飞机水平尾翼翼型,对称双凸和平板翼型的气动差异性是什么?

飞机的整体设计就是根据 空气动力学,飞机为什么能飞,怎么起飞,降

落,在空中作机动,全部是靠着飞机根据空气动力学的设计。

飞机起飞的原理:起飞,伴随着发动机带来的推力,给于飞机一个很快向

前运动的速度,使空气与飞机产生相对运动,空气流经机翼,由于机翼

的流线体设计,造成上下表面产生压力差,从而产生向上的升力,使其

与飞机自身重力平衡,并且爬升,当然在起飞的时候,飞行员会有一个

拉杆的动作,用来控制位于飞机尾部的水平升降舵。用简单的话来说,

就是增加飞机抬头的姿态,是飞机能在较短的距离里离开地面。

飞机降落的原理:降落,是减小发动机的推力,使飞机速度减小,从而

减小空气流经机翼的速度,从而减小升力,使飞机下降,降落的过程相

对复杂,因为你要控制飞机在一个比较缓慢的速度下,一边向前飞行,

一边下降,还要避免失速。还要争取在跑道头接地。期间还要伴随风向

风速进行调整,还要放襟翼,减速,增加升力,调整下降的角度。总体

来说是一个复杂和重要的过程。

以上就是我简单的一些介绍,如果你想了解更多或者更详细的,可以发

飞机的着陆及其操纵原理

飞机的着陆及其操纵原理
      飞机从一定高度下滑,井降落地面滑跑直至完全停止运动的整个过程,叫着陆。

  飞机着陆的操纵原理

  与起飞相反,着陆是飞机高度下断降低、速度不断减小的运动过程。 飞机从一定高度作着陆下降时,发动机处于慢车工作状态,即一般采用带小油门下滑的方法下降。飞行高度降低到接近地面时,必须在一定高度上开始后拉驾驶杆,使飞机由下滑转入平飘这就是所谓"拉平"。飞 机拉平后,飞机速度仍然较大,不能立即接地.需要在离地0.5~1米高度上继续减小速度,这个拉平后继续减小速度的过程,就是平飘。在这个过程中,随着飞行速度的不断减小,飞行员不断后拉驾驶杆以保持升力等于重力。在离地0.15~0.25米时,将飞机拉成接地所需的迎角,升力稍小于重力,飞机轻柔飘落接地飞机接地后,还需要滑跑减速直至停止,这个滑跑减速过程就是着陆滑跑。由上可见,飞机着陆过程一般可分为五个阶段:下滑段、拉平段、平飘段、接地和着陆滑跑段。

  拉平是飞机由下滑转入平飘的曲线运动过程,即飞机由下滑状态转入近似平飞状态的过程。为完成这个过程,飞行员应拉杆增加迎角:使升力大于重力第一分力, 此两力之差为向心力,促进飞机向上作曲线运动,减小下滑角。对某些飞机,因放襟翼后,上仰力矩较大,下滑中通常是向下顶杆以保持飞机的平衡,所以开始拉平时只需松杆,后再逐渐转为拉杆。拉杆或松杆增大迎角,阻力也同时增大,且因下滑角不断减小,重力也跟着减小,所以阻力大于重力飞行速度不断减小。可见飞机在拉平阶段中,下滑角和下滑速度都逐渐减小,同时高度不断降低。飞行员应根据飞机的离地和下沉接近地面的情况,掌握好拉杆的分量和快慢,使之符合客观实际,才能做到正确的拉平。如高度高、下沉慢、俯角小,拉杆的动作应适当慢一些;反之,高度低、下沉快、俯角大,拉杆的动作应适当快一些。

  飞机转入平飘后,在阻力的作用下,速度逐渐减小,升力不断降低。为了使飞机升力与飞机重力近似相等,让飞机缓慢下沉接近地面,飞行员应相应不断地拉杆增大迎角,以提高升力。在离地约0.15--0.25米的高度上将飞机拉成接地迎角姿态,同时速度减至接地速度,是飞机轻轻接地。

  在平飘过程中,飞行员应根据飞机下沉和减速的情况相应地向后拉杆。一般来说:在平飘前段,需要的拉杆量较少。因为此时飞机的速度较大,在速度减小,升力减小时,只需稍稍拉杆增加少量的迎角,就能保持平飘所需的升力。如拉杆量过多,会使升力突增,飞机将会飘起。

  在平飘后段,需要的拉杆量较多。因为此时飞机的速度较小,如拉杆量与前段相同,增加同样多迎角,升力增加小,飞机将迅速下沉;此外随着迎角的增大,阻力增大,飞机减速快,也将使飞机迅速下沉,因此只有多拉杆,迎角增加多一些,才能得到所需的升力,使飞机下沉缓慢。

  总之,在平飘中,拉杆的时机、拉杆的多少和快慢,由飞机的速度和下沉情况来决定。飞机速度大,下沉慢,拉杆的动作应慢些;反之,速度小,下沉快拉杆的动作应适当加快。

  此外,为了使飞机平稳地按预定方向接地,在平飘过程中,还须注意用杆舵保持好方向。如有倾斜,应立即以杆舵一致的动作修正。因此时迎角大速度小,副翼效用差,应利用方向舵支援副翼,即向倾斜的反方向蹬舵,帮助副翼修正飞机的倾斜。

  飞机在接地前会出现机头自动下俯的现象。这是因为飞机在下沉过程中,迎角要增大,迎角安定力矩使机头下俯,另外由于飞机接近地面,地面效应的影响增强,下洗速度减小,水平有效迎角增大,平尾产生向上的附加升力,对重心形成的力矩使机头下俯。故在接地前,还要继续向后带杆,飞机才能保持好所需的接地姿态。

  为减小接地速度和增大滑跑中阻力,以缩短着陆滑跑距离,接地时应有较大的迎角,故前三点飞机以两主轮接地,而后三点飞机以通常以三轮同时接地。

  着陆滑跑的中心问题是如何减速和保持滑跑方向。

  飞机接地后,为尽快减速,缩短着陆滑跑距离,必须在滑跑中增大飞机阻力。滑跑中飞机阻力有气动阻力、机轮摩擦力、以及喷气反推力和螺旋桨负拉力等。滑跑中,增大飞机迎角,放减速板(或减速率),以及使用反推、螺旋桨负拉力、刹车等都能增大飞机阻力。     

如圖一所示,飛機必須以升力克服重力,以推力克服空氣阻力才能飛行。飛機產生升力是藉著機翼截面拱起的形狀,當空氣流經機翼時,上方的空氣分子因在同一時間內要走的距離較長,所以跑得較下方的空氣分子快,造成在機翼上方的氣壓會較下方低。如此,下方較高的氣壓就將飛機支撐著,而能浮在空氣中。這就是所謂的伯努利(十八世紀荷蘭出生,後來移居瑞士的數學與科學家)原理。

根據伯努利原理,飛機速度愈快,所產生的氣壓差(也就是升力)就會愈大,升力大過重於重力,飛機就會向上竄升。滑翔機沒有引擎的動力,它可以靠四種方式升空:(1)彈射器— 將滑翔機架設在彈力繩並向後拉,由駕駛員給予訊號後釋放繩索而彈射出去。(2)汽車拖曳— 將滑翔機繫繩於車上拖曳達適當高度後,駕駛員將繩索鬆開。(3)絞車拖曳— 與汽車拖曳相似,只是利用固定在地上以馬達驅動的絞車來拉滑翔機。(4)飛機拖曳— 以另一部有動力的飛機拖至一定的高度後,滑翔機脫離而自由翱翔。

滑翔機升空後,除非碰到上升氣流,否則空氣阻力會逐漸減緩飛機的速度,升力就會愈來愈小,重力大於升力,飛機就會愈飛愈低,最後降落至地面。為了讓滑翔機能飛得又遠又久,它必需有很高的升力阻力比,這就是為什麼滑翔機的機翼那麼細長,如何突破滯空時間以及飛行高度的紀錄是滑翔機設計與製造的最大挑戰。滑翔是一種需要高度技巧與飛行知識,藉著自然能量遨遊天空的運動。

圖一 (擷取自"萬物原理知多少",讀者文摘出版)

是產生升力的最主要結構,沒有它,滑翔機就只能待在地面上了。滑翔機飛行時,受到氣流的影響,會傾向左右兩邊搖擺,所以兩翼要造成微微向上傾,形成上反角,亦即從機身前、後看,兩翼略成V字形,以減輕左右搖晃的傾向。滑翔機的機翼要有足夠的撓性,飛行中遇上紊流,可以稍微上下撲動,避免因變形而折斷。

副翼是連動的,也就是當駕駛桿扳向右,右副翼向上擺時,左副翼同時向下擺,如此滑翔機會往飛行員右下的方向翻滾。

車子在路上跑時,如果想慢下來,踩煞車就可以了,但是滑翔機如何煞機呢?擾流板向上打開時,會將機翼上的氣流擾亂,而使滑翔機減慢速度並下降。這個功能在降落時也是很有用的。

主翼除了提供升力之外,亦產生一個會造成滑翔機沿著主翼翼展方向的軸向下翻轉的力矩。這是造成許多飛行先驅喪生的原因之一。水平尾翼的功能就是提供一個矯正滑翔機俯仰或上下搖動的力矩,以確保飛行中的穩定性。

垂直尾翼能校正飛行中的偏行或左右迴轉,保持方向的穩定。

升降舵也是用駕駛桿操控的。當駕駛桿向後扳,升降舵上擺,機頭朝上;駕駛桿向前推時,升降舵下擺,機頭朝下。

方向舵是利用腳踏板來控制的。飛行員踩下左腳踏板時,方向舵向左擺,機頭左轉;踩下右腳踏板,方向舵向右擺,機頭就右轉。僅僅操縱方向舵只能改變滑翔機的位置,不能使滑翔機轉彎。滑翔機有很強的直線飛行慣性(牛頓第一定律),轉動方向舵會引起側向滑行,就像開快車急彎時的感覺一樣,急彎路面通常會傾斜以防止車子打滑側行,但是滑翔機在空中是自由的,要使滑翔機轉彎而不側滑,必須同時操縱副翼與方向舵。英文叫做bank,傾斜轉彎。

設計、製造、與飛一部飛機絕不是一件簡單的事。不過那些不怕學習與努力工作來完成他們的夢想的人將能體驗到難以形容的個人滿足。It just feels great to design and build your own aircraft.

