1、第八届海峡两岸航空航天学术研讨会The 8th Crossstraits Conference on Aeronautics and Astronautics飞机气动布局型式综述李忠剑 肖雪飞(北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191)摘要：文中较全面的总结了飞机常用的气动布局型式，包括正常武布局、其发展型式如前掠翼布局、可变后掠翼布局等、非常规布局型式如飞翼布局、联翼布局等，并阐述了各种布局型式的概况、优缺点和技术难点。关键词：气动布局 正常式布局 非常规布局Overview of Aircraft LayoutLi zhongjian Xiao xuefei(Beijing U
2、niversity ofAeronautics and Astronautics Institution ofAerospace Beijing 100191)Abstract：The paper presents a comprehensive summary of configurations which commonly used andinvestigated in aircraft，including normal layout，development paRems of normal layout such asforward-swept wing，variable sweep w
3、ing，and unconventional layouts such as flying wing，joined wingconfiguration and SO onFor each kind of configuration，the paper trys to give details of its overview,advantages，disadvantages and technical difficultiesKey words：Aerodynamic layout normal layout unconventional layout1飞机气动布局概述飞机气动布局型式通常指其不
4、同气动力承力面(机翼、机身、尾翼等)的安排型式n2。气动布局设计是空气动力的总体设计，其目的是按照设计要求和使用要求进行协调与权衡，实现最佳的总体布置型式。飞机气动布局型式的选择是飞机设计过程中至关重要的一个环节。它对飞机的气动性能、结构特征、飞行品质、使用维护等方面有重大影响。航空发展历经百余年，飞机设计师们发挥聪明才智，提出了多种多样的气动布局型式。每一种布局因其独特的特点，各具一定的优点和缺点，并随着科技的进步以及相关技术难点的突破，得到了不同程度的研究、发展和应用。2正常式布局正常式布局是指机翼在前、水平尾翼在机身后段的布局型式。正常式布局经过长期的发展成为飞机布局型式的主流，得到了广
5、泛应用，当前绝大部分飞机都采用这种布局型式，特别是民用运输类飞机，如空客的A380和波音的B787等，都采用了这种布局。军用飞机如苏一27、美国第四代战斗机F-22也采用了正常式布局。正常式布局优点是明显的：1)广泛采用，技术成熟，数据资源、知识储备和设计经验丰富，理论研究完善，生产技术也成熟稳定，同其他气动布局型式相比各项性能比较均衡。2)正常式布局飞机机翼一尾翼的组合具有较好的纵向和横航向稳定性。在正常飞行状态下，正常式布局的水平尾翼一般提供向下的负升力，保证飞机各部分的合力矩平衡，安全可靠。3)合边条翼、推力矢量等技术，可以有效改善飞机在中到大迎角范围的机动能力。正常式布局的缺点主要体现
