大型民用飞机设计技术(简)A课件.ppt

,大型民用飞机设计技术一、昂海松南京航空航天大学2008年6月,目 录一、大型民用飞机总体设计技术 1、民用飞机总体布局设计 2、民用飞机气动设计技术 3、民用飞机重量设计与控制 4、民用飞机的稳定性与飞行性能 5、民用飞机的多学科设计优化技术 6、民用飞机的降噪技术,目 录二、大型民用飞机结构设计技术（1）大型民用飞机载荷确定技术（2）高效结构和强度设计技术（3） 先进复合材料结构设计技术（4）长寿命高可靠性结构设计技术,目 录三、大型民用飞机的动力装置设计技术 （1） 大型民用飞机发动机技术的发展 （2） 高涵道涡轮风扇发动机设计技术 （3） 民用飞机发动机控制技术,目 录四、大型民用飞机的系统设计技术 （1）大型民用飞机起落架设计技术 （2） 民用飞机的环境控制技术 （3） 民用飞机的增稳和自动控制技术五、大型民用飞机的适航技术,1、绪论大（型）飞机概念1。1什么叫大飞机？ 载重量大、航程远的飞机 （起飞总重量超过 100吨）对“客机”来说： 中型客机- 支线客机100座以下 大型客机- 干线客机150座以上 - 国际航线客机 300座以上 （国际航运体系也有把300座以上的客机称作“大型客机” ） 2007年达到20多亿人次,1、大飞机概念1。1什么叫大飞机？ 载重量大、航程远的飞机 （起飞总重量超过 100吨） 重型运输机（有的称：载货量超过85吨） 战略轰炸机,1。2 大飞机的类型1、运输机 客机 货机 客货两用机 军事运输机2、轰炸机 战略轰炸机，重型轰炸机，远程轰炸机3、预警机,1。3 民用飞机设计思想大型民用飞机近期发展的主要技术需求，分析主要有：（1）树立以旅客为中心的飞机设计思想，如，低票价，使更多的人能坐上飞机旅行;拥有洲际不着陆航程，几小时就能达到目的地；低噪声;具有海平面高度的客舱气压，保证每个座位都获得100%的新鲜空气;有多个通道，座位更宽敞些（如每两个一组，没有任何旅客被夹在中间）;确保行李摆放方便安全，存贮箱容易取放;通道多、舱门多、舷梯多，旅客能迅速上下；确保任何情况下的安全。,1。3 民用飞机设计思想（2）全电系统，这有利于低成本、经济飞行；（3）开发燃烧更充分、噪声更小、耗油更少、推力更大、重量更轻的发动机; （4）修改飞机的设计和使用规章，以符合全社会提出的“少一点噪声、少一点污染”的需求; （5）飞机的设计要充分考虑货运需求，因为货运业务将一直稳步发展,1。4 民用飞机的特殊需求发展（1）超声速运输机 到目前为止，比较成功的超声速客机就是1969年研制、1976年投入商业运行的“协和”号飞机，它的最大飞行速度可达2.04马赫，巡航高度18000米。尽管“协和”号超声速飞机由于耗油率过高、航程较短、噪音污染严重和设计的缺陷等技术问题已停飞，但因越来越多的人希望在更短的时间内到达遥远的目的地，超声速和超大型运输机将会继续发展。21世纪中期，超声速运输机将使旅客能在几小时内到达遥远的目的港。 要实现超声速民用运输业的发展，必须要解决超声速飞机存在耗油量大、噪声、安全性和废气污染等问题,目前的超声速民用飞机远远不能满足客运和货运的要求。,1。4 民用飞机的特殊需求发展（1）超声速运输机 要解决的关键技术问题： 实现超声速巡航气动设计一个主要问题就是如何减小超声速激波引起的“波阻”和摩擦阻力。除了激波引起的前后压力差“波阻”外，激波引起的附面层分离也会大大增加阻力。 