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图片说明:上图为机翼各翼面的位置图,民航飞机的机翼各翼面位置一般类似。机翼上各操纵面是左右对称分布,部分由于图片受限未标出

机翼的主要功用是产生升力,以支持飞机在空中飞行;同时也起一定的稳定和操纵作用。是飞机必不可少的部件,在机翼上一般安装有飞机的主操作舵面:副翼,还有辅助操纵机构襟翼、缝翼等。另外,机翼上还可安装发动机、起落架等飞机设备,机翼的主要内部空间经密封后,作为存储燃油的油箱之用。

翼型:飞机机翼具有独特的剖面,其横断面(横向剖面)的形状称为翼型,称为翼型

前缘:翼型最前面的一点。

后缘:翼型最后面的一点。

翼弦:前缘与后缘的连线。

弦长:前后缘的距离称为弦长。如果机翼平面形状不是长方形,一般在参数计算时采用制造商指定位置的弦长或平均弦长

迎角(Angle of attack) :机翼的前进方向(相当与气流的方向)和翼弦(与机身轴线不同)的夹角叫迎角,也称为攻角,它是确定机翼在气流中姿态的基准。

翼展:飞机机翼左右翼尖间的直线距离。

展弦比:机翼的翼展与弦长之比值。用以表现机翼相对的展张程度。

上(下)反角:机翼装在机身上的角度,即机翼与水平面所成的角度。从机头沿飞机纵轴向后看,两侧机翼翼尖向上翘的角度。同理,向下垂时的角度就叫下反角。

上(中、下)单翼:目前大型民航飞机都是单翼机,根据机翼安装在机身上的部位把飞机分为上(中、下)单翼飞机也有称作高、中、低单翼。

机翼安装在机身上部(背部)为上单翼;机翼安装在机身中部的为中单翼,机翼安装在机身下部(腹部)为下单翼。

上单翼的飞机一般为运输机与水上飞机,由于高度问题,此时起落架等装置一般就不安装在机翼上,而改在机身上,使用上单翼的飞机一般采用下反角的安装。

中单翼因翼梁与机身难以协调,几乎只存在理论上;

下单翼的飞机是目前民航飞机常见的类型,由于离地面近,便于安装起落架,进行维护工作,使用下单翼的飞机一般采用上反角的安装。

机翼在使飞机升空飞行中的重要作用

飞机在飞行过程中受到四种作用力:

升力----由机翼产生的向上作用力

重力----与升力相反的向下作用力,由飞机及其运载的人员、货物、设备的重量产生

推力----由发动机产生的向前作用力

阻力----由空气阻力产生的向后作用力,能使飞机减速。

由此可见,机翼的主要功用就是产生升力,以支持飞机在空中飞行。它为什么能产生升力呢?

首先要从飞机机翼具有独特的剖面说起,前面名词解释已提到,机翼横断面(横向剖面)的形状称为翼型,机翼剖面的集合特性与机翼的空气动力有密切的关系。从侧面看,机翼顶部弯曲,而底部相对较平。机翼在空气中穿过将气流分隔开来。一部分空气从机翼上方流过,另一部分从下方流过。

空气的流动在日常生活中是看不见的,但低速气流的流动却与水流有较大的相似性。日常的生活经验告诉我们,当水流以一个相对稳定的流量流过河床时,在河面较宽的地方流速慢,在河面较窄的地方流速快。流过机翼的气流与河床中的流水类似,由于机翼一般是不对称的,上表面比较凸,而下表面比较平,流过机翼上表面的气流就类似于较窄地方的流水,流速较快,而流过机翼下表面的气流正好相反,类似于较宽地方的流水,流速较上表面的气流慢。根据流体力学的基本原理,流动慢的大气压强较大,而流动快的大气压强较小,这样机翼下表面的压强就比上表面的压强高,换一句话说,就是大气施加与机翼下表面的压力(方向向上)比施加于机翼上表面的压力(方向向下)大,二者的压力差便形成了飞机的升力。

简单来说,飞机向前飞行得越快,机翼产生的气动升力也就越大。当升力大于重力时,飞机就可以向上爬升;当升力小于重力时,飞机就可以降低高度。

  当飞机的机翼为对称形状,气流沿着机翼对称轴流动时,由于机翼两个表面的形状一样,因而气流速度一样,所产生的压力也一样,此时机翼不产生升力。但是当对称机翼以一定的倾斜角(称为攻角或迎角)在空气中运动时,就会出现与非对称机翼类似的流动现象,使得上下表面的压力不一致,从而也会产生升力。

副翼是指安装在机翼翼梢后缘外侧的一小块可动的翼面。为飞机的主操作舵面,飞行员操纵左右副翼差动偏转所产生的滚转力矩可以使飞机做横滚机动。翼展长而翼弦短。副翼的翼展一般约占整个机翼翼展的1/6到1/5左右,其翼弦占整个机翼弦长的1/5到1/4左右。

飞行员向左压驾驶盘,左边副翼上偏,右边副翼下偏,飞机向左滚转;反之,向右压驾驶盘右副翼上偏,左副翼下偏,飞机向右滚转。

前缘缝翼是安装在基本机翼前缘的一段或者几段狭长小翼,主要是靠增大飞机临界迎角来获得升力增加的一种增升装置。

前缘缝翼的作用主要有两个:

一是延缓机翼上的气流分离,提高了飞机的临界迎角,使得飞机在更大的迎角下才会发生失速;

二是增大机翼的升力系数。其中增大临界迎角的作用是主要的。这种装置在大迎角下,特别是接近或超过基本机翼的临界迎角时才使用,因为只有在这种情况下,机翼上才会产生气流分离。

现代客机的前缘缝翼没有专门的操纵装置,一般随襟翼的动作而随动,在飞机即将进入失速状态时,前缘缝翼的自动功能也会根据迎角的变化而自动开关。

在前缘缝翼闭合时(即相当于没有安装前缘缝翼),随着迎角的增大,机翼上表面的分离区逐渐向前移,当迎角增大到临界迎角时,机翼的升力系数急剧下降,机翼失速。当前缘缝翼打开时,它与基本机翼前缘表面形成一道缝隙,下翼面压强较高的气流通过这道缝隙得到加速而流向上翼面,增大了上翼面附面层中气流的速度,降低了压强,消除了这里的分离旋涡,从而延缓了气流分离,避免了大迎角下的失速,使得升力系数提高。

机翼能够产生升力是因为机翼上下存在着压力差。但是这是有前提条件的,就是要保证上翼面的的气流不分离。

如果机翼的迎角大到了一定程度,机翼相当于在气流中竖起的平板,由于角度太大,绕过上翼面的气流流线无法连贯,会发生分离,同时受外层气流的带动,向后下方流动,最后就会卷成一个封闭的涡流,叫做分离涡。像这样旋转的涡中的压力是不变的,它的压力等于涡上方的气流的压力。所以此时上下翼面的压力差值会小很多,这样机翼的升力就比原来减小了。到一定程度就形成失速,对应的机翼迎角叫做失速迎角或临界迎角。

襟翼是安装在机翼后缘内侧的翼面,襟翼可以绕轴向后下方偏转,主要是靠增大机翼的弯度来获得升力增加的一种增升装置。

当飞机在起飞时,襟翼伸出的角度较小,主要起到增加升力的作用,可以加速飞机的起飞,缩短飞机在地面的滑跑距离;当飞机在降落时,襟翼伸出的角度较大,可以使飞机的升力和阻力同时增大,以利于降低着陆速度,缩短滑跑距离。

在现代飞机设计中,当襟翼的位置移到机翼的前缘,就变成了前缘襟翼。前缘襟翼也可以看作是可偏转的前缘。在大迎角下,它向下偏转,使前缘与来流之间的角度减小,气流沿上翼面的流动比较光滑,避免发生局部气流分离,同时也可增大翼型的弯度。