6、在：对于静稳定的正常式布局飞机而言，水平尾翼需产生负升力，减小了全机升力，而且平尾位于机翼的下洗区，影响平尾效率。70。渊燃慧黧勰篡。；3正常式布局的发展型式随着飞行速度增大并接近音速时出现撤波，后掠翼布局凼其可以提高Hi力发散码赫数，得到了广泛的应用，特别足在高亚声速军机、民用运输机，几乎都采用后掠髯型式。与后掠翼布局相对应，自口掠翼mJ局、叮变后掠翼布局、三角翼布局也有一定的发展，M时，边条翼也r泛应用十战斗机。光论前掠翼、町变后掠翼、三角翼诬是边条翼布局，其尾翼仍然般布置在机翼之后，IpgL身后段，在这里，将它们归属。正常式佑局的发展型式。3 1前掠冀布局#在二战期间德国就研制了Ju一2
7、87 6掠翼轰炸机，机翼前掠角为15。随着1ii掠角的增大，】i矿掠翼的气动弹性发散速度迅速F降。在早期，气动弹性技散问题始终制约着前掠器的进一步发展，所以前掠翼布局投有得刨广泛的J懂川。随着复台材料铺层设计和气动剪裁设计技术的席片I，前掠翼的气动弹性发散问题能得到有效的解决。目前典犁的前掠翼E机宵苏一47“会雕”战斗机。美围x一29前掠翼验证机，如图1所不。前掠翼布局的优点：1)和后掠翼一样。前掠翼可以提高阻力发散马赫数。2)具有良好的失速特性。前掠翼产生的向内侧气流可避免翼尖气流分离，失速儿翼根开始，使副翼效率保持到更大的迎角“。3)从理论I：分析，前掠翼布局有较好的跨声速低i特性“。4)
8、前掠程布局机霓翼根靠近机身后段，有利1近距鸭面布局，改善性能：丰要受力结构后移，将增大机身内可利用的容积。而前掠翼布局晟丰要的缺点在十结构发散问题。根部流动分离问题也较严重”1。阿掠翼柑局的设计熏点在于解决气动弹性发散和结构刚度问题，可以采用的新技术包括气动弹性剪裁殴计复台村抖铺层设计，放宽静稳定技术等”。从实际的设计角度考虑，前掠机翼的前缘掠角不能过人否则其后缘后掠角就A人，这样不但翼根失速问题严重也降低后缘襟翼的效率并增加结构设计的困难，但是前缘前掠角太小叉会造成超音速阻力太大，所以合理选择酊缘前掠角也是设计重点。目1美陶xz9前掠舆验证机 图2 “狂风”战斗机3 2可变后掠翼布局町变后掠
9、翼飞机，在低速飞行时机翼展开，获得较好的低速性能，高速飞行时机翼后掠，降低飞行l力，挺高高速性能。早在第二次世界大战术期，德陶设计gtlJtfJ便开始研究变后掠翼柑局，之后美国设计了X-5和XFIOF一1变后掠翼飞机，验证了可变后掠翼飞机在结构和使用上的可行性。年代诞牛的卜11IA足第架实战的变后掠E机，目前典型的可变后掠翼战斗机有F_14、“狂风”战；机、米格一23等，如图2所示，典型的可变后掠翼轰炸机有美国的B一1B和前苏联的图26。可变后掠翼m，局的优点十分显著能较好的精顾高低速性能要求，保证E机在低速和高速时均具有较好的气功特性。!燃黧墨蒸黧羹!兰。：可变后掠翼布局的缺点也很明晟：I)
10、 转动机构复杂，使机翼的质量增大，n，靠性也随Z降低。2) 机翼后掠角的变化会引起气动中心和重心的大幅度移动，如果解袂不好，将f起严重的稳定和操纵性问题“+。3) 复帑的后掠翼机构往往占据机身大部分空间限制r飞机的承载能力。町变后掠翼t，局必须合理设计转动机构选择恰当的转轴位置、合理确定变后掠角范围以减小气动中心的变化蜃，综合考虑性能要求和操稳性要求，采用自动增稳系统等。3 3三角翼布局当速度进步增大达到超声速状态时，后掠翼型式发展成三角翼犁武。时苏联的图144和英法联合研制的“悱和”号超声速运输机，就是麻用了三角冀的拈局型式，如幽3所示。战斗机+般要求高速、商机动，三角翼被广泛应用，如米格一
