大型飞机三维机翼设计揭秘

三维机翼设计应在满足给定的巡航速度和水平飞行升力系数、绝对保证飞行安全和机场要求等条件下，获得尽可能高的升阻比（K ）。由于对机翼的气动力、工艺、强度、气弹等方面的要求常相互矛盾，机翼的气动设计只能取其气动要求和其他要求之间的折中，为保证飞机达到要求的实际航程和较好的运输成本指标，机翼的设计应实现尽可能高的Ma ·K_max。机翼的气动设计是把选定的翼型以适当的方式组合形成三维机翼，即将选定的翼型以适当的翼型最大厚度和几何扭转角沿展向分布而形成三维机翼。

1. 机翼整体的气动设计

机翼设计的基本要求是：（1）保证最小的诱导阻力值，气动载荷沿翼展分布尽量接近椭圆分布；（2）保证巡航状态下的最低波阻值；（3）保证在巡航升力条件下机翼各剖面无分离流，在大于巡航升力时（依据适航标准）尽可能保持低强度的分离流；（4）对于失速和深失速的大迎角条件，保证具有可接受的纵向安全性。

近年来，人们大量使用CFD 技术分析机翼整体的气动性能，极大地提高了机翼设计的效率与水平。

2. 翼梢小翼

机翼上下表面的压力差使下表面的高压气流向外侧的翼尖流动 ,而上表面的低压气流向内侧流动 ,这种气流的横向流动与自由流结合形成翼尖涡。大展弦比机翼有很强的翼尖涡 , 它将机翼的尾涡卷入形成集中涡 , 引起强下洗 , 导致机翼的升力方向明显向后倾斜, 产生很大的飞机诱导阻力, 一般使客机在巡航状态的诱导阻力约达到飞机总阻力的40%。20 世纪70 年代惠特科姆将翼尖设计成产生显著侧力的翼梢小翼, 才真正开发了它的潜力。翼梢小翼的作用在于: 在翼尖下游耗散翼尖涡; 使机翼上下表面气流横向流动产生的诱导速度与自由流合成的速度, 在小翼上产生垂直当地气流方向的向内侧力( 小翼升力),其在自由流方向产生显著的推力分量；起到端板作用, 增大机翼的有效展弦比；减少诱导阻力, 增加飞机的颤振裕度, 改变其起飞阶段的噪声分布。

在张雨等的文献《 民用飞机翼梢小翼的多约束优化设计》中有一个设计实例，在巡航设计状态下，应用CFD 技术与Lagrange 乘数优化方法相结合的方法，对机翼+ 翼梢小翼进行升阻比的优化设计。从沿展向的阻力分布的比较, 可以看出 , 从沿展向的阻力分布的比较可知，加装翼梢小翼后 , 因其在翼尖下游耗散翼尖涡 , 减少了气流的横向流动, 机翼大部分区域的沿展向的当地阻力比单独机翼的阻力要小, 在翼尖附近相对偏大。

3. 翼根

对于现代民用客机而言, 其机翼根部翼型相对厚度较大, 又具有较大的安装角, 且起落架又常常需要收在机身下部, 这样即使来流在较小的迎角下也会产生气流分离现象。迎角增大, 分离旋涡增强, 分离范围扩大。分离漩涡不仅产生阻力, 而且严重时对升力有明显的影响。机身对机翼的干扰使机翼的压力分布发生明显的变化, 特别在翼根区域影响更为显著, 尤其是对采用下单翼布局的飞机。主要表现为: 机翼翼根区剖面的压力分布形态发生巨大的变化, 这种影响一般可达30 % 半翼展, 严重的情况可达70% ～ 80% 半翼展, 机翼表面的等压线在翼根区出现弯曲, 降低了机翼的气动效率。翼身整流罩的设计目的就是要保证在达到翼根处的目标压力分布的同时使翼根处气流不产生分离。

4. 发动机短舱

发动机短舱位置和喷流方位是动力增升构型设计中最关键的参数。发动机短舱对高速巡航性能和增升都有明显影响。短舱的上下位置在避免巡航状态喷流直接冲刷襟翼的前提下应尽量靠近机翼。为了实现在很小的襟翼偏角时发动机喷流都可以穿过襟翼, 其吊挂位置不但要靠近机翼, 而且要稍稍向机翼前缘伸出。发动机出口向前移, 有利于减小巡航时短舱干扰阻力, 同时减少短距起降时短舱的干扰影响。短舱的展向位置对动力升力影响不大,发动机后移则对升力增大不利。通过短舱声学设计, 可大大降低发动机产生的噪声。采用锯齿型喷口和在发动机短舱中敷设声衬是降低发动机噪声的有效手段。

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