前缘襟翼与后缘襟翼配合使用可进一步提高增升效果。一般的后缘襟翼有一个缺点,就是当它向下偏转时,虽然能够增大上翼面气流的流速,从而增大升力系数,但同时也使得机翼前缘处气流的局部迎角增大,当飞机以大迎角飞行时,容易导致机翼前缘上部发生局部的气流分离,使飞机的性能变坏。如果此时采用前缘襟翼,不但可以消除机翼前缘上部的局部气流分离,改善后缘襟翼的增升效果,而且其本身也具有增升作用。

克鲁格襟翼(Krueger Flap):与前缘襟翼作用相同的还有一种克鲁格襟翼。它一般位于机翼前缘根部,靠作动筒收放。打开时,伸向机翼下前方,既增大机翼面积,又增大翼型弯度,具有较好的增升效果,同时构造也比较简单。

左图为波音777的驾驶舱中央操纵台部分,民航飞机的机翼各翼面的操作一般类似。

如本文前述,前缘缝翼没有专门的操纵装置,副翼的作动是依靠驾驶盘的左右转动。而襟翼、扰流板的操纵就在驾驶舱中央操纵台的油门杆两侧

有的称之为“减速板”、“阻流板”或“减升板”等,这些名称反映了它们的功能。分为飞行、地面扰流板两种,左右对称分布,地面扰流板只能在地面才可打开,实际上扰流板是铰接在机翼上表面的一些液压致动板,飞行员操纵时可以使这些板向上翻起,增加机翼的阻力,减少升力,阻碍气流的流动达到减速、控制飞机姿态的作用。

在空中飞行时,扰流板可以降低飞行速度并降低高度。只有一侧的扰流板动作时,作用相当于副翼,主要是协助副翼等主操作舵面来有效控制飞机做横滚机动

在飞机着陆在地面滑跑过程中时,飞行、地面扰流板会尽可能地张开,以确保飞机迅速减速。

空客319落地后减速板打开


本文最后更新检查于:2003年7月

    固定机翼飞机的机体由机身、机翼、安定面、飞行操纵面和起落架五个主要部件组成。

    直升机的机体由机身、旋翼及其相关的减速器、尾桨(单旋翼直升机才有)和起落架组成。

    机体各部件由多种材料组成,并通过铆钉、螺栓、螺钉、焊接或胶接而联接起来。飞机各部件由不同构件构成。飞机各构件用来传递载荷或承受应力。单个构件可承受组合应力。

    对某些结构,强度是主要的要求;而另一些结构,其要求则完全不同。例如,整流罩只承受飞机飞行过程中的局部空气动力,而不作为主要结构受力件。

    飞行中,作用于飞机上的载荷主要有飞机重力,升力,阻力和发动机推力(或拉力)。飞行状态改变或受到不稳定气流的影响时,飞机的升力会发生很大变化。飞机着陆接地时,飞机除了承受上述载荷外,还要承受地面撞击力,其中以地面撞击力最大。飞机承受的各种载荷中,以升力和地面撞击力对飞机结构的影响最大。

1.2.1 平飞中的受载情况

    飞机在等速直线平飞时,它所受的力有:飞机重力G、升力Y、阻力X和发动机推力P。为了简便起见,假定这四个力都通过飞机的重心,而且推力与阻力的方向相反。则作用在飞机上的力的平衡条件为:升力等于飞机的重力,推力等于飞机的阻力。

飞机作不稳定的平飞时,推力与阻力是不相等的。推力大于阻力,飞机就要加速;反之,则减速。由于在飞机加速或减速的同时,飞行员减小或增大了飞机的迎角,使升力系数减小或增大,因而升力仍然与飞机重力相等。平飞中,飞机的升力虽然总是与飞机重力相等,但是,飞行速度不同时,飞机上的局部气动载荷(局部空气动力)是不相同的。飞机以小速度平飞时,迎角较大,机翼上表面受到吸力,下表面受到压力,这时的局部气动载荷并不很大;而当飞机以大速度平飞时,迎角较小,对双凸型翼型机翼来说,除了前缘要受到很大压力外,上下表面都要受到很大的吸力。翼型越接近对称形,机翼上下表面的局部气动载荷就越大。所以,如果机翼蒙皮刚度不足,在高速飞行时,就会被显著地吸起或压下,产生明显的鼓胀或下陷现象,影响飞机的空气动力性能。

1.2.2 机在垂直平面内作曲线飞行时的受载情况

    飞机在垂直平面内作曲线飞行的受载情况如图1-2所示。这时,作用于飞机的外力仍是飞机的重力、升力、阻力和发动机的推力。但是,这些外力是不平衡的。

    曲线飞行虽是一种受力不平衡的运动状态,但研究飞机在曲线飞行中的受载情况时,为了方便起见,可以假设飞机上还作用着与向心力大小相等、方向相反的惯性离心力。这样,就可以把受力不平衡的曲线飞行作为受力平衡的运动状态来研究。

飞机在垂直平面内作曲线飞行时,升力可能大大超过飞机重量。飞机在曲线飞行中所受的载荷可能比平飞时大得多。可以推导出如下公式:其中r为飞机机动飞行的曲率半径,v为飞行速度。

由于飞机在每一位置的θ角不同,而且飞行速度和曲率半径也不可能一样,所以,飞机在垂直平面内做曲线飞行时,飞机的升力也是随时变化的。

1.2.3 机在水平平面内作曲线飞行时的受载情况

    水平转弯时,飞机具有一定的倾斜角(玻度)β,升力与垂线之间也构成β角。这时,水平分力Y sinβ就是飞机转弯时的向心力,它与惯性离心力N平衡;升力的垂直分力Ycosβ与飞机重力G平衡,即

    水平转弯时,cosβ总是小于1,故升力总是大于飞机的重量;倾斜角越大,cosβ越小,因而升力越大。

    在曲线飞行中,作用于飞机上的升力经常不等于飞机的重量。为了衡量飞机在某一飞行状态下受外载荷的严重程度,引出过载(或称载荷因数)这一概念。作用于飞机某方向的除重量之外的外载荷与飞机重量的比值,称为该方向的飞机重心过载,用n表示。飞机在Y轴方向的过载,等于飞机升力(Y)与飞机重量的比值,即

    飞机在X轴方向的过载等于发动机推力P与飞机阻力X之差与飞机重量的比值,即

    飞机在Z轴方向的过载等于飞机侧向力(Z)与飞机重量的比值,即

    飞机在飞行中,Y轴方向的过载往往较大,它是飞机结构设计中的主要指标之一,飞机的结构强度主要取决于Y方向的过载。而其它两个方向的过载(,)较小,它们对飞机结构强度的影响也较小。

在不同的飞行状态下,飞机重心过载的大小往往不一样。过载可能大于1、小于1、等于1、等于零甚至是负值,这决定于曲线飞行时升力的大小和方向。飞机平飞时,升力等于飞机的重量,等于1;曲线飞行时,升力经常不等于1。飞行员柔和推杆使飞机由平飞进入下滑的过程中,升力比飞机重量稍小一些,就小于1;当飞机平飞时遇到强大的垂直向下的突风或在垂直平面内做机动飞行时,驾驶员推杆过猛,升力就会变成负值,也就变为负值;当飞机以无升力迎角垂直俯冲时,载荷因数就等于零。

    的正、负号与升力的正、负号一致,而升力的正、负号取决于升力与飞机Y轴(立轴)的关系。如果升力的方向与Y轴相同,则取正号;反之则取负号。

1.2.5 飞机部件的过载

    在研究飞机各部件的载荷时,只知道飞机的过载是不够的,还必须知道部件的过载。部件过载是该部件在某一飞行状态中的质量力与其本身重量的比值。当飞机没有对重心的角加速度时,部件的过载等于飞机的过载;当飞机有对重心的角加速度时,飞机重心以外各部件的过载,等于飞机的过载加上或减去一个附加过载。

1.2.6 飞机着陆时的过载

    飞机着陆接地时的速度可分解为水平分速和垂直分速。由于水平分速是在着陆滑跑过程中逐渐消失的,因此飞机沿水平方向的受力不大;垂直分速是在飞机与地面相对撞击后很短的时间内消失的,故飞机沿垂直方向的撞击力较大。飞机着陆接地时承受的载荷,主要就是作用于起落架的垂直撞击力。飞机接地时垂直方向的过载,为作用于起落架上的垂直撞击力与飞机重量的比值。

    如果飞机没有绕重心的角加速度,则部件的过载就等于飞机重心的过载;否则,还要加上由角加速度引起的附加过载。例如:前三点式起落架飞机以两个主轮接地时,作用于起落架的载荷对飞机重心的力矩,要使飞机产生机头下俯的角加速度。这时,飞机重心后面的部件,其过载等于飞机重心过载加上一个附加过载;而飞机重心前面的部件,则应减去一个附加过载。

1.3 载荷、变形和应力的概念

    任何结构和结构中的各个构件,在工作过程中都会受到其它物体对它的作用力,这种作用力通常叫做载荷(或外部载荷)。例如,飞行中机翼上的空气动力,起落架等部件的重力,都是作用于机翼上的载荷。各种构件在载荷的作用下,它的支点都会对它产生反作用力。构件承受的各种载荷和支点的反作用力,统称为作用于该构件的外力。

    按作用方式,载荷主要分为集中载荷和分布载荷。集中载荷是指集中作用于一点上的载荷。分布载荷是指作用一个面积或长度上的载荷。如果分布载荷的作用面积相对较小,可以把它近似看作是集中载荷,这样在实际中可使问题简化。例如吊装在机翼上发动机对机翼的载荷可认为是集中载荷。

