飛機氣動布局的案例
高超聲速飛機氣動外形概念設計
20 世紀初，美國就開展了高超聲速飛機的相關研究，并先后提出了多個概念方案。廖孟豪等[3]對美國軍方和軍工部門提出的4個高超聲速作戰飛機概念方案進行了梳理，對比分析了各個概念方案的氣動布局特點，分析認為，美國高超聲速作戰飛機氣動布局向提升低速特性、降低內外流耦合程度、增加機身容量等方向演變。左林玄等[4]詳細總結了高超聲速飛行器的氣動布局分類，并指出未來高超聲速飛行器的布局將向翼身融合布局和乘波體布局兩個方向發展。李憲開等[5]結合高超聲速飛機的需求，分析了高超聲速飛機氣動布局設計存在的問題、難點和關鍵技術。
氣動布局技術是水平起降高超聲速飛機研制的核心技術之一。崔凱等[6-7]采用前體/發動機一體化設計思想，給出了一種雙旁側進氣翼身融合體概念設計方案。國內對高超聲速飛行器的相關研究日趨活躍，但對高超聲速飛機尤其是氣動布局方面的研究還不多，而且缺乏具體的應用背景和需求指標牽引。劉濟民等對高超聲速ISR平臺的軍事需求進行了分析，并對其在未來海戰中的應用進行了研究[8]。根據軍事需求分析得到的能力需求，目前的技術發展水平和對未來作戰使用的基本構想，對高超聲速ISR 平臺做以下技術想定，見表1。
表1 高超聲速ISR平臺主要技術指標
Table 1 Main technology index of hypersonic ISR vehicle
本文以上述高超聲速ISR 平臺目標圖像為需求牽引，擬采用類乘波體氣動布局，對高超聲速ISR平臺的氣動外形進行初步設計與性能分析，并進一步驗證氣動外形概念方案滿足設計需求的程度，找到軍事需求與技術滿足度之間的差距，為高超聲速飛機氣動布局技術研究指明努力的方向。
1 氣動外形設計方法
氣動外形設計包括乘波前體氣動外形優化設計、機翼設計。
展開 基于CFD理論的戰略大飛機的氣動特性數值模擬
文獻[1]和文獻[2]基于伴隨算子，研究大飛機在全機狀態下的機翼多參數、高精度優化設計，并考慮短艙和機身對機翼氣動特性的影響；文獻[3]采用非結構混合網格方法數值求解N-S方程，分析了進排氣效應對機翼氣動載荷的影響；文獻[4]對大飛機布局風洞實驗尾支撐干擾開展了數值模擬和實驗研究，數值方
法計算結果與風洞實驗結果有很好的一致性；文獻[5]基于3D數字樣機和高精度數值模擬方法，設計自動駕駛儀閉環仿真系統；文獻[6]研究非平面機翼的氣動性能；文獻[7]研究寬體飛機客艙環境控制系統的通風情況；文獻[8]研究飛機在大迎角條件下的氣動特性；文獻[9]研究飛機機翼的結構和氣動耦合技術；文獻[10]研究飛機空氣動力和穩定特性；文獻[11]研究運輸機尾部降阻增升方案的設計，并進行風洞試驗；文獻[12]考慮進氣道幾何特征，研究高速飛機的進氣道特性；文獻[13]使用降階模型，數值模擬飛機的結冰特性；文獻[14]研究大飛機縫翼滑軌對飛機氣動性能的影響；文獻[15]數值模擬大飛機靜壓孔周圍的壓力系數，仿真得出壓力系數與實際側滑角的關系；文獻[16]基于分布式推進系統與翼身融合體耦合的飛機氣動布局設計方案，研究設計參數對飛機氣動特性的影響；文獻[17]計算評估大量外形方案性能，完成民用飛機與發動機集成構型下機翼多目標優化設計；文獻[18]估算機翼下掛載吊艙對試驗飛機飛行品質的影響；文獻[19]提出智能自適應控制策略，并對波音747進行仿真，效果顯示能夠實現強風干擾影響下的大飛機姿態快速穩定與快速機動。
雖然對大飛機的氣動特性研究較多，但是關于概念設計戰略大飛機，且加裝預警雷達天線后的氣動特性對比方面的研究，尚未搜到相關文獻；因此，筆者采用CFD技術，研究戰略大飛機的概念設計，并進行戰略運輸機和戰略預警機的氣動特性研究。
