能及其它一些性能不佳,總之以常規觀點而
言,無尾布局不能算是一種理想的選擇。然而,隨著隱身成為現代軍用飛機的主要要求
之一以及新一代戰鬥機對超音速巡航能力的要求,使得無尾——特別是無垂尾形式的戰
斗機方案越來越受到更多的重視。
對於一架戰鬥機而言,實現無尾布局將帶來諸多優點。首先是飛機重量顯著減少;其次
,因為取消尾部使全機質量更趨合理地沿機翼翼展分布,從而可以減小機翼彎曲載荷,
使結構重量進一步減輕;另外,尾翼的取消可以明顯減小飛機的氣動阻力,同常規布局
相比,其型阻可減小60%以上;不言而喻,取消尾翼之後將使飛機的目標特徵尺寸大為減
小,隱身性能得到極大提高;最後尾翼的取消同時減少了操縱面、作動器和液壓系統,
從而也改善了維修性和具有了更低的全壽命周期成本。
在有垂尾的常規飛機上,垂尾的作用是提供偏航/滾轉穩定性,尤其是偏航穩定性,此外
垂尾的方向舵還參與飛機的偏航控制。取消垂尾之後,飛機將變為航向靜不穩定,同時
喪失偏航控制能力。採用放寬靜穩技術之後,無垂尾飛機可以是航向靜不穩的,但不能
是不可控的。針對這一問題可以採用推力矢量技術加以解決。推力矢量技術作為新一代
戰鬥機高機動性的主要動力目前已經得到了較為完善的發展,大量實驗都證明,在無垂
尾的情況下,推力矢量具有足夠有效的操縱功能。
一個不容忽視的問題是,推力矢量系統發生故障或者在作戰中受傷後飛機如何操縱。在
最低的要求下,推力矢量系統失效後飛機至少還應具有安全返航的能力,因此無垂尾飛
機的平飛、不太劇烈的轉彎機動以及著陸所需的偏航控制能力應該能夠由氣動力控制來
滿足。作為無尾飛機的余度保險操縱方式之一的是與傳統機翼設計方法完全不同的所謂
主動氣動彈性機翼”(AAW)。在傳統機翼設計中,一般都要保證剛度以使機翼變形最
小,而AAW利用機翼的柔度作為一種對飛機進行操縱的方式,它通過使整個機翼發生一定
的變形而得到操縱飛機所需的氣動力。通常規舵面相比,AAW具有效率高而翼面變形小的
特點。除了AAW技術之外,還有其它一些傳統非傳統的氣動操縱方式也可以推力矢量系統
的余度保險和補充。它們包括開裂式副翼、機翼擾流板、全動翼梢、差動前翼、非對稱
機頭邊條、擾流片-開縫-折流板(SSD)、前緣襟翼等等。
無論是採用AAW還是採用氣動操縱面的方式,無尾飛機都需要有全新的飛行控制律。無尾
飛機在縱向和航向都將是靜不穩定的,這就要求飛機上的各類操縱裝置共同協作產生所
需的各種力和力矩,各操縱裝置還將存在各種線性或非線性的相互干擾,使得控制律變
得相當複雜。此外在部分操縱裝置失效的情況下,剩下的操縱裝置需要實時重新構型,
並且需要實時地採用新的控制律,即所謂“重構系統”。這些都是無尾飛機設計中需要
加以解決的問題。

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