    根据载荷作用于构件的性质的不同,载荷可分为静载荷和动载荷。如果载荷是逐渐加到构件上去的,或者载荷加到构件上后,它的大小和方向不变或变化很小,此载荷叫静载荷。如飞机停放时起落架所承受的载荷,就是一种静载荷;又如,千斤顶顶飞机时,所承受的载荷是逐渐增大的,它也属于静载荷。

    如果载荷是突然加到构件上去的,或者载荷加到构件上后,它的大小和方向(或其一)有显著变化,这样的载荷称为动载荷。如飞机着陆时起落架所受到的地面撞击力;飞机着陆滑跑因为跑道不平,使各部分承受的力都属于动载荷。

1.3.2 构件在载荷作用下的变形

    构件在载荷作用下,其尺寸和形状都会有不同程度的改变,这种尺寸和形状的改变叫做变形。

构件在载荷作用下所产生的变形,当载荷去掉后即能消失的变形,叫弹性变形。不能消失的变形叫永久变形(或残余变形)。

    构件承受载荷的情况不同,它所产生的变形形式也不一样,但其基本变形为拉伸、压缩、剪切、扭转和弯曲五种。实际上,飞机结构受力时,各构件的变形,往往是比较复杂的,常常是几种变形的组合,称为复合变形。

1.3.3 内力和应力的概念

    当构件受到外力作用而变形时,材料分子之间的距离发生变化,这时分子之间会产生一种反抗变形,力图使分子间的距离恢复原状的力,这种力叫内力。构件受力变形时所产生的内力,可利用截面法求得。

    要判断构件受力的严重程度,仅知道内力的大小是不够的。构件在外力作用下,单位横截面面积上的内力叫做应力。如果内力是均匀分布的,则构件任意截面上的应力等于截面上的总内力除以横截面积。应力可分成垂直于所取截面和平行于所取截面的两个分量。垂直于横截面的应力称为正应力,平行于横截面的应力称为剪应力。

1.3.4 强度和刚度的概念

    构件在传力过程中,横截面上的应力要随着载荷的增大而增大。对于一定材料制成的构件来说,当截面上的应力增大到一定限度后,构件就会损坏(产生显著的永久变形或断裂)。构件在外力作用下,抵抗破坏(或断裂)的能力叫做构件的强度。构件的强度越大,表示它开始损坏时所受的载荷越大。为了使构件在规定的载荷作用下工作可靠,应保证它具有足够的强度。

    构件即使强度足够,但在载荷作用下还可能由于变形量过大而影响工作。因此,构件还应具有足够的抵抗变形的能力。构件在外力作用下抵抗变形的能力称为构件的刚度。构件的刚度越大,在一定的载荷作用下产生的变形越小。

    构件在外力作用下保持其原有平衡形式的能力称为构件的稳定性。细长杆和薄壁结构受压后易突然失去原有的平衡形式,此种现象叫做失去稳定性,简称失稳。飞机蒙皮在受压后会产生皱折的现象,就是由于蒙皮受压失稳造成的。

    要保证构件正常工作,构件必须具有足够的强度、刚度和稳定性。构件的强度、刚度、稳定性与其材料的性质、截面尺寸和形状有关。另外构件的强度和刚度还与使用、维护的条件有关。例如,构件装配不当,受到划伤或腐蚀等,强度和刚度就会减弱。因此,维护和使用过程中,应根据构件的性质和受力特点等,注意保持其强度和刚度。

1.3.5 飞机承受的五种主要应力

    拉伸应力是抵抗试图拉断物体的应力。压缩应力是抵抗压力的应力。扭矩是产生扭转变形的应力。剪切应力是抵抗力图引起材料某一层与相邻一层产生相对错动之力的应力。弯曲应力是压缩应力和拉伸应力的组合。当杆件受到弯曲作用时,弯曲的内侧面缩短(压缩),而弯曲的外侧面拉长(拉伸)。

    机翼是飞机的一个重要部件,其主要功用是产生升力。当它具有上反角时,可为飞机提供一定的横侧稳定性。在机翼上安装有一些操纵面,在其后缘,有副翼和后缘襟翼;在其前缘有前缘襟翼、缝翼;在其上表面有扰流板。另外很多飞机的发动机和主起落架安装于机翼结构上。机翼的内部空间常用来收藏主起落架和储存燃油。

    目前,除了个别低速飞机仍是双翼机外,绝大多数是单翼机。

    单翼机在机身上的配置,可分为上单翼、中单翼和下单翼三种型式。

从机翼与机身的干扰阻力来看,以中单翼为最小,上单翼次之,下单翼最大。从机身内部容积的利用来看,以上单翼为最优跃。因为上单翼飞机机翼通过机身的部分骨架,位于机身上部,不影响机身内部容积的利用;中单翼的翼梁要横穿机身中部,对机身内容积的利用有一定影响;下单翼飞机机身内的可用容积较大,但固定在机身下部的翼梁,会限制安装在机翼下部部件的尺寸。吊装在下单翼飞机下部的发动机可使发动机的维护方便。从起落架的配置来看,如果将起落架装在机翼上,上单翼飞机的起落架较长,这样不仅重量大,而且不易收放。在这方面,下单翼机比较有利。此外,上单翼飞机由于机翼位置较高,检修、拆装机翼上的发动机或其它附件,以及向机翼内的油箱加添燃油都不方便,这会给维护工作带来困难。

1.4.3 机翼上的外载荷

如图1-10所示,飞行中,作用于机翼的外部载荷有:空气动力、机翼结构质量力和部件的质量力。机翼在外部载荷作用下,象一根固定在机身上的悬臂梁一样,要产生弯曲和扭转变形,因此,在这些外载荷作用下,机翼各截面要承受剪力、弯矩和扭矩。由于机翼结构沿水平方向尺寸较大,因而水平剪力和水平弯矩的对飞机结构受力影响较小,在受力分析时只分析垂直剪力、扭矩和垂直弯矩。

机翼结构质量力是机翼结构重量和它在飞行中产生的惯性力的总称,即机翼结构重量和变速运动惯性力。

    升力是当机翼以一定速度相对空气运动时,空气作用在机翼表面上的空气动力在垂直于来流方向上的分量。

1.4.4 平直机翼各截面的剪力、弯矩和扭矩图

    机翼主要受两种类型的外载荷:一种是以空气动力载荷为主,包括机翼结构质量力的分布载荷;另一种是由各连接点传来的集中载荷。这些外载荷在机身与机翼的连接处,由机身提供的支反力取得平衡。当机翼分成两半分别与机身相连时,可把每半个机翼看做支持在机身上的悬臂梁;若整个机翼为一体时,则可把它看做支持在机身上的双支点外伸梁。

作用于机翼各截面的剪力、弯矩和扭矩是不相等的。如图1-11所示,为平直机翼的剪力、弯矩和扭矩图,它们描述了机翼截面剪力、弯矩和扭矩沿机翼翼展方向的变化情况。可以看出:①如果机翼上只有空气动力和机翼结构质量力,则越靠近机翼根部,横载面上的剪力、弯矩和扭矩越大。②当机翼上同时作用有部件集中质量力时,上述力图会在集中质量力作用处产生突变或转折。

如图1-12所示为后掠机翼的剪力、弯矩和扭矩图。

1.4.5 机翼主要受力构件

    机翼的外部载荷,是由许多构件组成一定型式的结构来承受的。

    机翼通常是由翼梁、桁条、翼肋和蒙皮等构件组成。翼梁由缘条和腹板铆接而成,翼肋铆结在翼梁腹板上,桁条铆接在翼肋上,蒙皮则铆接在翼梁缘条、翼肋和桁条等构件上。

机翼结构中,各种构件的基本作用不外乎有两方面:一是形成和保持必需的机翼外形;二是承受外部载荷引起的剪力、弯矩和扭矩。

    形成机翼外形的基本构件是翼肋和蒙皮。翼肋的形状就是根据选定的翼型制成的。蒙皮包在整个机翼骨架外面,可以保证机翼外表光滑和形成必要的翼型。为了使蒙皮在局部空气动力作用下,不致产生过大的鼓胀和下陷,现代飞机都采用了金属蒙皮。此外,桁条对保持机翼的外形也有一定作用,因为它能支持蒙皮,防止蒙皮产生过大的变形。

    机翼结构中承受剪力、弯矩和扭矩的基本构件是翼梁、桁条和蒙皮(如图1-13所示)。

    剪力Q要使截面外端沿垂直方向向上移动。由于机翼的蒙皮、翼梁缘条和桁条沿垂直方向很容易产生变形,而翼梁腹板抵抗垂直方向变形的能力却很大,它能有效地阻机翼向上移动。所以,剪力主要是由翼梁腹板承受的。

弯矩要使机翼产生弯曲变形。当向上弯曲时,翼梁下缘条、机翼下表面的桁条和蒙皮,都会产生拉伸的轴向内力,而翼梁上缘条、上表面的蒙皮和桁条,则产生压缩的轴向内力,它们组成内力偶与弯矩平衡。所以,弯矩引起的轴向力是由翼梁缘条、桁条和蒙皮共同承受的。

