空气动力学与飞行原理课件：固定翼无人机空气动力学.pptx

空气动力学与飞行原理;;;;;1903年莱特兄弟发明的第一架飞机就是将操纵面放在机翼之前，也就是现在所说的鸭式布局。但那时候人们对空气动力学还缺乏基本的研究，也不了解飞机稳定性的要求，因此飞行遇到了重重困难。

随着人们对飞机稳定性和操纵性了解的逐渐深入，后来的飞机大都采用常规布局。因为鸭翼容易失速，将它作为纵向平衡和操纵的主要操纵面是不利的，因而鸭式布局没有得到广泛应用；而常规布局飞机特别适合于初期的螺旋桨飞机，因为发动机、螺旋桨和飞行员都在飞机的前部，平尾可以具有很大的力臂，另外平尾处于机翼的下洗流场和螺旋桨的滑流中，对平尾的平衡能力和操纵效率都起到有利作用。;随着飞机进入超声速飞行，机翼采用大后掠角引起飞机气动中心后移，同时由于发动机功率增大引起发动机重量增加，而大多数军用飞机发动机都安装在机身后部，这些因素使飞机的重心越来越靠后，平尾力臂不断减小，这就需要增大平尾面积，因而导致重心后移和增加平尾面积的恶性循环。而鸭式布局飞机的鸭翼在后掠机翼的前面，可以得到较长的力臂，因而有较好的操纵性。加上主动控制技术的发展和电传操纵技术的日趋成熟的应用，所以此时鸭式布局又引起人们的重视，特别是对于军用飞机。例如，美国在20世纪60年代研制的可以在高度21,500米、以马赫数3飞行的试验轰炸机XB-70就采用了鸭式布局。

根据鸭翼距机翼的相对位置，鸭式布局可以分为远距鸭式布局和近距鸭式布局两种形式，如右图所示。而左图则是采用近距鸭式布局的瑞典战斗机JAS-39“鹰狮”的三视图。;;;;;;;常规布局的飞机都有水平尾翼和垂直尾翼，它们是保证飞机稳定飞行和方向操纵的部件，但也是飞机沉重的累赘。由于尾段离飞机重心远，因此它们对全机结构重量的影响举足轻重，尾部质量减小1千克，相当于其它部件质量减小2千克，所以如果能够去掉平尾和垂尾，那么飞机的重量可以减小很多。同时尾段又是难以隐蔽的雷达反射源，所以没有了“尾巴”，飞机的固有隐身特性可以上一个新台阶。;;;;三翼面布局虽然可以综合利用常规布局和鸭式布局的优点，但也有??些问题值得注意

和需要进一步研究解决：

（1）大迎角气动力的非线性。三翼面布局的优点主要来自于漩涡的有利干扰，但在迎角增大到一定程度时，漩涡会发生破裂，导致飞机稳定性和操纵性的突然变化，以及气动力非线性的产生。

（2）超声速飞行时阻力大。由于增加了一个升力面，三翼面布局飞机在小迎角时的阻力比两翼面的要大，超声速状态增加的更多。因此，对于强调超声速性能的飞机，三翼面布局是否是一种很好的选择需要综合衡量。

（3）全机重量增大。虽然三翼面布局飞机的气动载荷在几个翼面上的分配更为合理，对减小结构重量有好处，但由于增加了一个升力面（同时也是操纵面）和相应的操纵系统，三翼面布局最终能否减小全机重量，需要通过具体的飞机设计才能澄清。

世界上没有任何事物是十全十美的，三翼面布局也有它的优点和缺点。但无论如何，三翼面布局为高机动作战飞机和现有飞机以及无人机的设计改进提供了一种可选择的途径。;1）一体化飞行器的优势

飞翼布局具有一体化设计的最大优势。由于无尾，只剩下机翼和机身，最适宜采用一体化设计技术。一体化设计技术包括两个方面：一是机体内部空间的一体化设计和利用；二是机翼和机身的相互融合设计。

空间利用充分，隐身性好。一体化设计的结果是飞机不但无尾，而且无机身。这样，从机体内部看，内部空间得到了最大的利用，如翼、身融合部位空间被充分利用，各种机载设备埋装在机体内，有利于飞机隐身。

;;;;变后掠翼布局飞机也有它的缺点。一是飞机的平衡不易保证。当机翼后掠时，气动中心后移，重心也后移，但前者移动量大，需要调整燃油移动重心或者增加平尾向下的配平力来保持飞机的平衡。而增加平尾的配平力就会增加飞机的配平阻力，从而降低飞机的飞行性能。二是由于转动机构结构和操纵系统复杂，带来较大的重量增加，不适合轻型飞机使用。此外，这种布局的飞机难于满足大迎角高机动以及隐身能力等要求，所以在新一代作战飞机的设计中已经不再采用变后掠翼布局。;世界上最早采用的斜掠机翼是前掠翼，而不是现在广泛采用的后掠翼，而机翼采用前掠翼的气动布局形式称为前掠翼布局。世界上最早采用前掠翼布局的飞机是德国的轰炸机JU-287。近年来，美国的X-29（图1-21）、俄罗斯的S-37“金雕”等飞机相继问世，并以其独特的气动布局形式，在世界飞机中占领了一席之地。;前掠翼的翼尖位于机翼根部之前，在气动载荷的作用下，翼尖相对于翼根产生的扭转变形使得翼尖的局部迎角增大，迎角增大又引起气动载荷的进一步增大，这种恶性循环的发展将使机翼结构发生气动弹性发散而导致破坏。为解决前掠翼的气动弹性发散问题，需要结构重量大大增加，从而达到不能容忍的地步