11、2l、美国的F-102、F 104等。轰炸机如美国的B一52等也采用了三角翼靠局。三角翼布局最人的优点是良好的超音速性能(进步降低波阻)和高效牢结构特性(相同设计条什下，重最晟轻)的结合：三角机翼气流分离的特点是产生漩满，会带来涡升力的好处。另外操纵舵面布置在人后掠的三角翼后缘，离重心远，操纵效率高，特别适合无尾布局型式。三角翼布局的缺点在于机翼诱导阻力大对亚音速巡航和跨音速机动不利：大后掠二角翼飞机腱弦比小，低速性能较差。-角翼布局的技术难点在于必须对前缘分离涡的卒气动力特性有充分的了解，利用漩涡空气动力来改善性能。嘲3 “协和”号飞机 阁4 F-18哥特式太边条3 4边条曼布局机翼边条是指
12、在飞机的机翼根部，向前延仲一片太后掠角尖前缘的小=角形(或拱形、S形等)翼而“。而边条翼是指一种特定的混合平mi形状机翼包含机翼边条幂l基本翼。边条翼可以协调低亚音速和超音速的矛盾，使飞机在低、高速下均有较好的气动特性。边条翼布局是近几十年提出的新的布局型式，理论基础是漩涡空气动力学，自提出2后，得到了。泛的应用，如俄罗斯的苏27、米格一29，美国的F 16、F18等均采用了边条翼布局，如图4所示。边条翼布局的优点表现在：1)在低速大迎角飞行时，边条产生根强的脱体涡，带米很高的涡升力增量；脱体涡与基奉翼的有利f扰，推迟基本翼的气流分离，提高了全机升力并改善飞机的大迎角特性。2)边条和基本翼相互
13、补允。低速时，基牟翼提供t璺的升力，弥补边条气动效牢低的父缺；高速时边条相对厚度小，后掠角太，减小波m。边条的存在会使气动中心前移引发俯仰力矩仰，边条涡旦破裂，会带来性能的突变t边条翼布局的设计要注意选择台遁的边条形状、面积、艮细比和位置等，以及基本翼的平面形状和基本参数；综合考虑边条对升力和力矩特性的影响；必须对边条脱体涡的空气动力特性有充分的认。燃僦慧：慧罂蔫。：4非常规布局1#常规靠局又可以称为新颖布局型式多样。皿然非常规布局至尚未大量使用，但是它们部曾被认真的研究，凶为每种型止在设计和使用方面都有潜在的优点。41鸭式布局鸭式布局足指将承、P尾翼安排在机翼之6U的气功m，局。世界上第架飞
14、机，茉特兄弟的“飞行者】弓4就足最早的鸭式柑肘E机。Fh于理论的父缺，tI，期对鸭翼的气动特性、稳定性了解得不多，之后的鸭式E机比较少见。但随精空气动力学理论的发展，相关技术的成热，鸭式mi局已经成为现实，包含近距鸭面和远距鸭面两种型式。搀掣代表目【种为法国的“阵风”、欧洲的“台风”、瑞典的JAs一39“腥师”等，如图5所示。鸭式m局的优点包括：1)对于静稳定的E机鸭翼产生向上的平衡力，摊高r全机的升力2)在中人迎柏时，鸭翼和】三舞都产生脱体满，两肯相互作州，使涡系更稳定而产生根高的涡川力。近距鸭面对主嚣具仃；f利的气动干扰作用改普王翼气流状况，使b机火迎角特性优越。3)机动性比正常式布局E机
15、更好，也利于短距起降。4)近距鸭面括近机髯H社fr半尾较正常式布局型式有更均匀和光滑的纵向面秘分布田而可能到较低册跨音述阻力。鸭式布局的缺点有：1)时j静稳定的鸭式布J；jj E机鸭而诱导Hl力较大。2)鸭面如粜失速会影响鸭吱飞机的起飞着陆和大迎角平衡能力。3)大迎角下，如果鸭面前缘涡破裂，叮能使E机纵向静稳定性变差，鸭面尾流也有可能导致大迎角的横侧币稳定“。4)鸭式布局在J=迎角时俯仰力矩上仰严重，由十无甲尾，难以提供足哆的低头操纵力矩，操纵能力受到限制。鸭式布肺E机常见于追求高机动性的战斗机，其设计难点在于选择台适的鸭翼位置，形状、参数以及克服人迎街俯仲力矩上仰的问题。uT以通过在后桃身加
