第一讲尾翼的外形设计

航空宇航学院 尾翼外形的初步 航空宇航学院 飞机总体设计框架 设计 布局型式选择 主要参数计算 发动机选择 部件外形设计 机身 机翼 尾翼 起落架 进气道 三面图 部位安排图 结构布置图 计算 重量计算 气动计算 性能计算 结构分析 是否满足 设计要求？ 最优？ 航空宇航学院 提要 尾翼的功用、 组成和设计要求 尾容量 确定尾翼外形参数的思路 尾翼外形参数设计的步骤 举例 航空宇航学院 尾翼的功用、 组成和设计要求 功用： - 保证飞机稳定性和操纵性 组成： - 平尾（前翼）：水平安定面，升降舵 - 垂尾：垂直安定面，方向舵 设计要求： - 按设计规范 航空宇航学院 尾容量 平尾尾容量 L平尾  平尾尾力臂 S平尾  平尾面积 S  机翼面积 cA  平均气动弦长 航空宇航学院 尾力臂的定义（1） 航空宇航学院 尾力臂的定义（2） 航空宇航学院 前翼尾容量 L平尾  前翼尾力臂 S平尾  前翼面积 S  机翼面积 cA  平均气动弦长 航空宇航学院 垂尾尾容量 L垂尾 垂尾尾力臂 S垂尾  垂尾面积 S  机翼面积 L  机翼展长 航空宇航学院 讨论： - 力矩  尾翼面积，力矩  尾力臂； - 综合效果：力矩  尾翼面积  尾力臂  尾容量 - 若A尾固定，L尾  S尾  尾翼结构重量，阻力 - 当飞机构形为鸭式布局时： a) 对于近距耦合情况：L前小，S前大。 b) 对于远距耦合情况：L前大，S前小。 - 初步确定A尾时，通常参考统计数据。 航空宇航学院 各种不同类型A尾统计数据 摘自：Aircraft Design:A Conceptual Approach 飞机类型 A平尾 A垂尾 Homebuilt 0.5 0.04 Single Engine 0.7 0.04 Twin Engine 0.80 0.07 Agricultural 0.50 0.04 Twin Turboprop 0.90 0.08 Jet Transport 1.00 0.09 Jet Fighter 0.40 0.07 Military Cargo/Bomber 1.00 0.09 航空宇航学院 尾容量统计值的范围 航空宇航学院 尾吊布局与翼吊布局飞机的尾容量比较 尾吊布局飞机的A平尾较大，但平尾面积不大。 航空宇航学院 客机A垂和垂尾相对面积的比较 尾吊短舱式的尾容量和相对面积较小，因为飞机单发停车不是垂尾设计的严重情况。 航空宇航学院 确定尾翼外形参数的思路 确定A平尾 确定L尾 确定S尾 平尾的平面参数设计参考机翼 垂尾的平面参数设计参考统计值 操纵面的设计参考统计值 航空宇航学院 尾翼外形参数设计的步骤 1. 回顾所选的飞机构型： - 正常式；鸭式；无尾式； 2. 确定尾翼在机身上的前后位置: - 先画出机身外形，然后确定尾翼在机身上的前后位置，尾翼位置尽量靠后。 航空宇航学院 3 . 根据同类飞机的统计数据，确定A平尾和A垂尾 - 全动平尾，可减小1015%。 - “T”平尾， A垂尾可减小5%， A平尾可减小5%。 - “H”平尾， A平尾可减小5%。 4 . 确定尾力臂L平尾和L垂尾 - 对于拉力式螺旋浆飞机，尾力臂  60% L机身。 - 发动机安装在机翼上时，尾力臂 （5055%）L机身。 - 发动机安装在机身后部，尾力臂 （4550%）L机身。 - 对于鸭式布局：L前 （3050%）L机身 - 经验公式： L平尾 = 1.2 CA ( 三角翼） =（1.52）CA （后掠翼） =（2.52.9) CA （直机翼） - 参考教材中的表6-5。 航空宇航学院 5 . 确定平尾面积S平尾和垂尾面积S垂尾 航空宇航学院 6. 