展開 國外戰斗機總體氣動布局演變與發展趨勢淺析
1903年12月萊特兄弟成功試飛了第一架飛機“飛行者一號”，此后飛機經歷了110多年的快速發展。戰斗機在第一次世界大戰后期由偵察機演變而來，并從此登上歷史舞臺，對制空權起到了關鍵性作用。隨著作戰模式的不斷演變，戰斗機設計要求不斷提高，加之各種理論與關鍵技術相繼突破，戰斗機綜合性能不斷提升，其總體氣動布局也隨之改變。
戰斗機總體氣動布局直接影響其飛行性能及作戰效能等。雖然現在歐美與俄羅斯等國采用其各自不同的五代或六代劃分法，但出于方便探討戰斗機氣動布局特點的目的，本文仍基于美國2006年之前的四代劃分法，對國外第一代到第四代戰斗機總體氣動布局演變進行歸納總結，并對未來戰斗機總體氣動布局進行初步預測。
01
戰斗機總體氣動布局演變
戰斗機劃代的根本依據是戰斗機作戰模式的改變、技術的突破、性能的提升。
展開 飛機氣動效應數據NEV測算
概述
由于飛機部件裝配、老化等原因，某些部件、舵面、氣動結構之間的間隙和平齊度會發生變化，通常需要參考AMM或SRM檢查部件結構性、功能性和氣動性structurally, functionally and aerodynamically acceptable to engineering.，其中氣動性主要指間隙和平齊度，并通過測算驗證氣動效應值NEV是否在限制范圍NEL內，或在可接受范圍內（acceptable as is without any additional adjustments）。
用上了戰斗機氣動布局
近日，中國最先進氣動設計的民航客機，進行風洞測試！
這一最新客機的縮比模型，展示出世界頂尖的該類別民航機氣動整體布局，讓人眼前一亮！
上圖就是中國航空工業氣動院設計的“靈雀B”大邊條翼身融合民航客機驗證機縮比模型。
它剛剛實施了首次風洞自由飛試驗，在我國先進大尺寸風洞中完成六自由度飛行試驗。試驗中該先進民航客機縮比模型的操縱性、穩定性、飛行品質得到了考驗。
大邊條、翼身融合，是現代戰斗機上極為出色的一種氣動整體布局，目前還沒有民航客機使用這一設計，假如中國能率先打造相關客機，將引領該領域世界潮流。邊條是機身機翼之間的延展過度結構，它最大的優點是可以產生有利的脫體渦，改善提高飛機氣動性能。
在歷史上，后掠翼或三角翼有著較好的高速性能，但低速性能很差，升阻比不理想。而在大迎角飛行時，常規布局的飛機容易失速，這扼制了機動性的改善。此外傳統布局橫側穩定性不盡理想。
為克服后掠翼等傳統布局上述缺點，出現了大邊條翼設計，它能夠產生有利的脫體渦流，使得低速下、大迎角下仍有足夠升力。橫測穩定性也有所改善。
此外，大邊條令飛機在相對高速飛行時，激波強度獲得降低，提高了機翼氣動效率，包括配平阻力減少大約20%。這對于進一步提高已經接近音速的現代民航客機的速度，有明顯益處。
大邊條往往與翼身融合布局同時出現，即機翼和機身結構采用漸進過渡，而不是傳統上突兀的簡單過渡。這有利于優化整體氣動性能，同時也有利于增大內部空間，翼身融合部位可安排油箱、設備艙等等。
展開 氣動布局這一設計，美軍B2轟炸機認輸了
在這個方面，設計轟20的氣動布局和材料就尤為重要。