首先在飞机总体外形设计上要适应设计超声速飞行（如增大长细比）； 其次要改进超声速翼型和运用附面层控制技术，有关研究实验显示，超声速层流控制可减小阻力达30%； 还有改进进气道设计和采用新型发动机技术也十分重要。,超音速客机,1。3 民用飞机设计思想（3）超大型运输机 提高经济效益一直是商业航空公司追求的目标，其途径之一就是运行超大容量的客机和货运机。 目前已研制出的空中客车A380和已运行很长时间的波音747-400就是突出的例子。波音747-400最大载客量有416人。而新研制的空客A380最大载客量可达500-850人，它是目前世界上唯一采用全机身长度双层客舱、4通道的民航客机。,全机最高载客量为840人，,超音速客机,1。3 民用飞机设计思想（3）超大型运输机 大型军用运输飞机因现代战争对军事空运能力的需求而发展较早。为了减少军费开支，一些国家的军事航空运输力量建设采取了军民航空运输双管齐下的策略。 军用运输飞机的主要对象有武器装备和人员(如士兵、伞兵、后勤、医务人员)两大类。武器装备必须由军用运输机运送，而其他人员、物资则可由民用客机或货机来完成运输。在海湾战争期间，美国出动的大、中型运输机达1000多架，与出动的战斗机数量相差无几。,1。3 民用飞机设计思想（3）空间旅游和亚轨道飞行器 为了将高价值货物能在数小时内送达地球任何一处，还需要一种亚轨道飞行器。专家预测，2025年内，将旅客和货物在大气层外运送并进入地球轨道将成为空间运输业的新业务。 早在20世纪80年代，美、俄等国就提出研制M=4.0-7.0的高超声速运输机。这种“空天飞机“或”天地往返运载器”，可以从地面水平起飞，不同于目前的航天飞机需要外储油箱和助推火箭，可以进入轨道航行，再从轨道进入大气层目标区或返回。,1。3 民用飞机设计思想（3）空间旅游和亚轨道飞行器,1。3 民用飞机设计思想（3）空间旅游和亚轨道飞行器,1。3 民用飞机设计思想（3）空间旅游和亚轨道飞行器“山猫”号私人太空旅游飞机,1。4 民用飞机设计过程（1）民用飞机研制阶段 1）项目前期论证阶段； 2）技术经纪可行性论证阶段； 3）总体方案论证阶段； 4）型号研制阶段。,1。4 民用飞机设计过程（2）民用飞机研制要求 1）国内外市场需求调查分析； 2）技术要求与可行性； 3）研制总经费概算与成本预测； 4）研制周期预测及系统工程网络图； 5）满足适航要求的可行性分析。,1。4 民用飞机设计过程（3）民用飞机总体设计程序 1）策划、构思阶段； 2）方案设计阶段； 3）初步设计阶段； 4）详细设计阶段； 5）联络工程阶段； 6）产品保障阶段。,1。4 民用飞机设计过程（4）民用飞机设计准则 -设计顶层文件如： 1）型号设计要求与目标； 2）全机重量与平衡报告； 3）全机载荷报告； 4）全机材料准则； 5）全机结构设计准则； 6）全机维修设计准则； ,一、大型民用飞机总体设计技术 （1）民用飞机方案设计内容 1）飞机的主要几何尺寸； 2）飞机的总体布置； 3）飞行的主要特征重量； 4）动力装置的选择； 5）飞机上个主要技术措施(包括设备)的选择； 6）飞机的主要性能和使用特性； 7) 总体技术协调.,二、大型民用飞机总体设计技术 （2）民用飞机设计的主要技术要求 1）载重量 载客量,载货量 2）巡航速度 高亚声速,超声速,巡航M数 3）动力装置 种类(涡轮风扇发动机,涡轮螺桨发动机), 台数，推重比，安装位置 4）航程：中程，远程，XX公里 5）安全标准：适航标准,一、大型飞机总体布局设计2。