1、,第5章低速机翼及其气动特性,人类向往飞行是从模仿鸟类飞行开始的。但是由于鸟类飞行机理的复杂性，至今未能对扑翼机模仿成功。 而真正促使人们遨游天空的，也许是受中国风筝的启发，在航空之父凯利的科学理论指导下，将动力和升力面分开考虑，而发明了固定翼飞机。 飞机是二十世纪人类史最伟大的科学成就。是人类最快捷、舒适、高效、安全的交通运输工具，在国家安全、社会和国民经济的发展中占有极其重要的地位。,2.1 飞机的气动布局与机翼的几何参数,人类要想自由飞翔，必须做到： 1、必须有良好的气动外形 2、必须有轻巧的结构 3、必须有相当的动力 4、必须达到一定的速度 5、必须有机敏的操纵机构 6、必须有导航系统
2、,5.1 飞机的气动布局与机翼的几何参数,与鸟的飞行不同，飞机在空中能够飞行是依靠与空气的相对运动，而产生作用在飞机上的力和力矩来实现的。如对于水平等速直线飞行而言，从飞机受力条件，有 LG LV （升力与重力平衡） FD D/V （推力与阻力平衡） M=0 (俯仰力矩保持守恒）,5.1 飞机的气动布局与机翼的几何参数,飞机产生升力必须具备的条件： （1）有空气（飞机在空中飞行是靠作用于飞机上的空气动力）。此外，喷气发动机的氧气也是取源于空气。 （2）必须存在一定的飞行速度（飞机和空气之间要有一定的相对运动，产生空气动力）。 （3）要有适当的气动外形、受力大小和飞行姿态。 （4）必须存在保持和
3、改变飞行状态的能力。,5.1 飞机的气动布局与机翼的几何参数,1、飞机的气动布局 不同类型的飞机、不同的速度、不同的飞行任务，飞机的气动布局是不同的。 何为飞机的气动布局？ 广义而言：指飞机主要部件的尺寸、形状、数量、及其相互位置。 飞机的主要部件有：推进系统、机翼、机身、尾翼（平尾、立尾）、起落架等。,5.1 飞机的气动布局与机翼的几何参数,1、飞机的气动布局 不同类型的飞机、不同的速度、不同的飞行任务，飞机的气动布局是不同的。 何为飞机的气动布局？ 广义而言：指飞机主要部件的尺寸、形状、数量、及其相互位置。 飞机的主要部件有：推进系统、机翼、机身、尾翼（平尾、立尾）、起落架等。,5.1 飞
4、机的气动布局与机翼的几何参数,按机翼和机身连接的相互位置分为： 按机翼弦平面有无上反角分为：,5.1 飞机的气动布局与机翼的几何参数,按立尾的数量分为： 按机翼与平尾的相对纵向位置分为：,5.1 飞机的气动布局与机翼的几何参数,5.1 飞机的气动布局与机翼的几何参数,2、机翼的形状 机翼的外形五花八门、多种多样，有平直的，有三角的，有后掠的，也有前掠的等等。然而，不论采用什么样的形状，设计者都必须使飞机具有良好的气动外形，并且使结构重量尽可能的轻。所谓良好的气动外形，是指升力大、阻力小、稳定操纵性好。,5.1 飞机的气动布局与机翼的几何参数,美国战术运输机C-130 上单翼、平直机翼、4发翼下
5、吊布置、正常式布局,F-22猛禽当今世界最先进的第四代战斗机 中单翼、双发、梯形翼、双立尾正常式,5.1 飞机的气动布局与机翼的几何参数,F-22猛禽当今世界最先进的第四代战斗机 中单翼、双发、梯形翼、双立尾正常式,5.1 飞机的气动布局与机翼的几何参数,B-52远程战略轰炸机（同温层堡垒） 上单翼、8发翼下吊、后掠翼、正常式布局,5.1 飞机的气动布局与机翼的几何参数,B-52远程战略轰炸机（同温层堡垒） 上单翼、8发翼下吊、后掠翼、正常式布局,5.1 飞机的气动布局与机翼的几何参数,协和号超声速客机（Ma=2.04） 双发三角形机翼布局,5.1 飞机的气动布局与机翼的几何参数,A380客机