首先，轟20將采用翼身融合的常規氣動布局，轟20為什么會采用常規的氣動布局？這是因為我軍第一次自主研制大型轟炸機，之前只是仿制前蘇聯的轟炸機，沒有自主的設計理念和設計思想，因此，綜合考慮還是采用熟悉的穩當的設計為佳。但是也要在設計中大量應用最新技術，比如翼身融合、電傳操縱、二次曲面機身設計、前后緣機動襟翼、機翼大型一體油箱等新技術。綜合考量的隱形設計。隱形設計的第一項就是翼身融合，這是在我國最近的戰斗機設計中已經大量使用的技術，沒有什么困難。翼身融合的好處是整個機身與機體形成較好的曲面過渡，沒有造成雷達波反射的拐角和直面，大大減少被敵人發現的概率。
轟20大量使用碳纖維復合材料，現在評價一架飛機的先進與否的重要一條是使用了多少復合材料，我們的新轟八就是大量的使用了我國自己研制的碳-碳纖維復合材料制作機身結構件。使用復合材料的好處是既減輕了機體的結構重量，又可大大提升飛機的載油量和載彈量，也大大延伸了飛機的作戰航程。另外，使用復合材料也可容易實現飛機的隱形目的，同時轟20埋入式翼根發動機隱身技術。轟20型轟炸機采用了四臺‘太行’渦輪風扇發動機，使用左右各兩臺的布局，布置在翼根兩側。由于轟20采用了大翼面翼身融合設計，發動機緊貼翼根用埋入式方式固定在機翼上部。這樣做的好處是發動機進氣口在機翼前上部，很難被敵方探測到，出氣口在機翼后上部，發動機所散發的熱氣流經過紅外抑制裝置作用，可大大減少被敵人紅外探測裝置發現的概率，實現一定程度的隱形目的。
轟20在武器系統方面，武器內置掛架技術，由于這款飛機要求隱形性能和遠程導彈攻擊，因此，就必須采用內置武器掛架。該飛機可以攜帶兩個轉輪式武器掛架，在機身中段分前后布置。
展開 【報告/論文下載】2019年IDAJ中國CAE/MBD技術大會報告/論文（ANSYS/JMAG等）
來自一汽解放商用車開發院、上海汽車集團股份有限公司技術中心、天津力神特種電源科技股份公司，北京交通大學客戶針對重卡熱管理快速仿真方案、Fluent汽車空氣動力學前處理二次開發方法、菱形翼飛機氣動布局優化、汽車電池防護電路板電磁兼容等領域介紹了ANSYS產品深度應用。IDAJ各方向資深工程師分別從CAE二次開發構建、疲勞耐久、光學仿真、復雜模型CFD網格、電子散熱、燃料電池CFD以及整車電磁兼容領域全面介紹了IDAJ的ANSYS解決方案。
IDAJ光學工程師正在介紹ANSYS SPOES軟件在車燈設計以及人機工程方面的應用
4【CONVERGE分會場】
CONVERGE軟件是IDAJ獨家代理的重要產品，自2013年代理以來，CONVERGE軟件在IDAJ的成功推廣及客戶良好口碑影響下，日本及中國內燃機客戶陸續從其他軟件轉為使用CONVERGE，CONVERGE全球市場份額實現巨大飛躍。
展開 飛機都長什么樣？盤一盤飛機的長相
有人說：飛機自出現至今長相基本沒變過，一個機身加一（兩）對翅膀；也有人說：飛機變化很大，不存在兩個完全相同的飛機。
1903年萊特兄弟完成了人類歷史上第一次有動力飛行后，僅僅過了70年，人類就突破了平流層，又過了短短40年，就出現了空天飛機——可以在大氣層內外來回穿梭。這樣的成就和飛機的"長相"密不可分。
說“型式”, 別用“長相”糊弄人
所謂飛機的"型式"并沒有嚴格的定義，有時認為是指飛機的氣動布局型式，但更廣泛的含義則應該是指飛機幾何外形的主要特征及飛機各種裝載布置方案的總稱。通常區分飛機的型式主要是看其機翼、尾翼、機身、發動機及起落架等的數量及相對位置。
別說話，看圖
根據飛機整體布局分為：
- 后置平尾
- 鴨式布局（下圖第5個）
- 三翼面布局
- 無尾翼布局
- 飛翼布局（機翼機身一體，下圖第2個）
根據機翼平面形狀分為：
- 平直翼
- 后掠翼
- 前掠翼
- 三角翼
- 變后掠翼（下圖第6個）
- 斜置翼（翼面非對稱的）
......
