[科普中国]-三维机翼

三维机翼设计应在满足给定的巡航速度（Ma）和水平飞行升力系数，绝对保证飞行安全和机场要求（现在机场要求飞机翼展不得超过80m）等条件下，获得尽可能高的升阻比。由于对机翼的气动力、工艺、强度、气弹等方面的要求常互相矛盾，机翼的气动设计只能取对其气动要求和其他要求之间的折中。为保证飞机达到要求的实际航程和较好的运输成本指标，机翼的几何形状设计应实现尽可能高的Ma·Kmax值，图1所示为空客和俄罗斯的某些飞机的Ma·Kmax与Ma的关系曲线，显示了这一努力方向。此外，要求临界马赫数Makp尽可能大；抖振边界（即在设计马赫数时CL抖≥1.3*CLkp或设计巡航CL时Ma抖≥Makp+0.02）尽可能大。

机翼气动力布局（设计）是把选定的翼型以适当的方式组合形成三维机翼，即将选定的翼型以适当的Cmax（翼型最大厚度）和ψ（几何扭转角）沿展向分布而形成三维机翼，如图2所示，已有的现代干线飞机采用的超临界翼型前缘后掠角χ=30°~35°，展弦比λ=7，根梢比η=3~4。1

在对大量计算、模型试验和飞行试验结果进行分析后得知，飞机的阻力系数可按各部件阻力系数之后进行计算，根据一架典型的科技在Ma=0.8巡航状态，CL=0.48时的阻力分析可知，机翼的型阻、波阻和诱阻构成基本阻力，并约占总阻力的60%，机身阻力约占21%，发动机短舱阻力约占8%，尾面的阻力约占7%，废阻占3%，废阻系数取决于表面的工艺不平度以及附加的凸出物。若按阻力由摩擦阻力、压差阻力和诱导阻力3种类型来区别，则飞机各部件的摩擦阻力将占总阻力的51%左右，压差阻力约19%，诱导阻力约27%和废阻占3%。由此可见，减少摩擦阻力是十分重要的。从部件的阻力分配可知减少机翼的阻力是减少整机阻力的重要途径。1

三维机翼气动布局（选择翼型形状，确定最大相对厚度和几何扭转角）的基本要求为

（1）保证最小的诱导阻力值，气动载荷沿翼展分布尽量接近椭圆分布。

（2）保证巡航状态（Ma，CL）下的最低波阻值。

（3）保证在CL巡航条件下机翼各截面无分离流，在CL允许=1.3*CL巡航条件下（据适航性标准规定）尽可能保持低强度的分离流。

（4）对应于失速和深失速状态的大迎角条件，保证具有可接受的纵向安定性。1

描述机翼的形状和参数有：机翼平面形状和参数；机翼的翼型配置；机翼的弯扭分布和气动弹性剪裁；增升的前后缘襟翼的设计和配置；必要的非常规气动设计措施（如涡流发生器）等，因而机翼的完整设计贯穿于飞机为满足性能要求的全部设计过程中，且需与其他学科进行综合设计。例如，机翼的展弦比、根梢比、后掠角和机翼面积等平面形状参数的确定不仅要能实现空气动力最佳性能，还必须满足结构重量最小、操稳的平衡、发动机干扰阻力最小等要求，即应由多学科优化的综合总体设计加以确定。

机翼的气动设计是把选定的翼型以适当方式组合形成三维机翼，即按高速巡航性能要求进行三维机翼的翼型配置，将由此确定翼型以适当的Cmax（翼型最大厚度）和ψ（几何扭转角）沿展向分布而形成三维机翼。考虑到跨声速民用机机翼的内部容积主要为载油空间，因此典型截面位置的最大相对厚度实际上已由总体设计确定，且在满足容积要求下对已有机翼的优化设计计算表明，相对厚度的分布对气动性能优化的空间不是很大。综上所述，民用机三维机翼的气动设计方法主要包括翼型的配置和扭转设计。1