机翼受扭矩作用时,翼梁缘条和桁条都很容易变形,而金属蒙皮和翼梁腹板所组成的合围框,却能很好地反抗扭转变形,这时,蒙皮和腹板截面上会产生扭转剪应力并形成反力矩来与扭矩平衡。因此,金属蒙皮机翼的扭矩,是由蒙皮和腹板所组成的几个合围框承受。由于翼梁腹板上同时产生的两个方向相反的扭转剪应力,能互相抵消或部分抵消,所以,可近似地认为,扭矩是由蒙皮形成的整个合围框承受的。

    对于双梁式机翼,其扭矩是由上、下翼面蒙皮和前、后梁组成的合围框(盒段)承受和传递。如果机翼前缘没有安装前缘缝翼和前缘襟翼,则前缘蒙皮与前梁组成的盒段也承受和传递一小部分扭矩。

    这种机翼的结构特点是采用了布质蒙皮。布质蒙皮在机翼承受弯曲、扭转作用时,很容易变形,因此,它不能承受机翼的弯矩和扭矩,只能承受由于局部空气动力(吸力或压力)所产生的张力。如图1-16所示,为一种布质蒙皮机翼结构图。在这种机翼结构中,弯矩引起的轴向力,全部由翼梁缘条承受;剪力由翼梁腹板承受;扭矩则由翼梁、加强翼肋和张线组成的桁架来承受。

    由于机翼前缘的局部空气动力较大,布质蒙皮机翼的前缘常采用薄金属蒙皮制成。这种机翼的扭矩,一部分由加强翼肋、张线等组成的桁架承受,另一部分则由前缘蒙皮和前梁腹板组成的合围框承受。

   布质蒙皮机翼的抗扭刚度较差,而且蒙皮容易产生局部变形(鼓胀和下陷),飞行速度较大时,会使机翼的空气动力性能受到很大影响,所以只适用于低速轻型飞机。

   现代飞机广泛应用了金属蒙皮机翼。金属蒙皮机翼不仅能承受局部空气动力,而且能承受机翼的扭矩和弯矩。

   翼梁腹板承受剪力,机翼上下蒙皮和腹板组成的合围框承受扭矩,同时蒙皮还参与承受弯矩,是这类机翼结构受力的共同点。然而机翼的具体构造不同,蒙皮参与承受弯矩的程度也有所不同。这样,金属蒙皮的机翼结构,又可分为梁式和单块式两类。

梁式机翼通常有单梁式和双梁式两种。它们装有一根或两根强有力的翼梁,蒙皮很薄,桁条的数量不多而且较弱,有些机翼的桁条还是分段断开的。梁式机翼的桁条承受轴向力的能力极小,其主要作用是与蒙皮一起承受局部空气动力,并提高蒙皮的抗剪稳定性,使之能够更好地承受扭矩。这种机翼蒙皮的抗压稳定性很差,机翼弯曲时受压部分的蒙皮几乎不能参与受力;而受拉部单块式机翼的受力特点是:弯曲引起的轴向力由蒙皮、桁条和缘条组成的整体壁板承受。剪力由翼梁腹板承受。扭矩由蒙皮与翼梁腹板形成的闭室承受。

单块式机翼的优点是:① 通较好地保持翼型。② 抗弯、扭刚度较大。③ 受力构件分散。

缺点是:①不便于开大舱口。②不便于承受集中载荷。③接头联接复杂。

较弱,承受剪力,小部分弯矩


翼梁缘条、桁条、蒙皮组成壁板

    夹层结构机翼,在较大的局部空气动力作用下,仍能精确地保持翼型;在翼型较薄的条件下,可以得到必要的强度和刚度。

    夹层结构机翼采用了夹层壁板来做蒙皮和其它构件。夹层壁板由内外两层薄金属板和夹芯组成。夹芯层有的是用轻金属箔制成的蜂窝状结构,有的是一层泡沫塑料或轻质金属波形板。夹芯层与内外层金属板胶接或焊接在一起。目前应用较广泛的是蜂窝夹芯壁板。

    夹层结构的最大优点是能够承受较大的局部空气动力而不致发生鼓胀、下陷现象;能够更好地承受弯矩引起的轴向压力而不易失去稳定性。因此,蜂窝结构机翼能够在大速度飞行时很好地保持外形,同时结构重量也较轻。

    蜂窝结构还有一些缺点,例如:很难在蜂窝壁板上开舱口,不便于承受大的集中载荷,损坏后不容易修补,各部分连接比较复杂。

    在飞机上使用蜂窝结构的部位主要是一些承受局部空气动力载荷的非主要受力构件上。如操纵面、调整片、机翼前缘、整流罩等。

在各种形式的机翼结构中,翼梁的主要功用都是承受机翼的弯矩和剪力。主要有三种形式的翼梁:腹板式、整体式和桁架式翼梁。现代飞机机翼,一般都采用腹板式金属翼梁。这种翼梁由缘条和腹板铆接而成。缘条用铝合金或合金钢的厚壁型材制成,用于承受拉、压力。腹板用铝合金板制成,用于承受剪力。薄壁腹板上往往还铆接了许多铝合金支柱,以增强其抗剪稳定性和连接翼肋。为了合理地利用材料和减轻机翼的结构重量,缘条和腹板的截面积,一般都是沿翼展方向改变,即翼根部分的横截面积较大,翼尖部分的横截面积较小。腹板式翼梁的优点是,能够较好地利用机翼结构高度来减轻重量,制造方便。

    某些飞机上采用了整体式翼梁。整体式翼梁实际上是一种用高强度的合金钢锻制成的腹板式翼梁,它的优点是:刚度大,截面积寸可以更好地做得符合等强度要求。

    在翼型较厚的低速重型飞机上,常采用桁架式翼梁。这种翼梁由上下缘条和许多直支柱、斜支柱连接而成。翼梁受剪力时,缘条之间的支柱承受拉力和压力。缘条和支柱,有的采用铝合金管或钢管制成,有的则用厚壁开口型材制成。

    在金属蒙皮机翼中,桁条的主要功用是:支持蒙皮,防止它在承受局部空气动力时产生过大的局部变形,并与蒙皮一起把局部空气动力传给翼肋;提高蒙皮的抗剪和抗压稳定性,使它能更好地承受机翼的扭矩和弯矩;与蒙皮一起承受由弯矩引起的轴向力。

梁式机翼的桁条,一般都用薄铝板制成,它有开口和闭口两种。开口截面桁条的稳定性很差,而且由于壁很薄,实际上不能参与承受机翼的弯矩。闭口截面的桁条,稳定性较好,可以参与承受机翼的弯矩。但是这种桁条与蒙皮铆接时,具有两道铆缝,对于保持机翼表面光滑不利。

单块式机翼的桁条,是用铝合金挤压而成的,壁较厚,稳定性很好。

    翼肋按其功用可分为普通翼肋和加强翼肋两种。普通翼肋的功用是:构成并保持规定的翼型;把蒙皮和桁条传给它的局部空气动力传递给翼梁腹板,而把局部空气动力形成的扭矩,通过铆钉以剪流的形式传给蒙皮;支持蒙皮、桁条、翼梁腹板,提高它们的稳定性等。加强翼肋除了具有上述作用外,还要承受和传递较大的集中载荷;在开口边缘处的加强翼肋,则要把扭矩集中起来传给翼梁。

腹板式普通翼肋通常都用铝合金板制成,其弯边用来同蒙皮和翼梁腹板铆接。周缘弯边和与它铆接在一起的蒙皮,作为翼肋的缘条承受弯矩。翼肋的腹板则承受剪力。这种翼肋的腹板,强度一般都有富裕,为了减轻重量,腹板上往往开有大孔。利用这些大孔还可穿过副翼、襟翼等传动构件。为了提高腹板的稳定性,开孔处往往还压成卷边,有时腹板上还铆着加强支柱,或者压成凹槽。腹板式加强翼肋的缘条,是铝合金型材料制成的。为了承受较大的集中载荷,加强翼肋的腹板较厚,有时还采用双层腹板,或者在腹板上用支柱加强。

    桁架式翼肋的构造与桁梁相似,也由缘条、直支柱和斜支柱组成。有些翼型较厚的机翼,用这种翼肋来承受较大的集中载荷。

    各种机翼的蒙皮,都具有承受局部空气动力和形成机翼外形的作用。在金属蒙皮机翼结构中,蒙皮还要承受机翼的扭矩和弯矩。

现代飞机的机翼,通常都采用铝合金蒙皮,它的厚度随机翼的结构型式和它在机翼上的部位确定。由于机翼前缘承受的局部空气动力较大,飞行中又要求它能够更准确地保持外形,而翼根部位承受的扭矩和弯矩通常较大,所以一般机翼的前缘和翼根部位,蒙皮最厚,后缘和翼尖部位,蒙皮较薄。为了避免由于各块蒙皮的厚度不同而影响机翼表面的光滑性,某些飞机还采用了变厚度的过渡蒙皮。现代飞机的某些操纵面采用了复合材料。

1.4.8 平直机翼结构中力的传递

    机翼受到各种外力作用后,结构中互相连接的各构件,就会产生作用力和反作用力,依次把这些外力传到机身上去。同时机身就给机翼以反作用力使之平衡。力在机翼结构中的传递过程,就是建立在构件之间的作用和反作用的关系上的。