16、边条(如x-29)或限制放宽静稳定余度，同时可以来推力矢景技术、上动控制技术(ACT)米解决6。圉5“阵风”艘斗机 图6美围B-2隐身轰炸机4 2飞鼍布局E翼布局是单机翼式柑局机身和帆翼融为体。E翼布局足气动敏率最高的布局型式，在航空技展的早期便得到定的研究但出于在撵稳、控制方面固有的缺晰其芨展直受判限制。随着新技术的应用，E翼舢肘的缺陷得到下同样座的解决，在军川领域，芰陶的B-2凼灵隐身轰炸机采_I纯E翼，足E翼女，埘屉成功的设计，如图6所示。另外有研究指出，E翼如局是无战斗机的理想如局型式8，美固的x一45、x 47欧洲的“神经元”无战斗机均采JJ飞翼布局。在民顿第八届海峡两岸航空航天学术
17、研讨会The 8th Crossstraits Conference 0I!Aeronautics and Astronautics域，波音提出了N+3代民用飞机采用的就是飞翼布局型式，美国的X-48验证机也验证了飞翼布局运输机的可行性。飞翼布局的优点：1)飞翼布局是气动布局一体化设计的最佳布局旧1，外形干净，空气动力效率高，阻力小，升阻比大，巡航效率高，可以提高燃油效率，在民机使用上经济性更好。2)对于军用飞机，飞翼布局有较小的雷达散射截面积，隐身性能非常好，具有更广的发展前景。3)与常规布局相比，有更高的有效装载系数，有效空间大。对于民机，能增加客舱容积和改善舒适性。4)通过仔细的设计，可
18、以使其结构重量轻，刚性好【91。飞翼布局的缺点：1)最大的缺点在于稳定性不足。纵向静稳定不足，而且荷兰滚模态发散、偏航阻尼小，导致航向中立静稳定甚至静不稳定。2)采用无尾布局，操纵面不好布置，操纵力臂相对较短，操纵效率低，三轴向耦合严重。3)对于民机，应急逃生系统设计较传统布局困难；飞翼布局客舱剖面不可能成为圆形，因此相关的气密设计及承力结构布置较为困难，充压座舱可能导致飞机重量的增加。飞翼布局的设计，关键技术主要涉及总体气动设计、控制系统设计、高效结构设计等u引，一体化综合设计是重要的设计理念；必须注意操纵面的合理设计，考虑增稳、增阻尼、舵效合理配置，保证足够的操纵性，实现安全的起降和航迹的
19、控制，一般可以采用推力矢量技术，或者采用创新操纵面，如升降副翼，阻力方向舵，全动翼尖等，同时需要结合采用放宽静稳定技术、主动控制技术、复合材料技术等。43联翼布局联翼布局飞机是将后掠前翼和前掠后翼巧妙地结合连接成菱形框架结构的飞机，这种布局的俯视图和主视图外形都形成菱形。联翼布局前后翼可以直接相连，或者中间以端板相连形成盒式布局。联翼布局概念在上世纪70至80年代就已经提出，但到目前为止，对其丰富而复杂的机理仍然缺乏理解，当前并没有全尺寸验证机出现，但其独特的结构吸引了众多的飞机设计师，他们展开了预先的研究，图7展示的是设计师们对未来联翼飞机的概念方案图。联翼布局的优点包括：1) 大大加强了结
