[科普中国]-飞机总体外形设计

飞机外形设计的定义

长期以来，一直将船舶设计中的放样、飞机设计中的模线绘制划为飞机外形设计。这是因为以往基本上采用测绘、仿制设计提取外形的方法。随着电子计算机技术的发展，出现了将图解法用数学方法来逼近与绘图，用计算机程序和数据描绘飞机外形的方法。人们往往将这个过程说成是计算机辅助设计(CAD )，这是不确切的，实际上只能称为计算机几何设计(CAGD)。其意义是，通过船体数学放样或飞机模线绘制，使其几何外形信息(指已确定的几何外形)，如平面曲线或空间曲面的型值点或特征多边形的角点信息做出数学模型，通过电子计算机(或图象显示)求得足够多的信息，进行分析综合(如图形是否符合样机等)。这些工作只能说是工作设计与初步设计阶段之间的工作。

目前， 国内现有的软件(指比较成熟并接近商品化的)和国外引进的软件尚不具备飞机总体外形快速设计的功能，它们均属再次拟合，至多具有图象显示与局部修改的功能。但这些软件却为CAM提供了良好的手段。

伴随现代科学技术日新月异的发展，飞机的性能和基本参数都大大提高了。因此，飞机的总体布局、机体和动力装置的构造，隐身技术和各个系统等要求越来越高，致使

飞机设计的难度增加，制造、生产的难度和所需时间也有所增加，为研制新机(或改进改型)所需的风洞试验项目、所消耗的人力和计算工作量都按指数规律增加。为了缩短周期，减少费用和提高设计质量，还是应尽可能地发展和使用以数学模型为基础的基本方法，用电子计算机和图象显示装置来分析和决策。1

机身外形设计方法外形设计的一般原则我们期望寻找一个能快速生成外形的设计方法， 即按战术技术要求分析和评价， 给出初步的总体布局，用统计方法，近似计算法初步确定飞机的主要几何参数。有了这些参数，通过近似计算法或统计方法求解， 即可获得飞机的第一张设计图，并通过近似的重量估算方法和雷达散射渣的计算，分别给出全机重量估算值、重心后限位置和RCS值。

飞机部件设计中应解决的主要问题（1）选择主要参数和几何尺寸的最佳值；

（2）选择最佳形状，构出最佳外形；

（3）选择飞机部件的最佳结构受力型式；

（4）选择最佳材料和工艺过程， 目的是满足气动弹性、耐热性、静强度、动强度和疲劳强度要求， 以及在批生产中保证外形和表面质量的条件下使飞机生产成本最低、飞机重量最轻；

（5）保证飞机部件的使用维护方便。1

最佳形状的选择与相对关系的参数选择（1）机翼和尾翼的翼型及沿翼展方向的布置规律，

（2）机翼和尾翼相对于机身的位置， 水平尾翼和垂直尾翼的相对位置；

（3）机身的横截面和机身头部与尾部的外形；

（4）起落架的位置， 起落槊收入位置的选择方案；

（5）进气遭的形状选择，进气口位置与机身的相对位置选择等。

在进行形状选择时， 要考虑各部件之间的协调； 以减小由于这些部件间互相干扰而引起气动特性的改变，即应尽量减少不利的干扰因素， 以达到减小Cr0的增加，也就是说， 各部件的形状最终确定，应考虑按超跨音速的面积律来修型。事实上，飞机外形设计决不是单纯的几何外形描绘，它是综合了飞机各个设计的主要环节，综合矛盾的统一体的产物， 它是一个反复迭代的过程，最终获得最佳方案。1

外形设计在飞机设计中的地位飞机总体外形设计在飞机设计中处于先锋和核心地位；无论从对战术技术要求分析论证开始，还是对总体各主要参数的分析和优化，无不落实到飞机的总体构形和总体各部分的几何尺寸定义及它们之间的相对位置关系的确定，在初定外形后，所做的飞机设计方案阶段的各项设计工作，都要环绕外形。因此，是否能找到一个崭新的方法，能快速生成方案阶段所需的总体外形，是关系到能否缩短设计周期，确保设计质量的大事。1

详细设计（1）机身横截面的形状设计

圆形机身横截面是最有利的，它能盘截面积一定时保证最小的周长；或容积一定时表面积最小， 因而摩阻最小。

（2）座舱外形设计

从驾驶员的视野要求出发， 现代飞机机身侧视图有特殊的轮廓， 其机头的下部前伸，从飞行员眼睛向前向下通过风挡下边界连成一条直线， 在这条直线下可以安排机头形状， 切勿影响视野。这种做法，不论是气动方面，还是布局方面都是有益的。

（3）机翼和座舱的配置设计

超音速战斗机机翼在机身上的布局一般按：

从机翼和机身的干扰阻方来看，以中单翼为佳。早期的超音速战斗机，注重减小高速飞行时的阻力， 多采用中单翼；

从飞机的结构上考虑： 以上单翼为最佳；

从飞机的起飞、降落性能要求， 为了增强地面效照、改善起降性能，一般采用下单翼布局。

超音速战斗机的座舱，一般布置在机身的比较靠前位置， 以求尽量减小其凸起的阻力效应，并且尽最使进气道的位置与其后部相接， 以补偿座舱后部处截面积骤变引起的 、机身截面积变化过大。1