    蒙皮怎样将局部空气动力传给桁条和翼肋

蒙皮铆接在桁条和翼肋上,当它受到吸力作用时,就会通过铆钉把力传给桁条和翼肋,这时铆钉承受拉力;蒙皮受到压力作用时,局部空气动力直接由蒙皮作用在桁条和翼肋上,铆钉并不受力。无论在吸力或压力作用下,蒙皮都要承受张力。

通过铆钉或由蒙皮直接传给桁条的力,由桁条在翼肋上的固定点产生反作用力来平衡。可见,桁条在局部空气动力作用下,象支持在许多翼肋上的多支点梁一样,要受到弯曲作用。有些蒙皮较厚的机翼上,桁条并不与翼肋直接连接,蒙皮受吸力时传给桁条的力,由桁条两边蒙皮与翼肋相连的铆钉产生的反作用力来平衡。综上所述,作用在翼肋上的空气动力来自两方面:一方面是由直接与翼肋贴合的蒙皮传来的;另一方面,来自与翼肋相连的桁条。

    翼肋怎样将载荷传给翼梁腹板和蒙皮

如果忽略水平分力的作用,则传到翼肋上的空气动力,可以组合成一个垂直向上的合力,它作用于压力中心上。飞行中,机翼的压力中心通常不与刚心重合。因此,这个合力对于翼肋来说,相当于一个作用于刚心上的力和一个对刚心的力矩。刚心的定义是:机翼的每一个横截面上,都有一个特殊的点,当外力作用线通过这一点时,不会使横截面转动。如果外力作用线不通过这一点,机翼的横截面就会绕该点转动,这个特殊的点称为该横截面的刚心。机翼各横截面的刚心的连线称为机翼的刚心轴。

作用在刚心上的力,要使翼肋沿垂直方向移动,而翼肋是固定在翼梁腹板上的,在翼肋沿垂直方向移动的时候,就把这个力传给腹板,使两根翼梁弯曲。由于作用在刚心上的力不会使翼肋转动,在翼肋平面上,两根翼梁的弯曲变形程度相同,因此,翼肋传给前后梁腹板的力与前后梁的抗弯刚度成正比。前后梁腹板对翼肋的反作用力,分别与作用力ΔQ 1、ΔQ 2相等。

    在传力的过程中,蒙皮和翼肋之间存在着相互支持、相互传力的关系:第一、蒙皮沿垂直表面的方向很容易变形(即刚度很小),当它受到吸力和压力时,要依靠翼肋的支持,并把空气动力传给翼肋;第二、蒙皮在自己平面内不容易变形(即刚度较大),当翼肋受到外力矩时,蒙皮能够对翼肋起支持作用,因而翼肋就将外力矩传给蒙皮。

    蒙皮怎样将翼肋传来的载荷传给机身

    翼肋以剪流形式传给蒙皮的力矩,要使机翼产生扭转变形,它对机翼来说是扭矩。机翼扭转时,蒙皮截面上会产生沿合围框周缘的剪流。剪流形成的内力矩与截面外端所有翼肋传给蒙皮的扭矩平衡。这时,机翼各部分的蒙皮都要产生剪切变形。

翼根处的扭矩传给机身的方式,由翼根部分的构造来决定。如果翼根部分没有开大舱口,机翼蒙皮与机身是沿整个接合周缘连接的,扭矩就能通过蒙皮以剪流的形式沿接合周缘传给机身。如果翼根部分开有大舱口,机翼只是通过翼梁与机身隔框相连,那末蒙皮就只能将扭矩以剪流的形式传给开口边缘的加强翼肋,并有使加强翼肋旋转的趋势。这时加强翼肋的两个支点(前后梁腹板),对它产生一对大小相等、方向相反的反作用力,形成反力偶来阻止它旋转。同时,加强翼肋也就对前后梁腹板各产生一个作用力,把扭矩以力偶形式传给翼梁。前后翼梁则将扭矩产生的作用力,在机翼与机身的连接点处,传给机身隔框。

    翼梁怎样将载荷传给机身隔框和缘条

    翼梁腹板一方面与机身隔框连接,另一方面还以纵向的铆钉与缘条相连。

各个翼肋通过铆缝传给腹板的力,要使翼梁腹板承受剪切作用。翼根截面的剪力,由机翼与机身隔框相连的铆钉或螺栓产生反作用力来平衡。此外,翼肋传来的力,还要使翼梁各截面承受弯矩。这个弯矩是通过腹板和缘条连接的两排纵向铆钉传到缘条上去的。

当翼肋传给腹板的力的方向向上时,腹板沿纵向铆缝传给上缘条的剪流是由翼尖指向翼根的,它要使由前后梁的上缘条、上缘条之间的蒙皮和桁条组成的上部壁板向翼根方向移动。于是,上部壁板各构件的截面上要产生压缩的轴向内力,来阻止壁板移动,并与缘条上的纵向剪流平衡。下缘条上纵向剪流的方向相反,下部壁板各个构件要产生拉伸的轴向内力。可见,传到缘条上的纵向剪流不能完全由缘条本身产生的轴向力来平衡,它还要通过铆钉将一部分力传给蒙皮;而传到蒙皮上的那一部分力,也不能完全由蒙皮产生的轴向力来平衡,它又要将一部分力通过铆钉传给桁条。在些传力过程中,壁板上的铆钉都要沿铆缝方向受到剪力。

以上分析表明,弯矩以纵向剪流的形式传给上、下缘条以后,是由上、下壁板来承受的。

二.集中载荷的传递情况

    机翼上的集中载荷,如部件的质量力、偏转副翼和放下襟翼时产生的空气动力、飞机接地时起落架受到的撞击力等,通常都直接作用在某个翼肋上。翼肋受到集中载荷后,如前面所述的过程一样,把这个载荷按翼梁的抗弯刚度成比例地传给各个腹板,而把这个载荷引起的扭矩传给蒙皮。蒙皮和腹板受到翼肋传来的作用力以后,再把它们传给缘条和机身。

    翼梁腹板和蒙皮都是薄壁构件,如果载荷集中地作用在薄壁的某一部位,它就容易损坏。但是,翼肋能以剪流的形式将载荷分散地传给蒙皮和腹板。可见,分散集中载荷也是翼肋在机翼结构中的作用之一。

    传递较大的集中载荷的翼肋,通常都是加强的。它们的结构强度较大,同腹板、蒙皮的连接也比普通翼肋结实很多,一般是两排或三排直径较大的铆钉连接。尽管如此,当飞机作剧烈的机动飞行或粗猛着陆后,加强翼肋上的部件固定接头,以及加强翼肋与腹板、蒙皮连接的铆钉仍可能因受力过大而损坏。因此,对这些部位,应当特别注意检查,修理这些部位时,也要特别注意保持其强度。

    有些飞机机翼上的集中载荷,是通过固定接头上的螺钉或铆钉直接作用在翼梁上的。这时,集中载荷由翼梁腹板和缘条直接传给机身。维护工作中,对这些固定接头,也应加强检查。

机翼结构中力的传递过程,可以简要归纳如下:

① 蒙皮上的局部空气动力,由桁条和直接同翼肋贴合的蒙皮传给翼肋。

② 翼肋将空气动力和集中载荷,按梁的抗弯刚度成正比地传给腹板,将它们对刚心扭矩传给蒙皮。蒙皮将扭矩传给与机身接合的周缘螺钉(或开口边缘的加强翼肋)。

③ 腹板把各个翼肋传来的剪力,传给机身隔框;把这些力产生的弯矩,通过纵向排列的铆钉传给上下缘条。

④ 机翼翼梁的缘条,连同桁条和蒙皮,把由纵向铆钉传来的力,传给机身的连接接头。

   从力的传递的分析中可以看出:

 检查机翼时应当注意观察各部分的铆缝情况,因为机翼各构件都是通过铆钉来传力的。检查铆缝时,可以根据飞机的具体情况,确定必须着重检查的部位。例如,飞机粗猛着陆后,应当着重检查固定起落架部位的翼肋或翼梁上的铆钉;飞机作剧烈的飞行动作后,则应对固定大部件的加强翼肋上的铆缝、翼根部位的腹板和缘条相连的铆缝等,进行仔细检查。根据铆缝的损伤现象,可以大致判断造成损伤的原因。例如飞机粗猛着陆后,在过大的撞击力作用下,机翼各部分的铆钉可能受到过大的剪切作用而损坏,这时铆钉孔则会因一侧与铆钉头剧烈挤压而变成椭圆形;又如飞机的飞行速度过大,蒙皮要承受过大的吸力,结果由于蒙皮或铆钉的变形,在铆钉孔周围可能出现圆圈状的痕迹。

 现代飞机机翼结构中的蒙皮,不仅在传递扭矩时要受到剪切作用,而且在传递弯矩时还要承受压缩和拉伸轴向力,因此,维护和修理工作中,经常保持蒙皮具有良好的表面状况和承载能力(强度、刚度、稳定性),是十分重要的。飞行中,如果操纵动作过于剧烈,机翼蒙皮就可能因受剪或受压失去稳定性而出现曲皱,或因受力过大而产生裂纹,此外,还会使蒙皮与其它构件相连的铆钉松动或脱落。这些故障都会使蒙皮表面粗糙和承载能力变差,维护、修理时,必须注意及时发现和修复。