20、构的剐性，提高了扭转和弯曲刚度，因此抗扭抗弯性能好，抗坠毁和抗震能力较强。同时改善了结构的整体受力条件，结构重量可以相应减轻。2) 具有直接升力和直接侧向力控制的能力，可为飞机提供独立的姿态或轨迹控制，改善飞行的响应品质。3) 跨音速面积分布好1 2。4) 容易布置翼尖短板或小翼，减小下洗，较小诱导阻力u引。联翼布局的缺点：1) 存在着气动、结构、气动弹性、操稳性等专业的强耦合。2) 联翼结构较复杂，设计困难；气动弹性问题也比较突出n“。3) 结构连接处的气流流动特性差，部件之间的气动干扰较大，飞行阻力较大。4) 整体协调困难，特别是发动机、起落架、前后翼之间的布置。相比于同机翼面积的正常式布
21、局，燃油装载空间较小。联翼布局存在多专业的耦合。结构设计难度大，特别是前后翼之问的连接设计；需分析气流分离的情况、部件之间的气动干扰、起落架的布置、发动机的安装等问题。联翼布局常作为远航程大型运输机、空中加油机、无人机的预选方案。74第n月海峡日岸航i航*学术研讨会Thc 8thCmss-strailxConf湘nA肿眦ullcs andAs“cs4 4三冀面布局二翼面布局是在正常式布局的基础上增加一个水平前程，即E机的升力面由前翼、机翼和尾翼构成。闻此，此种布局可以看成是正常式布局和鸭式布局的综合，既侃持了正常式布局操稳方面的优点，叉具有鸭式布局机动性强的优点，因此可以得到更好的气动、撵纵和
22、配平特性。目前，已经有些战斗机采用二翼面布局型式，但为数不多，典型机种为苏一35、苏一37等战斗机。图8为一翼面布局的茅一35战斗机。二翼面布局的优点如下：1) 能提供吏大的引，前翼和平尾都可咀产生正升力。2) ：翼面布局在正常式布局上增加了前葵使气动载荷分配吏合理，从而可以减小机翼上的载荷，减小机翼结构重量。3) 前翼对机翼产生有利的干扰，改善大迎角特性和起降特性，提高机动性凡不需要依赖大的静不稳定度”。前翼与机翼前后缘襟疆以及甲尾配台操纵，可以提高大迎角操纵效率。4)增加了个前翼操纵的自度，彝易实现A接力控制。达到对E行轨迹的精确控制，且使战斗机的机动能力护展到个新的领域。5)便于在现有机
23、型的基础上改装，进步提高性能。三翼面布局的缺点：1)增加一个鬓面及操纵系统，使得结构复杂性有所增加，同时有可能增加结构重楚和成本。2)增加的翼面会增加E行阻力，超音速状态影响更明显。3) 前翼产生的漩涡一旦破裂，会带来操稳特性的突然变化，并产生非线性气动力。二翼面布局主要州于战斗机。在设计过程中要周详考虑前翼的选释和位置的安排，充分发挥前翼的作用：必须注意漩涡的影响和干扰。4 5无尾布局这里的无尾布局指的是没有半尾和前翼，柯立尾，升山喇只有机翼的布局型式。无尾布局常与小展弦比二角翼结合飞机的纵向操纵和配平由机翼后缘的川降舵来实现。有些战斗机采用这种布局比较有名的是两大无尾乍用机系列，一是法田的
24、幻影系列战斗机，如图9所示为幻影2000：H外是美国的无尾军用飞机系列，如F-102、超音速高卒侦察机sR 71；除此之外还有英国的“火神”轰炸机等。在民机领域，“协和号”等M2级超音速民用机也是无尾布局但由于追求稳定性j安全性，民机一般小采用无尾布局。无尾布局的优点：1) 南没有平尾，减古r半尾引起的5H力超卢速阻力小，升阻比大，高速气动力特性好。2) 住结干句上，机身结构得到筒化，强度希刚度特性空F加上投有平尾，使得结构莺量轻。3)取消尾翼2后将使飞机的目标特征尺寸太为减小，隐身性能得到提高。4)取消尾晃及相应操纵系统，降低飞机寿命周期的成本，提高经济性”。无尾布局的献点包括：第n目海峡月