展開 基于實際工程的飛行器氣動設計與仿真
在飛行器氣動設計中總會遇到一些技術難點，本文無法給出大家實際遇到問題的解決方法。但想從以往實際工程中“捅破這層窗戶紙”的角度提供一些經驗供大家參考，如果看完本文，您也感到“哦，原來如此”，就算達到了本文的目的。
本文是從氣動專業的角度，通過多年的設計、試驗、仿真經驗，跟大家探討交流一下直接的體會感受。當然，這些直接工程上的做法，并非作者一人之功，實來源于無數前輩及周圍優秀同事，本文無法一一點到，望曾經一起攻堅的戰友們見諒。
2. 跨速域飛行器的布局設計
空氣動力學將流動分為亞音速、跨音速、超音速及高超音速，無疑跨速域飛行器在氣動布局上考慮的因素更多，因此本文以典型跨速域飛行器：戰斗/偵察機及可復用火箭/飛船，展開方法的介紹及論述。
圖1 典型跨速域飛行器
2.1. 傳統跨速域飛機氣動布局指標的提出
一個新構型的氣動布局必然由需求牽引而出，大國之間軍事對峙的典型場景即為軍機之間的跟飛、纏斗，戰爭期間，先進戰斗機則直接意味著制空權。因此，戰斗機性能優于對手的需求，在世界成為地球村之前是一直存在的，此即為推動戰斗機性能提升的動力。
一代空氣動力學理論的突破，一代戰斗機氣動布局的跨越。跨音速面積率的出現，使得戰斗機進入超音速時代；邊條渦升力理論，戰斗機具備了大迎角高機動能力。
圖2 戰斗機氣動布局的更迭
具有良好氣動布局外形的飛機通過不斷地更新發動機和記載設備可使其服役期延長幾十年，而這不僅僅限于軍用飛機。上世紀40年代的安2運輸機，其優異的氣動布局，使得至今其仍具有蓬勃的生命力。因此，在飛機設計中，氣動布局設計，尤其是先進氣動布局設計占有極其重要的地位。
展開 民用飛機系統安全性要求，源自何方？
01 前面的話
雖然航空運輸是公認的最安全的交通運輸手段，但自飛機誕生至今，一些致命的飛行事故仍頻頻發生。因此在民用飛機的設計過程中，飛機設計師必須考慮飛機安全性的要求，使安全性成為民用飛機的一種基本特性。
那么民機和系統設計的安全性要求，究竟源自何方？且聽本文細細道來。
02 公眾利益和適航的要求
民用飛機安全性要求，最初來源于公眾利益和適航的要求。
伴隨著多次空難事故的發生，公眾從自身利益出發，要求政府對空中飛行活動進行管理，以確保航空器的設計、制造和維修，能夠達到一定的安全性水平。
因此適航規章（例如 CCAR/FAR/CS 25.1309）及相關咨詢材料，定義了飛機能在預期的環境中安全飛行的要求，以保護公眾利益。
伴隨著民用飛機設計技術的發展，飛機和系統所實現的功能得以不斷擴展，復雜電子硬件和軟件得到廣泛應用。
現代飛機的氣動布局和結構設計，與飛控系統、推進系統、航電系統的關系也日益密切，電傳飛行控制等系統已成為機上最重要、最復雜的系統。
針對這樣一類復雜系統，需要考慮當單個或多個功能喪失或異常時，對飛機、機組及乘客的潛在危害。此外，還需考慮執行不同功能的系統之間的相互影響。
03 公眾/飛機制造商/運營商的折中
公眾對飛機安全性的要求是永無止境的！
而安全性要求越高，相應的系統架構復雜度、研發難度、維護工作和重量等也越高。這對于飛機制造商和飛機運營商而言，有時是難以承受的。
因此，定義合適的安全性要求，使公眾、飛機制造商和飛機運營商都能夠接受，是一個折中和權衡的過程。這一過程的關鍵則是定義 “失效狀態的發生概率” 和 “影響程度” 之間的約束關系。
即，隨著失效狀態影響程度的加深，其故障發生概率要求越來越小。