1 常规布局 目前的大型飞机是以“大展弦比机翼、后平尾、单垂尾”的常规布局为主。,正常式布局飞机,优点- - 平尾距离较远，平衡力矩大，升降操纵力矩大 - 纵向静稳定性好技术成熟，所积累的经验和资料丰富，设计容易成功。缺点 - 配平阻力较大 - 机翼的下洗对尾翼的干扰往往不利，布置不当配平阻力比较大。,运-10,机翼位置（上单翼，中单翼，下单翼）,翼身组合体的极曲线,对横滚力矩特性的影响,大型客机多数采用-下单翼 机翼结构可从客舱地板下穿过 起落架短、结构重量轻、易收放 发动机和襟翼易于检查和维修 安全考虑：强迫着陆时，机翼可起缓冲作用。重型运输机多采用-上单翼 为了便于装运重型设备，机身地板离地面尽量近挂吊涡轮螺旋桨发动机，桨盘大,美国波音正与NASA合作开发“高速民用运输机”波音787走的是另外一条路，尽管该机最大只可载客300人，但强调的特点是：大量采用复合材料，低燃料消耗、高巡航速度，可以0.85马赫高亚声速的巡航速度实现较远的点对点不经停直飞航线高效益及舒适的客舱环境，比目前同类飞机节省20%的燃油消耗，并采用全球化生产网络。（方向舵- 成都飞机工业公司 复合材料结构部件-哈尔滨飞机工业公司 垂尾前沿- 沈阳飞机工业公司）,C-17“环球空中霸王” 最大承载货物重量有150吨，最大航程11000公里，可以装载重型坦克。,美国的大型军用运输飞机C17被称为“空中霸王”，最大承载货物重量有150吨，最大航程11000公里，可以装载重型坦克。从总体上看，C17是以战略运输为主，兼有战术运输特点的一种大型战略/战术运输机。 俄罗斯和乌克兰研制的新型安一70军用运输飞机是以战术运输为主，兼具战略运输能力的一种战术战略运输机。安一70飞机的货舱尺寸宽大，其容积是安一12和C一130的3倍左右，能运载独联体各国和北约国家大多数武器装备。 欧盟七国新研制的A400M军用运输机与安一70飞机在性能、吨位上几乎完全一致，是作为欧盟七国新型战略战术运输机而研制的新一代军用运输机。,C-17“环球空中霸王”,安-70运输机,A-400运输机,伊尔-76中程运输机,空中加油,安-225，最大起飞总重600吨,E-3预警机,美国E-10A多传感器指挥控制飞机系统平台波音767-400 ER飞机,2。2 特殊布局 （1）超声速运输机（如“协和号”和俄罗斯的图-144）由于接近声速飞行时的强激波作用，大展弦比小后掠角机翼的亚声速常规布局运输飞机已不能适应“声速”和“超声速”飞行了。要实现超声速飞行的运输机，必须克服“声障”，减小激度强度，因此必须采用小展弦比大后掠角机翼设计。 单纯加大后掠机翼会使刚度变小，结构重量增大，横向流动加剧导致翼尖气流分离。尽管发展出了三角翼布局可增大机翼刚度和面积，但是常规布局的平尾离机翼较近，尾力臂小，必须增大平尾偏角以配平或拉起，增大了配平阻力。而无尾布局的舵面配平偏角较小（襟翼也起升降舵作用），总体上无尾布局的配平和诱导阻力要明显小于常规有尾布局，在超声速飞行时无尾布局的升阻比更大。 为此第一代超声速客机都采用了无尾布局形式。,“协和号”超音速客机（无尾布局）,音速巡航者客机（鸭式布局）,鸭式布局,三翼面布局,A-2超音速客机（鸭式布局）,（2）高超声速飞行器 早在20世纪80年代，美、俄等国就提出研制M=4.0-7.0的高超声速运输机。