    飞行中,机翼的外部载荷有空气动力、结构质量力和部件质量力。在外部载荷作用下,机翼各截面要承受剪力、弯矩和扭矩。

飞行速度的提高是促使机翼结构不断改进的主要原因。金属蒙皮机翼结构有梁式(单梁、双梁)和单块式两类。为了综合利用两类结构型式的优点,并且尽量避免它们的缺点,目前有些飞机的机翼,采用翼根部位为梁式、翼尖部位为单块式的复合式结构。梁式、单块式机翼在受力方面的共同点是:剪力和扭矩都要通过翼肋分别传给腹板和蒙皮承受。不同点是:梁式机翼的弯矩,主要是通过腹板纵向铆缝传给翼梁缘条承受的;而单块式机翼则要传给由蒙皮、桁条和缘条组成的壁板承受。从机翼结构中力的传递情况可知,在维护、修理工作中,对于加强翼肋、翼梁根部等部位的铆钉,必须特别注意检查;对机翼蒙皮进行细心的维护也非常重要。

    后掠机翼具有很大的后掠角,因此结构受力有本身的特点。

    机身是飞机的一个重要部件,它的主要功用是:固定机翼、尾翼、起落架等部件,使之连成一个整体;同时,它还用来装载人员(机组人员、乘客)、货物、燃油及各种设备。

    飞行中,机身的阻力要占整个飞机阻力的较大一部分,因此,要求机身具有良好的流线形、光滑的表面、合理的截面形状以及尽可能小的横截面积。在飞行和着陆过程中,机身不仅要承受作用于其表面的局部空气动力,而且还要承受起落架和机身上其它部件传来的集中载荷,所以机身结构必须具有足够的强度和刚度。

一.机身与机翼受力比较

    在飞行和着陆过程中,机身要承受由机翼、尾翼、起落架等部件的固定接头传来的集中载荷,同时还要承受机身上的各部件的质量力、以及结构本身的质量力。

    机身在上述载荷作用下,与机翼一样,也要承受剪力、弯矩和扭矩。

① 机翼承受的载荷主要是分布的空气动力,而机身承受的载荷主要是各个部件传来的集中载荷。这是因为,在飞行中机身表面虽然也要承受局部空气动力,但与机翼相比,机身的大部分表面承受的局部空气动力较小,并且局部空气动力沿横截面周缘大致对称分布的,基本上能自相平衡而不再传给机身的其它部分。可认为局部空气动力只对结构中局部构件的受力有一定影响(如一些突出部分),而不会影响到整个机身的结构的受力。此外,机身结构本身的质量力也相对较小,通常是把它附加到各个集中载荷上去考虑。因此分析机身的受力时,只考虑集中载荷的作用。

② 机翼沿水平方向的抗弯刚度很大而载荷较小。在研究机翼的受力时,可以不考虑水平载荷的作用。但在研究机身的受力时,就必须考虑侧向水平载荷。因为,一方面机身的截面形状大多是圆形或接近圆形的,它沿水平方向和垂直方向的抗弯刚度相差不多;另一方面,机身承受的侧向水平载荷和垂直载荷也相差不大,而且在承受侧向水平载荷时,往往还要受到扭转作用。

    作用于机身上的载荷通常可以分为对称载荷与不对称载荷。

    与机身对称面对称的载荷称为对称载荷。飞机平飞和在垂直平面内作曲线飞行时,由机翼和水平尾翼的固定接头传给机身的载荷,以及当飞机以三点或两点(两主轮)接地时,传到机身上的地面撞击力等,都属于对称载荷。在对称载荷作用下,机身要受到对称面内的剪切和弯曲作用。一般在机身与机翼联接点处,机身承受的剪力和弯矩最大。

    如图所示1-31,机身由A、B两个连接接头与机翼相连,机翼接头对机身的支点的反作用力分别为RA和RB;水平尾翼的外载荷通过垂直尾翼机身相连的接头C和D传给机身,它们分别是RC和RD;机身的质量力为q。由此可做出飞机在垂直平面内做机动飞行时的剪力图和弯矩图。

    与机身对称面不对称的载荷称为不对称载荷。

    机身的不对称载荷主要有如下形式:

① 水平尾翼不对称载荷

    当水平尾翼的升力不对称时,水平尾翼形成不对称载荷。

② 垂直尾翼侧向水平载荷

③ 一个主轮接地时的撞击力

④ 飞机作急转弯或侧滑等飞行动作时,机身上的部件产生的侧向惯性力。

    在不对称载荷作用下,机身要承受剪切、弯曲、和扭转。

在早期的低速飞机上,机身的承力构架都做成四缘条的立体构架。为了减小飞机的阻力,在承力构架外面,固定有整形用的隔框、桁条和布质蒙皮(或木制蒙皮),这些构件只承受局部空气动力,不参加整个结构的受力。机身的剪力、弯矩和扭矩全部由构架承受。其中弯矩引起的轴向力,由构架的四根缘条承受;垂直方向的剪力由构架两侧的支柱和斜支柱(或各对张线)承受;水平方向的剪力由上、下平面内的支柱、斜支柱(或张线)承受;机身的扭矩,则由四个平面构架组成的立体结构承受。构架式机身的抗扭刚度差,空气动力性能不好,其内部容积也不易得到充分利用。只有一些小型低速飞机机身采用构架式机身。

    硬壳式机身采用框架、隔框形成机身的外形,而蒙皮承受主要的应力。硬壳式机身结构没有纵向加强件,因而蒙皮必须足够强以维持机身的刚性。其主要问题是重量较重,现代飞机较少采用这种结构。

    为了使机身结构的刚度能满足飞行速度日益增大的要求,需要使蒙皮参加整个结构的受力。因此,目前的机身结构,广泛采用了金属蒙皮,并且将蒙皮与隔框、大梁、桁条牢固地铆接起来,成为一个受力的整体,通常称为半硬壳式机身。

在半硬壳式机身中,大梁和桁条用来承受弯矩引起的轴向力;蒙皮除了要不同程度地承受轴向力外,还要承受全部剪力和扭矩;隔框用来保持机身的外形和承受局部空气动力,此外,还要承受各部件传来的集中载荷,并将这些载荷分散地传给蒙皮。

    桁梁式机身由几根较强的大梁、较弱的桁条、较薄的蒙皮和隔框组成。机身弯曲时,弯矩引起的轴向力主要由大梁承受。蒙皮和桁条组成的壁板,截面积较小,受压稳定性较差,只能承受一小部分弯矩引起的轴向力。

    桁梁式机身,由于采用了较强的大梁,因而可以开大的舱口而不会显著地降低结构的强度和刚度。

桁条式机身的桁条和蒙皮较强,受压稳定性好,弯矩引起的轴向力全部由上、下部的蒙皮和桁条组成的壁板受拉、压来承受。由于蒙皮加厚,改善了机身的空气动力性能,增大了机身结构的抗扭刚度,所以与桁梁式机身相比,它更适用于较高速飞机。此外,桁条式机身的蒙皮和桁条,在结构受力中能够得到充分利用。但是,这种机身由于没有强有力的大梁,不宜开大的舱口,如果要开口,应必须在开口部位用专门构件加强。桁条式机身各构件受力比较均匀,传递载荷时必须采取分散传递的方法,因而机身各段之间都用很多接头来连接。

1.5.3 硬壳式机身结构的受力分析

加强隔框在承受垂直方向的对称载荷时,要沿垂直方向移动。大梁抵抗垂直方向变形的能力很小,不能有效地阻止隔框垂直移动;而蒙皮(尤其是两侧蒙皮)抵抗垂直方向变形的能力较大,它能有效地阻止隔框垂直移动。因此,蒙皮是支持加强隔框的主要构件。这时,加强隔框沿两边与蒙皮连接的铆缝,把集中载荷以剪流的形式分散地传给蒙皮;蒙皮则产生反作用剪流,来平衡加强隔框上的载荷。

    由于沿隔框周缘各部分蒙皮抵抗垂直方向变形的能力不同,周缘剪流的分布是不均匀的。机身两侧的蒙皮,抵抗垂直方向变形的能力比上下蒙皮强,因此,这个部位剪流较大。为了研究方便,可以认为作用在隔框平面内的垂直载荷完全传给了两侧蒙皮,并由它产生的反作用剪流来平衡。即传递垂直载荷时,机身两侧蒙皮的作用相当于翼梁的腹板。

    作用于加强隔框的水平载荷(例如来自垂直尾翼的载荷)通常是不对称的,它对隔框的作用,相当于一个作用于隔框中心处的力(即对机身的剪力),和一个对隔框中心的力矩(即对机身的扭矩)。

    加强隔框传递作用于中心处的力的情况,与传递垂直载荷相似,它同样是沿铆缝以剪流的形式将载荷分散地传给蒙皮的。但由于力的方向是水平的,所以,机身上下蒙皮截面上产生的剪流最大。

加强隔框承受扭矩时,要在自己的平面内旋转。蒙皮组成的合围框具有较大的抗扭刚度,它能通过铆钉来阻止隔框旋转。这样,加强隔框便沿周缘铆缝把扭矩以剪流的形式均匀地传给蒙皮,蒙皮则产生反作用剪流,形成对隔框中心的反力矩,使隔框平衡。

