民用飞机增升装置气动布局分析

夏尊骥安那多里周 涛

1.上海飞机设计研究院 总体气动部

民用飞机增升装置气动布局分析

夏尊骥1安那多里2周 涛3

1.上海飞机设计研究院 总体气动部

夏尊骥，中国商飞上海飞机设计研究院，总体气动部，工程师，研究气动力设计方向。

本文分析了民用飞机里具有相似气动特性、飞行技术和起降性能的几种机型增升装置的气动布局，通过对前后缘增升装置的对比，分析了各自的优缺点，为新的民用飞机增升装置设计提供依据。

概述

在较高的跨音速飞行条件下，为了增大现代民用飞机的巡航升阻比，需要增大机翼后掠角和翼载荷，降低翼型相对厚度，同时采用超临界翼型。这些措施明显降低机翼承载特性，使飞机起降性能变得较差，因此需要高效增升装置。

民用飞机的增升装置有很多种类，构型比较复杂，但是随着科技的进步和技术的提高，增升装置更加趋向于简单化、高效化。结构形式相对简单，同时兼顾了气动性能上的优点，这是未来增升装置发展的方向。

在改变下列机翼增升装置几何和气动特性情况下，考虑纵向配平来确定飞机升力系数和阻力系数，为解决这一任务需要完成大量的计算研究工作。

本文对空客和波音著名的四种机型A330/340，A350XWB， 波音B777和B787前缘缝翼和后缘襟翼进行了对比分析，发现空客公司和波音公司在机翼和鼓包设计理念上有很大差别，并给出了各自的优缺点，将为以后民用飞机增升装置的设计提供依据。

飞机机翼增升装置气动布局分析

现代大型客机机翼增升装置高效发展的一种进化基本趋势就是采用单缝后退襟翼，下面将对空客A330/340、A350XWB和波音B777 和 B787飞机的增升装置做对比分析研究。

空客A330/340机翼

A330/340机翼气动布局如图1所示。

A330/340机翼后缘增升装置由伸出的单缝襟翼组成。沿机翼展长方向襟翼由两部分组成，彼此之间没有空隙。机翼前缘增升装置由伸出的单缝缝翼组成。在发动机安装位置缝翼和吊挂之间实际上没有空隙。因此从吊挂内部使用了边条，且边条和A320/321飞机上采用的比较相似。

图1　A330/340飞机增升装置和机翼气动布局

A330飞机机翼增升装置效率很高，如图2所示（这些资料是根据试飞试验结果而得到的），在前极限重心考虑纵向配平条件下能够在着陆构型下得到的最大升力系数是=2.5，巡航构型下马赫数Ma=0.2时，最大升力系数是=1.44。

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空客А350XWB飞机

A350XWB飞机如同А330/340采用的是前后缘增升装置。为了减少着陆构型下的升力损失，翼根剖面的襟翼紧贴着机翼机身的鼓包（无缝隙）。此外，在襟翼和鼓包间无缝隙能够增加起飞和复飞构型的升阻比，这在单发失效情况下非常重要。

波音777飞机

图3给出了波音777飞机机翼增升装置和机翼气动布局。

图2　试飞试验A330-200升力系数关系曲线

图3　波音777飞机增升装置和机翼气动布局

图4　缝翼相对弦长和机翼相对展长的函数关系

图5　波音777-200飞机试飞试验升力系数曲线

波音777飞机机翼后缘增升装置气动布局同А330/340和А350XWB相比有实质的区别。区别在于，波音777飞机在内外襟翼之间安装高速副翼，在高速飞行时使用它。因此其襟翼相对展长是远大于空客的А330/340的襟翼相对展长。

波音777飞机内外襟翼之间缝隙的存在实质上降低了偏转增升装置的最大升力系数。为了在起降飞行下不损失机翼升力，高速副翼作为单缝伸出襟翼工作。因此，高速副翼旋转轴位于翼型弦长偏低的位置。

