[科普中国]-机翼设计

设计要求

机翼是飞机产生升力的主要部件，同时也产生阻力。对于一般飞机，机翼的阻力占全机零升阻力的1/3左右，而诱导阻力几乎全由机翼产生，所以它对飞机的性能和飞行品质有着重要的影响。机翼设计，首先必须满足飞机设计要求中的飞行技术性能要求，它是机翼设计的主要技术依据。对机翼设计在气动性能方面的要求是：

①在起飞、着陆和空中机动状态下尽可能有大的升力及高的升阻比；

②在巡航状态和大速度下有尽可能小的气动阻力；

③在全飞行包线内具有良好的操稳特性，特别是在低速时要有线性的俯仰力矩特性、较好的副翼效率和横航向特性。

除以上气动性能要求外，还要满足强度和气动弹性要求，使机翼具有足够结构刚度和较轻的结构重量和较大的临界颤振速度。同时要具有一定容积率储存燃油，满足外挂物的安装和投放时的稳定性，还要有一定的重心移动范围以及隐身性要求。2

在讨论机翼的时候经常使用一条被称为弦线的参考线，是一条过剖面图中两个端点前缘和后缘的直线。弦线到机翼上、下表面的距离表示上、下表面任意点的拱形程度。另一条参考线是从前缘到后缘的，叫“平均弯度线”，意思是这条线到上、下表面轮廓是等距离的。

机翼的形状是利用空气对某些物理定律的响应来构造的。它从空气获得两种作用力：一种是从机翼下方空气产生的正压升力；另一种是从机翼上方空气产生的反向压力。

当机翼和其运动方向成一个小角度倾斜时，气流冲击相对较平的机翼下表面，空气被迫向下推动，所以导致了一个向上作用的升力，而同时冲击机翼前缘上曲面部分的气流斜向上运动。也就是说，机翼导致作用于空气的力，迫使空气向下，同时也就提供了来自空气的相等的反作用力，迫使机翼向上。如果构造机翼的形状能够导致升力大于飞机的重量，飞机就可以飞起来。

如果所有需要的力仅仅来自于机翼下表面导致的空气偏流，那么飞机就只需要一个类似风筝的平的机翼。然而，给机翼上表面产生的力和下表面产生的力指定一个具体的百分比既不精确，也没用处。这些(来自上、下表面的力以及它们的比例)都不是恒定值。它们的变化不仅取决于飞行条件，还和不同的机翼设计有关。

不同的机翼有不同的飞行特性。在风洞和实际飞行中测试了成千上万种机翼，但是没有发现一种机翼能够满足每一项飞行要求。每种飞机的重量、速度和用途决定了机翼的外形。

产生最大升力的最有效率的机翼是一种有凹陷的下表面的勺状机翼。作为一种固定的设计，这种类型的机翼在产生升力的时候牺牲了太多的速度，因此不适合于高速飞行。通过工程上巨大的进步，今天的高速喷气机又开始利用勺状机翼的高升力特性这个优势。前缘(Kreuger)襟翼和后缘(福勒)襟翼从基本机翼结构向外延伸时，直接把机翼的外形变化为经典的勺状形态，这样就能够在慢速飞行条件下产生大得多的升力。

另一方面，特别流线型的机翼风阻力很小，有时不能产生足够的升力让飞机离地。这样，现代飞机机翼在设计上采取极端之间的中庸，外形根据飞机的设计需要而变化。3

设计内容在方案设计阶段，要估算一个机翼面积和粗略地推测这个机翼形状。当设计进入到更详细的设计阶段，必须仔细考虑机翼几何参数，以得到对于规定任务是最佳的形状。虽然机翼不能和飞机其他部件(如动力装置、尾部布局、噪声等)分开孤立地考虑，但在设计的初始阶段，把精力集中在主要的机翼参数上是必要的，而在设计过程的后期，再考虑由飞机方案/技术指标所确定的全部因素。

可以在下述4个方面确定主要的机翼设计参数：性能要求、飞行品质、结构框架、内部容积。

性能要求在概念设计阶段必须考虑飞机性能要求。机翼的尺寸必须满足指令性(适航性)要求，并且必须对设计(技术指标)要求进行估算。在适航性要求中规定了一定的爬升率和使用速度。没计要求也规定了场长和巡航速度。

飞行品质保证飞机有可接受的飞行操纵品质，将影响到机翼几何参数的选择(如机翼的平面形状将影响低速时飞机失速和过失速特性)。设计要求将规定场长和巡航速度。在高速飞行时，气动弹性和气动力抖振也是一个考虑的准则。飞行器的操纵将受机翼的突风响应的影响，但这可以用同机翼操纵面结合的自动飞行控制系统来缓和。对于操纵性和稳定性来说，荷兰滚和横向响应将是重要的参数。而飞机自动飞行控制系统可以给这些品质以有利的影响。预测机翼平面形状对飞行品质的影响是困难的，以至于常常用“修整”来改正内在的缺陷。

结构框架对结构考虑的主要准则是安全和最小的重量。机翼结构框架必须支撑所有的非机翼部件(如发动机、起落架)，安置全部飞行控制部件和高升力装置(如副翼、襟翼、减速板等)。在所有这些要求中，机翼必须易于制造，并在其使用寿命期内维护方便。

内部容积机翼内部容积应能装进所要求的燃油(在不同的油箱内)、起落架(如果收进机翼型面内)和高升力装置及其他控制部件。4

水上飞机机翼设计由于水上飞机在水上起降时水载荷与飞机速度平方成正比，故机翼应采用襟翼这类增升装置，使水上飞机可在45kn(80km/h)左右以下速度在较小的水域安全起飞降落，另外机翼低的失速速度有利于缩短飞机在起飞时的滑跑距离和时间，这也意味着更早离开不平稳水面而更安全，飞机从水面起飞后很快加速和爬升是成功飞行的关键，展弦比在8～10的机翼，在大迎角爬升时诱导阻力小而更有利。

应按最大升力系数0.9来设计机翼面积，这样以便在飞机起降时，有进一步增加升力的潜力。

由于水上飞机有在水上起降运行的特点，为防水花影响机翼的气动特性，一般都采用上单翼的机翼布局，这也有利于防水花对机翼结构的腐蚀。

机翼应选择阻力系数和俯仰力矩系数小的翼型。

机身船体前段龙骨相对飞机基准纵轴有1°～2°上仰角，水上飞机在水中滑行时，龙骨相对水面有8°迎角，这时船尾正好离开水面，根据这时希望机翼产生最大升力来设置机翼安装角和襟翼的偏角。这样设置的机翼安装角在飞机以巡航速度飞行时。迎角偏大，故巡航时船体机身会略有低头，有利于改善驾驶员的视线。

水上飞机机翼上的副翼，除了同一般飞机一样要注意防止副翼反逆而差动设计外，还因水上飞机有在至少15m/s侧风下在水面起飞时纠正飞机机翼倾斜的需要，副翼面积要比常规飞机偏大。这样在空中飞行时副翼操纵会显得敏感．这可以通过在副翼区机翼选用9%～10%稍薄的翼型来改善。5