这种“空天飞机“或”天地往返运载器”，可以从地面水平起飞，不同于目前的航天飞机需要外储油箱和助推火箭，可以进入轨道航行，再从轨道进入大气层目标区或返回。 最近英国Reaction Engines 公司宣布将在未来25 年内研发一种新型的超声速客机A2。该飞机的总设计师称：“如果该飞机研制成功，将大大缩短长途航空的旅行时间。从欧洲到澳大利亚的航行时间只要4 小时。”,（2）高超声速飞行器 高超声速飞行器的设计面临着与常规超声速飞机不同的一系列特殊技术问题，如高超声速气动力设计问题、 气动加热下的结构设计问题适于高超声速飞行的动力推进系统。,关于“乘波飞机” 从气动外形考虑，“乘波飞机”是研究高超音速飞机一种新概念飞行器。通常“激波”被认为是超音速飞行器一个“有害”的特性，而乘波飞机恰恰是利用“激波”来产生升力。早在60年代就有人提出这一设想。 在高超音速下，飞机上、下表面的流动不会相互干扰。如图1-8所示一个二维楔的高超音速流，上表面平行来流。在前缘下部会产生一道强激波面，由于激波后区域压力会突然增高，而且升力体下方的高压区不会与上表面的相对低压区流动相串通，因而由楔形翼的上下压力差而产生升力。,（3）变后掠翼布局 （2）对于对于飞行速度范围要求较广的大型飞机，如某些既能适应超声音飞行，又要适应亚声速飞行的轰炸机，有的就设计为“变后掠翼”形式。例如美国的B-1轰炸机，俄罗斯的图-22M（单火）轰炸机和图-160（海盗旗）轰炸机就都是“变后掠翼”布局。,B-1B 轰炸机,B-1B 轰炸机变后掠15；59.5,图-160“海盗旗”(BlackJack) 远程战略轰炸机,图-22M“逆火” 轰炸机,“全球鹰”(Global Hawk) 高空长航时无人机， 设 计也有一定的隐身功能。,（4）飞翼式布局（飞翼式布局-又称“翼身融合体”，BWB：(Blended Wing Body Aircraft) B-2轰炸机则是为隐身需要设计的特殊的飞翼式布局，也是世界上第一个成功的大型飞翼式飞机。其布局为无平尾、无垂尾，纵横稳定性与操纵都靠翼面后缘的多级襟翼、副翼升降舵面来控制。,B-2 隐身轰炸机,飞翼式布局 波音公司于19941997年在NASA的资助下，提供一个800座位、航程12971km、巡航马赫数为 0.85 的飞翼式（又称“翼身融合体”，BWB：(Blended Wing Body Aircraft)先进客机的设计方案。随后又以最小起飞重量为设计目标设计出了第二代BWB的外形（图10.2.2-5），它的翼展85.3m，机翼面积450m2。为了稳定和控制该BWB客机设计，有前缘缝翼和作为升降舵的后缘简单式襟翼，外翼的副翼作为升降舵是俯仰和滚转的主要控制，带有方向舵的翼梢小翼主要提供方向稳定性的控制。,“科幻” BWB客机,飞翼式布局他们研究的翼身融合体与按同样设计要求的常规布局的性能作比较，显示BWB的最大起飞重量要比常规的低15%，巡航的升阻比也从常规的19增大到23，需求推力比常规的减小1/3，因此每英里的耗油率会降低27%。 该BWB方案机翼尾部上方安装三台发动机。在NASA资助的研究下提出了边界层吞吸的概念，运用发动机和机体一体化多学科设计方法，使发动机进气道在风扇前安置专门的涡流发生器可提供在风扇处合适的均匀来流和可接受的压强恢复，不仅减少了冲压阻力，且提高了推进效率。