展開 AG600水上首飛為何難？失控就會像海豚上躥下跳
中國首款大型水陸兩棲飛機“鯤龍”AG600于10月20日成功進行水上首飛（如圖）成為上周末國人關注的熱門話題。被譽為中國大飛機“三兄弟”之一的AG600去年已經實現陸上首飛，為何它的水上首飛依然如此受關注呢？中國航空工業集團有限公司（以下簡稱航空工業）AG600總設計師黃領才告訴《環球時報》記者，為實現AG600的真正“水陸兩棲全能”，需要克服諸多的技術難點。
黃領才介紹說，相比從陸地起飛，AG600水上首飛難度的確更大。他表示，去年進行的陸上起飛，驗證了飛機的總體氣動布局和各系統的功能是否符合要求，“陸上起飛時依托堅硬平滑的跑道，對飛機的安全是有保障作用的”。而水上首飛，主要是驗證飛機的水動力特性，包括飛機“從空中進入水面”和“從水中加速滑行升入空中”這兩個階段。他說，由于水面是波動起伏的，會導致飛機不斷地顛簸上下搖擺，專業術語叫“縱搖”。“如果縱搖失控，飛機就會像海豚一樣上躥下跳，我們稱其為海豚跳，嚴重的話飛機會失控一頭鉆進水里”。
航空工業AG600首飛機長趙生也用自身經驗證明了這點：“對于我們機組來說，水上起降的操縱的確要復雜一些。如果說陸上起降是在普通平路上騎車，那在水上起降就像是在結冰的路面騎車一樣，飛行員必須極精確地操作，注意力要非常集中，反應、決策和各種操縱都必須非常及時。”
除了操縱方面的挑戰，水上起降還給AG600帶來一系列設計難題。黃領才表示，由于水的密度是空氣的約800倍，而飛機在水上起飛時的速度和陸上的起飛速度一樣，要想加速到這樣一個速度，飛機的阻力特性就要設計得比較好。另外飛機在水面滑行時會有大量水的噴濺，如果這種噴濺不可控的話，會對發動機、螺旋槳或機體結構帶來沖擊和損傷。
展開 
俄罕見公布蘇-57關鍵性能:矢量發動機性能達五代半標準
據蘇-57試飛員謝爾蓋·波格丹介紹，之前戰機的加油干都是向上伸出的，而考慮到蘇-57作為隱身飛機的布局和氣動外形，加油桿則改為稍微向側面伸出。
來源：兩機動力控制
飛機新概念結構設計與工程應用
關鍵詞
新概念結構；設計與制造一體化；增材制造；工程化驗證
引用格式
王向明.飛機新概念結構設計與工程應用［J］.航空科學技術，2020，31（04）：1-7.
Wang Xiangming.New concept structure design and engineering application of aircraft［J］.Aeronautical Science & Technology，2020，31（04）：1-7.
新型戰機是我國空中作戰體系中的重要組成力量，其作戰性能和飛行安全與機體結構屬性密不可分。機體結構構成飛行平臺，對設計、制造要求極高，包括高減重、長壽命、多功能、低成本、快速響應研制，對飛機的研制至關重要、不可或缺。
傳統結構自噴氣式飛機誕生以來已持續70多年，存在諸多弊端，如零件多、質量大、危險部位多等。超重通常達數百千克以上（占結構總重的8%～20%），疲勞開裂占外場損傷總量的80%，美國戰機面臨同樣問題，如F-35 超重640～900kg，F-22投入3.5億美元進行抗疲勞改進。通常采用精益設計和先進材料、工藝替換來挖掘潛力，但已觸及“天花板”，甚至關系到新機研制的成敗，如無人作戰飛機如果采用傳統結構就無法實現高過載的設計要求，大部件接頭凸出飛機外形，會顛覆飛機先進氣動隱身布局。
為什么戰機傳統結構“弊端”長期難以突破?