增升装置偏转时，高速副翼偏转到外翼两侧的角正好和襟翼角相同。在主翼型和副翼之间为了形成成型的缝隙，在主翼型下表面采用偏转挡板，当副翼向下偏转时挡板向上随之偏转，反之一样。

因此，内外襟翼和高速副翼在偏转时形成一个统一的面（无间隙），这保证了机翼后缘增升装置高效的性能。

以图3中的机翼气动布局和增升装置为基础，建立单缝伸出缝翼相对弦长和机翼相对展长的函数关系，见图4。对比A330/340飞机的相对弦长，波音777飞机在翼根缝翼相对弦长比A330飞机小，但是在翼尖剖面比A330实质上要大一些。

此外，在缝翼和机身方向发动机吊挂之间的间隙要比A330大很多。因此在缝翼和吊挂之间采用相对弦长较小的克鲁格襟翼。它保证了缝翼到吊挂统一的面（无间隙），这提高了机翼前缘增升装置的效率。

波音777飞机在起飞状态下缝翼是无缝的，这里和A330也有所区别。

波音777机翼增升装置是高效的，并在着陆构型下能够获得最大升力系数=2.38～2.41，且由飞机飞行重量决定（这些数据根据飞机试飞试验结果得到的），见图5。因此在重心前极限条件下要考虑纵向配平。Ma=0.2时巡航构型下最大升力系数是=1.17。

波音787飞机

最新的远程客机B787飞机实际上重复了波音B777飞机的机翼增升装置，但是它有很多不同之处。第一个区别是，内襟翼是单缝的，代替了B777双缝襟翼。第二点区别在于，机翼鼓包尾部和机身间高度较小。787飞机在内襟翼翼根剖面和机翼机身鼓包间产生缝隙，为了降低缝隙对襟翼效率的不利影响，在襟翼上部翼根剖面处安装了一个平滑的护板。在襟翼偏转状态下，这一护板起着小翼的作用。它应用在飞机B707和B787上，在收起状态下它仅仅贴在鼓包处，并不会给飞机巡航升阻比产生不利影响。

因此为了消除缝隙，在缝翼和机身方向发动机吊挂之间采用相对弦长较小的克鲁格襟翼。它保证了缝翼与吊挂没有间隙，这提高了机翼前缘增升装置的效率。

在波音787飞机起飞降落构型下，扰流板沿襟翼展长分布，从中间状态向下偏转。扰流板向下偏转增大了偏转增升装置机翼翼型弯度，将增加最大升力系数。

机翼鼓包不能够保证在起降构型下襟翼紧挨着它。因此波音公司不得不在襟翼根剖面安装垂直的隔板。隔板阻止了气流从襟翼上面流到下面，这将提高襟翼的效率，增大飞机起飞升阻比。此外，滑跑时在放下前起落架后，扰流板、高速副翼和普通副翼偏转到最大的角度。在这种情况下机翼升力实际下降到零，实际上增加了主轮的自动制动效果。

结束语

本文简要分析了民用飞机空客A330/340，A350XWB，波音B777 和 B787机翼增升装置气动布局。通过对比分析得出，为了在高速飞行和低速飞行之间得到协调方案，以此为条件来设计机翼和机身鼓包气动布局，这是空客遵循的设计理念。在这种情况下，跨音速飞行时，降低了飞机最大巡航升阻比，但是这种理念能够保证马赫数为0.2时，飞行构型下的最大升力系数较高的值。在考虑纵向配平着陆构型下，为了保证规定的最大升力系数，可以减小机翼面积，实际上简化了增升装置，这样就减少了飞机结构，减轻了飞机的重量。

在计算跨音速飞行速度时保证最大巡航升阻比条件下，来设计机翼和鼓包的气动布局，这是波音公司遵循的设计理念。在这种情况下，马赫数为0.2时飞行构型下最大升力系数值通常较小。在考虑纵向配平时，飞行构型下，为了保证指定的最大升力系数，必须增加机翼面积，这样实际上使增升装置变得复杂，增加了飞机结构重量。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.005