研究结果表明进气道吸吞来流边界层而非排除方法可使发动机降低燃油消耗。,三大型飞机气动外形设计1 、 超临界翼型 自从发明了在高亚声速、跨声速时可以大大延缓或减弱激波的“超临界翼型”以来，大型亚声速飞机多半采用“超临界翼型”。超临界翼型除了可以减小激波外，还有增大机翼容积的作用。大型亚声速飞机机翼多数采用多段不同翼型，机翼根部翼型与稍部翼型有较大差别。,2、 梯形机翼 亚声速大飞机-大展弦比、中等后掠角 为了使大型飞机（亚声速）有较大的升阻比，一般都设计为大展弦比，通常展弦比为7-8左右。现代大型运输机（包括客机）的巡航速度已达到9001000公里/小时，据统计，大型客机的机翼1/4弦线后掠角，约在3038梢根比：0.2 - 0.3;,展弦比 :,机翼面积: S,平均气动弦长,B-777-200 机翼,平面形状 亚声速大型飞机机翼前缘多半为直线，而后缘为多段折线型。增加内翼段的升力；便于设计更有效的襟翼，提高起降性能；根部机翼还承担起落架收放机构；更有利于吊舱发动机的机翼支撑承力结构的设计。,B-777-200 机翼,弯扭设计大型飞机机翼多半设计为有“弯扭”形状。这里“弯曲”，如下单翼多半设计为具有约6左右的上反角。而“扭转”设计相对复杂些，根部机翼段多半设计有3多的安装角，而逐渐光顺变换到0安装角。机翼梢部段通常设计有负安装角34,对没有翼尖小翼的，通常用“低阻翼尖”平面形状设计。,3、流线型机翼,4、BWB飞翼式,后掠 39. 5,截面性质-“翼型”,5、 S形机翼“协和号”超音速客机,S 机翼 第一代超声速客机（如“协和号”客机和图-144客机）都采用了无尾布局形式。 气动专家屈西曼等人还创造性地设计了S形的大后掠机翼前缘，能形成稳定的脱体前缘涡而产生很大的非线性升力，大大改进了低速、大迎角时升力特性。“ 协和号”客机驾驶舱下机身两侧有一对很小的舵面，主要为了控制机头的摆动，还算不上“鸭翼”能起前“平尾”作用。,“协和号”超音速客机前 76 后 57,Aerion超音速喷气式客机设计,6、翼尖小翼 机翼的翼尖设计也有多种形式，有的翼尖设计向外后斜置，还有的设计有翼尖小翼（如图）。翼尖小翼也有上斜置小翼和上下小翼两类。这两者设计对减弱翼尖涡起到作用。尤其是翼尖小翼可以明显减小因翼尖尾涡引起的诱导阻力，有的达到减阻1%的作用。,机翼的翼尖设计也有多种形式，有的翼尖设计向外后斜置，还有的设计有翼尖小翼（如图）。翼尖小翼也有上斜置小翼和上下小翼两类。这两者设计对减弱翼尖涡起到作用。尤其是翼尖小翼可以明显减小因翼尖尾涡引起的诱导阻力，可达到减阻1% - 3%的作用。,150-200,7、增升装置(1)增升装置的类型,后缘襟翼 前缘缝翼和前缘襟翼 吹气襟翼,各种不同类型后缘襟翼,简单襟翼开裂襟翼富勒襟翼单缝襟翼双缝襟翼多缝襟翼,增升装置的几何参数,襟翼相对弦长：c襟/c襟翼展长：L襟偏转角：襟,L襟,c襟,增升效果：直机翼后缘襟翼数据,展弦比增大，襟翼增升效果增大；根梢比增大，襟翼增升效果增大；后掠角增大，襟翼增升效果降低。,机翼平面形状对襟翼增升效果的影响,(CL)3D/ (CL)2D = 0.85 cos1/41/4 is the wing quarter chord sweep,襟翼的应用,巡航、起飞和着陆时襟翼的位置,DC-9-30 采用襟翼后的增升效果,波音737采用的三缝襟翼,