6、远程宽身运输机 下单翼、四发翼下吊、后掠翼、正常式布局,S37前掠翼战斗机（三翼面布局）,5.1 飞机的气动布局与机翼的几何参数,一般而言： 运输机-多数采用上单翼（便于装货） 高亚音速客机-下单翼布局、后掠翼、正常式布局 （升阻比大，运行经济，座舱噪声低，视野宽） （在机身下半部放置货物与燃油） 战斗机-多数采用中或下单翼，三角翼、大后掠翼 正常或鸭式布局 （速度快、阻力小、机动灵活、失速迎角大）,5.1 飞机的气动布局与机翼的几何参数,3、坐标系定义,x轴：机翼纵轴，沿机翼对称面翼型弦线，向后为正 ； y轴：机翼竖轴，机翼对称面内，与x轴正交，向上为正； z轴：机翼横轴，与x、y轴构成右手
7、坐标系，向左为正。,机翼平面形状,机翼上反角,机翼几何扭转,5.1 飞机的气动布局与机翼的几何参数,以下是用来衡量机翼气动外形的主要几何参数：,翼展：翼展是指机翼左右翼尖之间的长度，一般用l表示。,翼弦：翼弦是指机翼沿机身方向的弦长。除了矩形机翼外，机翼不同地方的翼弦是不一样的，有翼根弦长b0、翼尖弦长b1。,机翼面积：是指机翼在oxz平面上的投影面积，一般用S表示。,几何平均弦长bpj定义为,5.1 飞机的气动布局与机翼的几何参数,展弦比：翼展l和平均几何弦长bpj的比值叫做展弦比，用表示，其计算公式可表示为：,展弦比也可以表示为翼展的平方与翼面积的比值。,展弦比越大，机翼的升力系数越大，但
8、阻力也增大。高速飞机一般采用小展弦比的机翼。,根梢比：根梢比是翼根弦长b0与翼尖弦长b1的比值，一般用表示，,5.1 飞机的气动布局与机翼的几何参数,梢根比：是指翼尖弦长b1与翼根弦长b0的比值，一般用表示。,上反角 -指机翼弦平面和xoz平面的夹角，当机翼有扭转时，则是指扭转轴和xoz平面的夹角。当上反角为负时，就变成了下反角。低速机翼采用一定的上反角可改善横向稳定性。 =+70 - -30。,5.1 飞机的气动布局与机翼的几何参数,后掠角：后掠角是指机翼与机身轴线的垂线之间的夹角。后掠角又包括： 前缘后掠角-机翼前缘与机身轴线的垂线之间的夹角， 一般用0表示。 后缘后掠角-机翼后缘与机身轴
9、线的垂线之间的夹角， 一般用1表示。 1/4弦线后掠角-机翼1 /4弦线与机身轴线的垂线之间的 夹角，一般用0.25表示。,如果飞机的机翼向前掠，则后掠角就为负值，变成了前掠角。,5.1 飞机的气动布局与机翼的几何参数,几何扭转角：机翼上平行于对称面的翼剖面的弦线相对于翼根翼剖面弦线的角度称为机翼的几何扭转角 ；如右图所示。若该翼剖面的局部迎角大于翼根翼剖面的迎角，则扭转角为正。沿展向翼剖面的局部迎角从翼根到翼梢是减少的扭转称为外洗，扭转角为负。反之成为内洗。,5.1 飞机的气动布局与机翼的几何参数,除了几何扭转角之外还有气动扭转角，指的是平行于机翼对称面任一翼剖面的零升力线和翼根翼剖面的零升
