单通道窄体客机气动力设计技术分析

2021-04-06赵长辉任璐璐

民用飞机设计与研究 2021年1期

关键词：襟翼机翼波音

赵长辉宋凯王猛赵婷任璐璐

(中航沈飞民用飞机有限责任公司工程研发事业部，沈阳 110169)

0 引言

气动力设计是单通道窄体客机的关键技术，对飞机性能影响重大。单通道窄体客机目前已经发展到了第三代，每一代飞机的气动力设计技术都有一定突破，保证飞机性能的全面提升。

本文主要梳理和初步分析窄体客机的气动力设计技术，主要方法是典型机型的实例研究和相关数据统计分析，内容包括机翼气动力设计、增升装置、翼梢小翼和CFD技术应用等。

1 机翼气动力设计

1.1 重要性和设计要求

机翼气动力设计至关重要，飞机气动效率和性能提升很大程度上取决于机翼气动力设计。各代各型窄体客机设计上的进步突出体现在机翼气动力设计上。

飞机各飞行阶段单发失效最小爬升梯度等安全性要求，巡航、续航、起降、爬升和高度等关键性能，与机翼面积、展弦比、后掠角、相对厚度等主要参数选择，三维气动外形设计，增升装置(高升力系统)、操纵面以及翼梢小翼设计密切相关。

高亚声速窄体客机机翼设计要具有较高的阻力发散马赫数Mdd和巡航马赫数、巡航效率因子M(L/D)max和抖振边界。

据统计，目前窄体客机Mdd达到0.90左右，最大使用马赫数MMO0.82以上，设计巡航马赫数约M0.78～0.80，相较于之前的M0.74～0.76有所提高。例如波音737 Classic飞机远程巡航速度为M0.745，737NG飞机提高到M0.785[1]。

1.2 设计实例和统计数据

窄体客机机翼设计一般分成两侧外翼+中央翼(中机身内)，机翼整体油箱设计上要满足飞机载油量要求，需要提供大的内部装油空间。

窄体客机外翼平面布置见图1，各型飞机机翼基本平面外形和布置相似度较高。

(a)波音737NG

波音737前两代机型采用尖峰翼型，波音737NG机翼外侧采用超临界翼型。A320采用D57S超临界翼型，相对厚度与A310相同，但是后梁之后的厚度加大30%，以便有足够空间容纳襟翼及其操纵系统。A220、MC-21和C919飞机普遍采用新一代超临界翼型。

窄体客机机翼平面形状都为双梯形，内段为直角梯形，外段为高向尺寸较大的斜梯形，内段和外段分界是发动机短舱。内段通常布置小弯度(甚至反弯度)翼型，外段布置基本工作翼型。从整体上看是平直后掠前缘；后缘带有转折，内段平直(无后掠角)，外段后掠。中等后掠角，1/4弦线后掠角(Λ1/4)和前缘后掠角一般分别为25°和28°。上反角约5°～6°。展弦比约9～12。增大展弦比可以有效提高气动效率，但是受到结构设计和翼展限制，随着结构技术进步，特别是复合材料结构机翼可以采用更大展弦比。

直角梯形机翼内段气动上的好处是后缘襟翼无后掠角，效率提高，升阻特性改善。根弦加长，减小了根部上表面的相对厚度，并使最大厚度弦向位置前移，这些对高速流动特性的改善，足以抵消因后掠减小对Mdd的影响。这种平面形状还可变换成根部翼型或切面外形的后缘修形，使之有利于升阻比的提高。从结构角度，这种形状有利于结构和起落架布置，改善受力形式和增大根部有效空间。

机翼前后缘有增升装置(高升力系统)和操纵面。增升装置一般为前缘缝翼和后缘襟翼(内侧和中部)。后缘外侧为副翼。后缘襟翼(一般分为内外两段)前缘布置4块～5块扰流板，内侧扰流板用作减速板，外侧扰流板用于辅助副翼进行滚转操纵，着陆阶段扰流板一起用作减速板。

系列化机型的机翼一般采用基本相同的机翼，实现高通用性。A321飞机相对于A320飞机，最大起飞重量增大约20%，将单缝襟翼增加后缘子翼成为双缝襟翼，扩大机翼面积，同时调整操纵面、增升装置布局，以满足起降性能要求。

表1给出几种窄体客机的机翼和飞机性能参数数据，可以初略看出新研机型机翼气动力设计优于老一代机型。

表1 窄体客机机翼参数和飞机性能参数

1.3 一些设计难点问题

机翼内段-翼根区域气动设计的好坏对整机气动特性特别是升阻特性有很大影响。高马赫数以后，设计得不好将使根部区域的等压线后掠角大为减小，在比较小的迎角下就出现激波并引起复杂的激波—边界层干扰，导致分离抖振，使整机性能恶化。在高M数、低CL(快速下降)状态下，短舱内侧机翼下表面可能出现局部流速过高而引发一系列问题。

对于翼吊发动机布局，发动机短舱及吊挂与机翼一体化设计是一个重要问题，也是飞机推进系统一体化设计的重要内容，在这一领域世界领先飞机企业、研究机构等开展了大量研究工作，取得重要成果，有力支撑先进民用客机产品发展[2-6]。

发动机短舱-吊挂与机翼一体设计高度复杂，设计不好会降低飞机气动特性和飞行性能，甚至造成重大问题，这方面不成功的例子是波音737max飞机。波音737max飞机为安装大直径、高涵道比发动机，不得不将短舱安装位置前移和上移，见图2，结果带来复杂的气动力和操稳特性变化问题，保证稳定性的MACS控制系统设计不完善导致严重事故。