    总之,加强隔框承受水平载荷时,隔框周缘要同时产生两个剪流,即平衡力P的剪流和平衡力矩M的剪流。周缘各处的总剪流的大小,就是这两个剪流的代数和。在承受垂直尾翼传来的载荷时,隔框上部两个剪流的方向相同,而下部方向相反。因此,固定垂直尾翼的加强隔框,上部受力较大,这些隔框的上部往往做得较强,而且机身尾段上部的蒙皮一般也比较厚。对于固定前

起落架的加强隔框来说,在承受由前起落架传来的侧向水平载荷时,隔框下部的受力比上部大,所以,这种隔框的下部通常做得较强。

1.5.4 机身构件的构造

    机身结构中,蒙皮、桁条和构造,与机翼的相应构件相似,因此,下面仅说明机身中大梁和隔框的构造。

    从受力性质来说,机身的大梁相当于翼梁的缘条,它是承受弯矩引起的轴向力的主要构件。机身的大梁的构造比较简单,通常就是一根用铝合金或高强度合金钢轧制成的型材;在大型飞机上,也有采用铆合梁的。

    机身隔框可分为普通隔框和加强隔框两种。普通隔框功用是形成和保持机身的外形、提高蒙皮的稳定性以及承受局部空气动力;加强隔框除了有上述作用外,主要是承受和传递某些大部件传来的集中载荷。隔框还可分为板式隔框、环形隔框和球形隔框。

    尾翼的主要作用是:①保持飞机纵向平衡 ②飞机纵向和方向安定性 ③实现飞机纵向和方向操纵。

    多数飞机的尾翼的设计包括尾锥、安定面和操纵面。安定面包括水平安定面和垂直安定面。操纵面包括方向舱和升降舵。

    尾翼结构一般也是由梁肋、桁条和蒙皮组成,而构成方法与机翼相似。

尾翼承受的应力也与机翼相似。由气动载荷引起的弯矩、扭矩和剪力,从一个构件传到另一个构件。每个构件分担一部分应力,而把剩余的传给其它构件,最终传给翼梁,翼梁再把它传到机身结构。

早期飞机的水平安定面是不能运动的。现代飞机多采用可变安装角的水平安定面,可通过改变水平安定面的安装角,来达到纵向配平的目的。

    副翼主要有内副翼、外副翼及混合式副翼。在大型飞机的组合横向操纵系统中,其内副翼(2块)和外副翼(2块)共四块副翼。在低速飞行时,内外副翼共同进行横向操纵,而高速飞行时,外侧副翼被锁定而脱离副翼操纵系统,仅由内副翼进行横向操纵。现代飞机副翼通常采用复合材料和蜂窝结构。

机体开口部位的构造和受力分析

    由于乘坐人员、安置设备等原因,往往需要在机体结构上开口。为了制造、维护和修理方便,机体各部分通常是分段制成后,再用装在分离面上的连接接头,将各段连成整体的。在开口部位和连接接头处,由于结构发生了变化,力的传递情况也随之发生改变。这就给这些部位的构件在受力上带来一些特点。

    受力舱口盖由盖板和一些加强型材铆接而成,它用来代替开口部位的蒙皮、桁条、翼肋或隔框。为了使这种舱口盖能很好地参与受力,它的周缘要用很多铆钉、螺栓牢固地与开口周缘连接。这种舱口盖拆装不便,故多用在不需经常拆卸的部位。

    其舱口盖通常只用少量螺钉或锁扣来固定。在这种情况下,开口部位原来由壁板传递的载荷,将由加强构件组成的框型结构来传递,舱口盖不传递轴向力和剪流,仅承受局部空气动力,起盖住开口、保持飞机外表流线形的作用。

    这种补偿方法,多用在开口不大,而舱口盖又需要经常拆卸的部位。

必须注意,修理这种补偿开口部位的构件时,不仅要保持其足够的强度,并且应使其刚度符合原来的要求。因为,载荷是按构件的刚度来分配的。如果修理以后的框型结构刚度不足,结构受力时,经框型结构传递的力应会减小,而沿开口段两边的壁板传递的力则会增大,结果开口段两边的壁板就容易因受力过大而损坏;反之,如果框型结构刚度过大,则经框型结构传递的力将比原设计情况的力大,这就会使与框型结构连接的构件受力过大,容易损坏。

1.6.4间接补偿开口

    机体的结构中的某些大的开口 (如起落架舱口),采用直接补偿是不合适的,因为,这些地方不可能设置受力舱口盖,而沿大的开口周缘安装加强构件又会使结构过重。所以,这些开口通常是间接补偿。

    下面以金属蒙皮机翼为例,来说明在垂直载荷作用下,剪力、弯矩、扭矩在间接补偿开口部位的传递情况。为了使问题简化,假设该机翼在两个翼梁和翼肋1、2之间的上下表面都是开口的(图1- 43),且不考虑开口部位前后缘蒙皮和桁条的传力作用。

    由于开口部位的翼梁是完整的,所以垂直平面内的剪力和未开口时一样,仍由翼梁腹板传递。

    在不同结构型式的机翼上,间接补偿开口对结构传递弯矩的影响是不同的。梁式机翼的弯矩主要由翼梁承受,上下蒙皮和桁条被去掉后,对结构传递弯矩的影响不大;单块式机翼中,弯矩引起的轴向力,有很大一部分是由蒙皮和桁条传递的,蒙皮和桁条被去掉后,这部分轴向力就要由翼梁缘条传递,因此开口段翼梁缘条的受力大大增加。

    原来由蒙皮、桁条传递的轴向力,在开口部位是怎样加到翼梁缘条上去的呢?我们可以取开口部位外侧两翼梁间的一块带桁条的蒙皮abcd(图1- 44)来研究。这块蒙皮的内端铆接在开口边缘翼肋上,两侧铆接在翼梁缘条上,外端则和外段蒙皮、桁条连接在一起,并受到外壁板传来的由弯矩引起的轴向力P。在轴向力作用下,蒙皮abcd有向翼根移动的趋势。由于边缘翼肋受到垂直于它本身平面的力时,比较容易变形,不能可靠地支持这块蒙皮,而翼梁缘条却能对它起支持作用,因而由外段壁板传来的轴向力,便经过蒙皮侧边铆缝,以剪流的形式逐渐传给翼梁缘条,使缘条承受的轴向力逐渐增大。

    在开口部位的内侧,翼梁缘条内由于开口增加的那部分轴向力,又以剪流形式逐渐传给蒙皮和桁条,使它们重新与缘条一起受力。

    从开口部位的结构传递弯矩的分析中可以看出:单块式机翼的翼梁缘条,在开口部位及其附近,受力要显著增大。因此,在这个区域内,翼梁的缘条的截面积都是加大的(图1- 45)。

    开口部位外侧机翼的扭矩,通过蒙皮以剪流的形式传递给外侧边缘翼肋以后是以力偶的形式传给翼梁的。当组成这个力偶的两个力,分别经翼梁传到内侧边缘翼肋时,由于蒙皮的支持作用,内侧边缘翼肋又要通过铆缝,将这个力偶转变成剪流传给内侧机翼蒙皮。可见:开口部位的两个边缘翼肋传递扭矩时,它们与蒙皮和翼梁腹板相连的铆钉承受的剪力较大,维护工作中应注意检查。

    开口部位的翼梁传递扭矩引起的力偶时,要承受附加的剪力和弯矩。由于附加剪力的作用,腹板各截面承受的总剪力可能增大,所以,开口部位翼梁腹板通常也是加强的。开口部位的翼梁承受的附加弯矩,可通过如图1- 46来说明:图中表示开口部位的一段翼梁,它在两端的附加剪力作用下,有沿垂直平面旋转的趋势,这时,开口部位两侧的翼梁段会产生反力矩来阻止它旋转。

    开口段翼梁两端受到的附加弯矩最大,开口段翼梁中间弯矩为零。另外,附加弯矩的最大值与开口部位沿展向的长度有关;开口部位越长,附加弯矩的最大值就越大。

    总之,开口部位的翼梁不仅要承受机翼的全部弯矩,而且要承受由于机翼扭转而引起的附加弯矩。因此,开口段翼梁截面上的总弯矩,是这两个弯矩的代数和。

    飞机定位编码系统用于定位机身上或某些部件上零件的位置。其中机身站位用于沿前后方向(飞机纵轴方向)进行定位;纵剖线用于沿飞机纵向对称面的左、右方向(横向)定位;水线用于上、下(垂直)方向的定位。除此之外,还有襟翼站位、副翼站位等。

    用距离参考基准面的英寸数进行的编码。参考基准面是一个假想的垂直平面。

    平行于垂直中心线的左(右)宽度测量线。

    以英寸数为单位度量距水平平面的垂直高度值。该水平平面(基准面)被定位在飞机机身底部下面若干英寸数。

    从垂直于机翼后梁的襟翼内侧面起,向外侧面以英寸为单位测量距离,规定某些距离值为站位号。

从垂直于机翼后梁的内侧面起,向外侧面以英寸为单位测量距离,规定某些距离值为站位号

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