10、力线之间的夹角。 安装角 ：机翼安装在机身上时，翼根翼剖面弦线与机身轴线之间的夹角称为安装角.,5.1 飞机的气动布局与机翼的几何参数,除了几何扭转角之外还有气动扭转角，指的是平行于机翼对称面任一翼剖面的零升力线和翼根翼剖面的零升力线之间的夹角。 安装角 ：机翼安装在机身上时，翼根翼剖面弦线与机身轴线之间的夹角称为安装角.,5.1 飞机的气动布局与机翼的几何参数,定义机翼纵向绕流的无量纲气动系数为 升力系数 阻力系数 纵向力矩系数,5.2 机翼的空气动力系数，平均气动弦长和焦点,2、机翼的平均气动弦长,5.2 机翼的空气动力系数，平均气动弦长和焦点,根据翼型理论，作用在翼型上的纵向空气动力可以
11、用作用在翼型焦点上的升力、阻力与绕该点的零升俯仰力矩来代表，力矩的参考长度是翼型的弦长。类似地，作用在机翼上的纵向气动力亦可用作用于机翼焦点上的升力、阻力与绕该点的零升俯仰力矩来代表，但作为力矩的参考长度是平均气动弦长bA。,平均空气动力弦长是个假想矩形机翼的弦长，这一假想机翼的面积S和实际机翼的面积相等，它的力矩特性和实际机翼也相同。,假想矩形机翼的零升俯仰力矩为,5.2 机翼的空气动力系数，平均气动弦长和焦点,上式中mz0为假想机翼的零升俯仰力矩系数，也是实际机翼的零升俯仰力矩系数，q为来流的动压。,实际机翼微元面积b(z)dz的零升俯仰力矩为,上式中 为翼型的零升俯仰力矩系数。,则实际机
12、翼的零升俯仰力矩为,5.2 机翼的空气动力系数，平均气动弦长和焦点,因此作用在剖面焦点的升力对oz轴的力矩为,为当地剖面的升力系数。所以有,假设 ，则可以得到焦点位置为,5.2 机翼的空气动力系数，平均气动弦长和焦点,所以机翼的平面形状给定后，机翼的焦点位置xF就可以确定。,由于在推导过程中曾假设剖面的焦点位置在14弦长处，这个假设对大展弦比直机翼是对的，但对后掠机翼和小展弦比机翼来说与实际是有出入的。,要精确确定后掠机翼的焦点位置，必须依靠实验或按下面要介绍的升力面理论进行计算。,5.3 大展弦比直机翼的气动特性,二维翼型相当于展长无限大的机翼，即=，而实际机翼的展长及相应的均为有限值，流动
13、必是三维的。 本节讨论低速时，大展弦比（5）的直机翼(1/4200）气动特性。,2.3.1 绕流流态,在一大展弦比直机翼的后缘上，沿其展向均匀地贴上一排丝线，在丝线的末端系着小棉花球，然后将机翼置于低速风洞中。,当迎角很小时，则可看到翼尖的两棉花球稍有方向相反的旋转。,5.3 大展弦比直机翼的气动特性,若迎角增大，则翼尖的棉花球旋转速度加快，而且靠里端的棉花球也和翼尖的棉花球一样地旋转起来，但速度较慢。,迎角不变，若系棉花球的丝线加长，则只有翼尖的棉花球旋转。,5.3 大展弦比直机翼的气动特性,这些现象说明了紧接机翼 后面近似地与机翼处于同一平 面中的气流是作环行运动，而 稍远以后即只有翼尖后
14、面的气流作环行运动。,发生上述现象的原因是，气流以 正迎角绕机翼流动时，机翼产生向上的升力，下翼面的压强必定大于上翼面的压强,下翼面的高压气流有向上翼面流动的倾向。,上翼面流线,5.3 大展弦比直机翼的气动特性,下翼面流线,对于= 的无限翼展机翼，由于无翼端存在，上下翼面的压差不会引起展向的流动，展向任一剖面均保持二维翼型的特性。对于有限翼展机翼，由于翼端的存在，在正升力时机翼下表面压强较高的气流将从机翼翼尖翻向上翼面，使得上翼面的流线向对称面偏斜，下翼面的流线向翼尖偏斜，而且这种偏斜从机翼的对称面到翼尖逐渐增大。如图所示。,5.3 大展弦比直机翼的气动特性,由于上下翼面气流流线的偏斜，上下翼