25、岸航i航i$研Wene 8mcsmlbConfe onAerom，cs a哪A蝴utsi)止尾飞机操纵特性差。纵向操纵和配平仅靠机翼后缘的升降舵来完成，一方面尾臂较魁，面积受到限制，效率较低，另一方面在飞机起降时，容易造成操纵困难和配平阻力增加，并且，大迎角气流分离和机翼气动弹性对操纵面的效率有更大的影响“”。2)亚声速性能不好低速机动性能、起飞着陆性能较差突风敏感因子较大”1。无尾布局的技术难点在十操纵性和稳定性的考虑。如果采用电传操纵系统、丰动控制技术或者推力矢量技术，可放宽静安定度，纵向操纵和配平也容易得到解决。罔9幻影2000战斗机 罔10诺斯罗普双机身布局4 6多机身布局近来超大型飞
26、机受到了设计师们的广泛关注，多机身布局的概念随着被提出和研究。双机身布局将两个机身分别布置在飞机中轴线两侧，三机身布局在双机身的基础上1飞机中轴线上再布置个机身。在NASA公布的未来N+3代民用飞机概念方案中。诺斯罗普格鲁曼公司提出了投机身布局方案，如圈10所示。多机身布局的优点：i)提高装载效率。2) 飞机中轴线两侧各有一个机身，分散了载荷，问时，针对机翼升力产生惯性释放载荷，据估计，这种释放将降低机翼和机身的结构重量3。3)双机身布局结构弯曲和扭转刚度得l怩高相戍可以减小结构重量，4) 由于两个机身是一样的，相比于同帚级的正常式布局飞机，可能减少制造成本。多机身布局的缺点：i)机身和机翼之
27、间气流状况和干扰效应未知且难以把握，由此产生的气流分布影响襟鬓和操纵面的效率并继而影响飞机的飞行力学性能“。2)起落架布置不同于正常式布局，布冕和协调较为困难。对机身结构的分析较复杂。3)对于取机身布局驾驶舱布置在一个机身的头部，偏离飞机中线，视界小好，操作困难。多机身布局较适宜丁大型运输类飞机，主要技术难点在于机身与机翼的气动和结构分析，需详细分析气流状况和结构之间的干扰，宜采用主动控制系统对飞机进行操纵和控制，应用一体化综合设计技术等。参考文献(refcrcmcesl1李为1机总件设计(刚日安：口北Iqk大学自版社2005 25422方i璃飞机气动布目设计邮北京航I出版社1997 13-1
28、01831*#，自Wn日n“*镕自#”*n目二MiInmn 200765 72n1小平太R弦M前掠翼气自特性研A【D：日i：日北【：n#2005【5$晓m in#机翼前#翼【J_#卡，#，200314)6日*#1机#*W北京：北京航航*大m“200i：52 587“谋#j盘每驻分离*研究J|匕m卒m 1987(4)8是女*，im菩ZMls气自$月UCAV件设计目选#J。*#，2003(I)9Ab，自“1#m月q自*gA研RJ十#m与I：n 2009，9(12)第八届海峡两岸航空航天学术研讨会The 8th Crossstraits Conference on Aeronautics and A
29、stronautics10董建鸿，戴思宗等大型运输机先进概念布局研究c第五届飞机发展与设计专业年会论文集西安：第一飞机设计研究所11Jullian WolkovitchThe Joined Wing：An OverviewCAI从23rd Aerospace Science MeetingAmerica：12顾诵芬民用飞机总体设计M上海：上海交通大学出版社2010：23-28213Lt R詹金森，P辛普金，D罗兹民用喷气飞机设计M中国航空研究院出版社2001：22-3314邓扬晨，吴敬涛等大展弦比直机翼双机身飞机中机身与机翼的最佳布置问题J飞机设计2005(1)77飞机气动布局型式综述作者： 李忠剑， 肖雪飞作者单位： 北京航空航天大学 航空科学与工程学院,北京 100191引用本文格式：李忠剑.肖雪飞 飞机气动布局型式综述会议论文 2012