确定尾翼的翼型和平面参数 - 翼型：大多采用对称翼型或反弯翼型（正常式） 1）低速飞机：相对厚度  1015% 2）高速飞机：相对厚度  36% 3）鸭式布局：要考虑前翼先失速 - 平尾的平面参数： 1）同机翼平面参数的选择类似； 2）为保证平尾不能比机翼先失速，平尾较小： * 对于大展弦比飞机：平尾  35 * 对于小展弦比飞机：平尾  23 * 根梢比平尾  23.5 - 垂尾的平面参数： 1）参考同类飞机； 2）一般情况：  垂尾  0.81.5; 垂尾  23.5 垂尾  3560 航空宇航学院 平尾的和统计值 航空宇航学院 7. 确定升降舵和方向舵的尺寸 - 在概念设计阶段，主要参考同类飞机的数据； - 许多高速飞机采用全动平尾； 一些喷气客机的统计数据 摘自：Airplane Design, Part 2, Roskam 飞机型号 S升降舵/S平尾 S方向舵/S垂尾 Boeing 727-200 0.25 0.16 Boeing 737-200 0.27 0.24 DC-9-50 0.38 0.41 A310 0.26 0.35 Fokker F-28 0.20 0.16 航空宇航学院 8. 画出尾翼的平面草图 航空宇航学院 实例分析（MD-82尾翼设计分析） 水平安定面和升降舵 一、尾容量，焦点和纵向静稳定度 设计平尾尾容量一般是根据纵向静稳定性要求以及在配平的起飞状态下抬前轮情况。 飞机的焦点和纵向静稳定度是联系在一起的 。 表 航空宇航学院 民航机对配平阻力有一定的设计要求， 一般在巡航状态下不超过全机阻力的5％ 。 二、配平阻力特性 航空宇航学院 选择了较高的根梢比 使平尾临界M数大于机翼的临界M数 尽可能减少平尾面积的增加 采用大的展弦比 采用对称翼型 平尾和垂尾最大厚度位置前后错开布置 增加安定面的下反角 三、面积、参数和翼型 航空宇航学院 四、升降舵设计 采取了大的舵面相对参数结合简单而有效的降低铰链力矩的措施 采取了升降舵外形修形 升降舵头部修形基本呈圆形 航空宇航学院 垂直安定面和方向舵 一、垂尾尾容量 机型 MD-82 DC-9-30 三叉戟 F28 BAC-111 C5A 波音737-100 波音727-100 A300B A垂 0.0652 0.0723 0.0548 0.0910 0.0482 0.0951 0.1117 0.0905 0.1020 S垂/S 0.1331 0.1609 0.1610 0.203 0.1320 0.1910 0.2680 0.2380 0.2040 航空宇航学院 二、高平尾布局垂尾结构重量的特点 刚度高 重量大 航空宇航学院 三、横航向稳定特性 飞行状态 迎 角 Iy/Ix к 上反角 巡航 5.2° -0.00290 -0.00280 4.1 3.96 3° 起飞 9° -0.00212 -0.00316 4.1 6.10 3° 航空宇航学院 四、大后掠的垂尾 垂尾后掠角和平均相对厚度的组合要求与平尾相同，即满足垂尾翼面出现激波迟于机翼。 MD-82垂尾的1／4弦后掠角达到了43.5°(比机翼大19°)，平均相对厚度为11％与机翼基本相同。 航空宇航学院 五、翼型 垂尾的翼型亦是麦道公司的DSMA系列的对称翼型，除有较高的阻力发散M数和气动效率外，具有更大的失速侧滑角和良好的失速特性，并使舵面本身具有较高的舵面效率和小的铰链力矩。 航空宇航学院 六、航向操纵 MD-82航向操纵是直接操纵方向舵和通过操纵调整片来偏转方向舵二种操纵方式的组合。 航空宇航学院 七、无配重的方向舵 MD-82方向舵中没有平衡配重，这是T形尾翼布置的特点之一。