15、面气流在机翼后缘会合时尽管压强一样，但展向分速是相反的，所以在后缘处要拖出轴线几乎与来流方向平行的旋涡组成的涡面，这涡面称为自由涡面。,因为气流的偏斜从机翼对称面到翼尖是逐渐增大，所以自由涡面在两翼尖处的旋涡强度也较大，这也就是上面看到的在两翼尖的棉花球旋转速度比其他棉花球来得快的原因。,由于旋涡的相互诱导作用，在离开后缘较远的地方（大约1倍展长）自由涡面将卷成两条方向相反的涡索，涡索的轴线大约和来流的方向平行，如下图所示，所以上述观察实验中，如丝线较长时，只有翼尖的棉花球落在涡索之中才发生旋转，而其他棉花球不会旋转。,5.3 大展弦比直机翼的气动特性,机翼绕流与尾涡,5.3 大展弦比直机翼的
16、气动特性,诱导阻力,由于翼尖涡的诱导，导致气流下洗，在平行于相对气流方向出现阻碍飞机前进的力，这就是诱导阻力。,翼尖涡的形成,正常飞行时，下翼面的压强比上翼面高，在上下翼面压强差的作用下，下翼面的气流就会绕过翼尖流向上翼面。,这样形成的漩涡流称为翼尖涡。（注意旋转方向）,正常飞行时，下翼面的压强比上翼面高，在上下翼面压强差的作用下，下翼面的气流就会绕过翼尖流向上翼面，就使下翼面的流线由机翼的翼根向翼尖倾斜，上翼面反之。,由于上、下翼面气流在后缘处具有不同的流向，于是就形成旋涡，并在翼尖卷成翼尖涡，翼尖涡向后流即形成翼尖涡流。,翼尖涡形成的进一步分析,注意旋转方向,翼尖涡的立体形态,翼尖涡的形态
17、,下洗流（DownWash）和下洗角,由于两个翼尖涡的存在，会导致在翼展范围内出现一个向下的诱导速度场，称为下洗。在亚音速范围内，这下洗速度场会覆盖整个飞机所处空间范围。,下洗角,下洗速度的存在，改变了翼型的气流方向，使流过翼型的气流向下倾斜，这个向下倾斜的气流称为下洗流，下洗流与相对气流之间的夹角称为下洗角。,下洗速度沿翼展分布,不同平面形状的机翼，沿展向下洗速度的分布是不一样的。,诱导阻力的产生,有限展长机翼与无限展长机翼相比，由于前者存在翼尖涡和下洗速度场，导致前者的总空气动力较后者更加后斜，即前者总空气动力沿飞行速度方向（即远前方相对气流方向）的分量较后者更大。这一增加的阻力即为诱导阻
18、力。,诱导阻力的大小：Di =CDi 1/2 V2 S 机翼平面形状：椭圆形机翼的诱导阻力最小。 展弦比越大，诱导阻力越小。 升力越大，诱导阻力越大。 平直飞行中，诱导阻力与飞行速度平方成反比。 翼梢形状影响诱导阻力。,影响诱导阻力的因素,机翼平面形状：椭圆形机翼的诱导阻力最小。,展弦比越大，诱导阻力越小 升力越大，诱导阻力越大 平直飞行中，诱导阻力与飞行速度平方成反比 翼梢小翼可以减小诱导阻力,展弦比对诱导阻力的影响,展弦比对诱导阻力的影响,高展弦比飞机,空速大小对诱导阻力大小的影响,空速小，下洗角大，诱导阻力大,空速大，下洗角小，诱导阻力小,翼梢小翼,翼梢小翼可以减小诱导阻力,翼梢小翼可以减小诱导阻力,翼梢小翼改变了机翼沿展向分布的翼载荷。,翼梢小翼可以减小总阻力,