展開 世界航空技術發展報告
該白皮書全面總結了目前航空零排放技術的研發狀況及為實現零排放所做的工作，認為只有通過科技界、航空業和政府部門密切協作，綜合采用可持續發展的航空燃料、更新的飛機氣動布局、新型燃料電池和新型燃氣渦輪發動機等多種技術，才能在2050年前實現零排放。德國宇航中心認為，實現航空零排放需要進行大量的研究工作，同時必須進行各種顛覆性技術的開發，并根據飛機的大小、航程的遠近分別采用不同的技術方案。對人口密集地區使用的中短程支線飛機而言，電池供電具有可觀的發展前景，燃料電池混合動力將取代當前的燃油動力；對中遠程空運而言，新型燃氣渦輪發動機和綠色氫能源具有巨大的減排潛力。
（4）對中國的影響與啟示
通過上述情況，中國可以得到以下三點啟示：一是隨著環保標準的不斷提高，綠色航空技術將成為民用飛機投入使用的一個基本技術門檻，必須予以足夠的重視；二是綠色航空技術涉及動力、燃料、氣動、結構和電池等多個技術領域，要全面發展并綜合利用這些領域的技術成果，才能最大程度地提高航空產業的環保特性；三是在綠色航空技術的研發和應用過程中，不可避免地會遇到一些技術、經濟、管理等方面的問題，這些問題僅靠工業部門和學術界往往無法解決，需要更好地發揮政府的組織、協調和支持作用。
二、軍用飛機技術
根據所承擔任務的不同，軍用飛機可分為作戰飛機和支援飛機。2020年，在作戰飛機方面，美國、俄羅斯繼續推進F-35、F-22、蘇-57等戰斗機的技術提升，美國及歐洲國家探索新一代戰斗機技術，日本啟動F-X戰斗機的研制工作；在支援飛機方面，美國T-7A高級教練機、俄羅斯新一代軍用重型運輸機和日本RC-2電子情報飛機的技術發展受到關注。
展開 層流機翼設計技術現狀與發展
3 層流機翼設計技術發展可行性分析
3.1 層流機翼布局構型限制
后掠角是目前限制高速民機層流機翼工程化應用的問題之一，設計高速層流機翼，首先需要嘗試打破跨聲速機翼大后掠角設計的常規，通過精細地權衡阻力發散馬赫數與摩擦阻力，探索把后掠角降到20°及20°以下的可能性。如圖13所示。
圖13 后掠角從30°到0°的變化
后掠角的減小對于層流維持和結構重量減輕有利，符合節能減排的綠色航空要求，但無疑會導致激波強度的增加，同時因為層流采用順壓梯度的設計，自然層流翼型通常具有較強的激波，所以有效降低后掠角的關鍵技術是通過三維激波控制鼓包來限制波阻的發展。研究表明在給定的升力條件下采用優化過的激波控制鼓包可使阻力降低20%以上。如圖14所示。
圖14 二維鼓包優化前后馬赫數等值線圖比較
主動層流控制技術的應用是解決后掠角過大問題的途徑之一。如圖15所示，采用全范圍吸氣層流控制（LFC）和混合層流吸氣控制（HLFC）技術均可大幅減小運輸類飛機的燃油消耗。盡管層流控制相當有效，但其面臨的工程實現上的諸多問題亟待解決，如何從工業應用的角度保證其穩定性和收益是目前的研究重點。
圖15 不同層流控制技術的燃油收益
自然層流新布局的設計為解決高速飛機構型限制問題提供了更多的可能性。例如，為了減小其余部件對機翼的干擾，層流飛機可采用尾吊布局方案；采用更大展弦比的機翼布局來降低雷諾數；采用前掠翼等特殊布局等。德國宇航研究院開展的前掠翼民用飛機布局研究計劃LamAir表明，小前掠角機翼不僅可以實現大后掠角時的跨聲速性能，還可維持機翼實現較長范圍的自然層流流動。一飛院開展的層流機翼設計研究中，進行了常規布局與融合布局的層流機翼設計，對于后掠角較小的翼身融合布局，也可實現一定范圍的層流區域。
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