图2 波音737max短舱吊挂设计更改

气动和结构综合优化设计、气动-结构耦合设计是机翼设计近期重要研究内容，国内外学术界做了很多研究工作[7-8]。

2 增升装置

增升装置(高升力系统)是飞机起降性能和爬升性能的重要保证，在起飞、爬升、进场、着陆等阶段提供足够高的升力系数，以实现起飞着陆性能要求和适航要求，例如单发失效条件的爬升梯度等要求，噪声要求。

增升装置设计和布局上要与机翼气动力设计、结构设计和飞机总体设计充分协调。带有增升装置的多段翼型要进行精细优化设计，机翼翼型后缘区域厚度充分考虑后缘襟翼系统形式选择和布置要求。后缘较薄的超临界翼型不利于后缘襟翼布置，A320系列飞机机翼后缘进行增厚处理。机翼发动机吊挂-短舱布置展向阻断增升装置，发动机尾喷流对襟翼气动特性和噪声特性有直接影响。发动机反推力装置工作状态下与襟翼的相互作用也比较复杂[9-10]。

前后缘增升装置都需要作动系统，作动系统不能过于复杂，应做到使用维护简单，维修保障成本相对较低。尺寸要适当小、重量轻，包容运动机构的整流罩的数量尽可能少，减小阻力代价。

窄体客机增升装置设计上在保证各方面要求的前提下，呈现逐步简单化的趋势。

波音737第一代和第二代机型采用三缝襟翼+克鲁格襟翼(短舱内侧)+前缘缝翼(短舱外侧)设计，尽管效率较高，但是系统复杂。第三代的波音737NG飞机采用双缝襟翼(主翼+后部子翼)+前缘克鲁格襟翼(内侧，1段)和缝翼(外侧，4块)的设计，增升装置进行全面优化，取得了满意的效果。波音737NG飞机增升装置设计见图3。

(a)平面图

A320飞机采用富勒式单缝襟翼(内外两段)+前缘缝翼(5段)设计。A321改为富勒式双缝襟翼(主翼+后部子翼)+前缘缝翼(5段)。A321增升系统有效提升了CL0和CLmax，保证飞机性能。A320和A321飞机增升装置设计见图4。

(a)A320

A320和A321飞机的单缝襟翼和双缝襟翼前部(弦向)有较大部分处于固定后缘和扰流板下方，具有富勒式襟翼的一些特征和特性，因此称之为富勒式单缝-双缝襟翼。A321XLR最新改型飞机的内侧襟翼改为单缝式，简单化设计的目的是减重和降低维护成本。设计上借助CFD技术获得最佳设计方案，并借鉴了A350的设计。

A220、MC-21和C919飞机采用与A320近似的增升装置设计[11]。

3 翼梢小翼

窄体客机机翼普遍安装翼梢小翼来减小诱导阻力，提高气动效率。翼梢小翼作用机理：1)端板效应，阻挡机翼下表面扰流，削弱翼尖涡强度，增大机翼有效展长/展弦比；2)耗散主翼翼尖涡效应；3)增大机翼升力及前向推力，改变机翼展向升力分布，增大升力，小翼升力有前向推力分量；4)推迟翼尖气流过早分离，提高失速迎角。加装翼梢小翼后，机翼载荷分布发生变化，机翼相关结构要进行加强。

A320飞机最初装比较特殊的尺寸，是相对较小的翼梢端板，与翼梢小翼相比，翼梢端板在非设计状态仍有较好地减阻效果，侧风进场时不会失速。

波音737NG和A320neo采用尺寸较大的融合式翼梢小翼，减阻效果约3%～4%[12-13]。波音737max飞机采用与MDXX飞机(原麦道公司1990年代的设计方案)相近的双羽小翼，小翼有上下两片，下翼片尺寸小、外倾角大。与融合式翼梢小翼相比，双羽小翼上下翼片气动力更好平衡，展向分布改善，再加上自然层流技术的采用，减阻约1.5%～1.8%。

波音公司和空中客车公司的相关资料，给出了翼梢小翼的减阻效果数据，见图5。

(a)波音737NG

波音737双羽翼梢小翼、融合式翼梢小翼改善机翼展向升力分布的效果见图6。

图6 翼梢小翼改善机翼展向升力分布

4 CFD技术应用

CFD技术在现代飞机气动设计方面发挥越来越大的作用，CFD技术水平的高低可以说对民用飞机产品气动性能有决定性的影响。美国和欧洲的CFD技术一直处于世界领先水平。波音公司、空中客车公司两大巨头在民用客机CFD气动力设计领域行业领先，庞巴迪、巴航工业的CFD技术水平也较高[14-19]。

1980年代，波音737Classic飞机改装大涵道比涡扇发动机，开发近距耦合发动机短舱安装设计解决方案。通过CFD技术，成功揭示出气动机理。短舱-吊挂与机翼之间的干扰阻力是由于短舱-吊挂改变了机翼展向载荷分布因而产生诱导阻力和涡阻力造成的。通过CFD技术优化短舱-吊挂外形设计，有效消除不利影响和降低阻力，取得了非常满意的结果。如果采用传统的风洞试验技术，耗时很长耗费巨大且不一定能取得满意结果。此后，波音公司的波音777、737NG和787不断扩大CFD技术的应用范围。波音公司CFD技术应用情况见图7。