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机翼结构设计漫谈
2020-11-19 19:30:15 132
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    1

    机翼何用?


    原理上来说只要发动机足够强劲,板砖也能飞,那还要机翼何用呢?为了效率!机翼的作用在于在一定速度下以较小的推力换取较大的升力。这里关于升阻比的问题就不扩展了,回到机翼结构设计方向:在满足设计要求的强度和刚度的前提下越轻越好。

    机翼的气动外形提供升力以外,根据情况机翼还需要内置起落架、油箱,外挂发动机、武器设备等,这也使得机翼的受力及内部力传递变得复杂。

         


    2

    机翼结构选择



    1机翼结构组成

    这里暂时只针对机翼主体部分进行结构解析。机翼为了实现其功能与轻量化的客观要求,一般由纵向骨架、横向骨架、蒙皮和接头组成,并通过不同数量、结构形状的组合来完成机翼的搭建。具体的结构及用途如下图所示。


    翼梁一般由缘条、腹板和支柱构成,或由复合材料一体成型,承受全部或大部分的弯矩和剪力。如对于一般的双梁式结构:前梁大约位于弦长的12~17%处。(翼梁的位置通过它的中心线表示出来),后梁大约位于弦长的55~60%处(通常在60%),以便能安装宽度为弦长30%的副翼。且梁无需延伸到翼尖。



    2机翼功能性

    机翼除了气动外形提供升力外,可以在较厚的翼根部分安装起落架,可以采用吊舱式的安装法增加发动机吊舱、武器挂架等,当然为了充分利用机翼的内部空间设置了机翼油箱。

    『油箱』机翼附带油箱功能可以节省空间,且耗油过程对飞机的重心影响较小,同时油箱重量与机翼升力方向相反,有助于减轻机翼结构的受力,即有效减轻机翼飞行时的上弯作用。考虑到力臂情况,燃油应尽可能放置在外侧,且优先使用最靠近内侧的燃油,对降低机翼飞行期间的弯曲是最合适的。


         (a)油箱满载                 (b)外侧油箱


    油箱可以是铝合金、防油的材料或不锈钢制成,机翼油箱可以是与机翼结构相同材料制成的整体油箱,也可以是合成橡胶软油箱。根据机翼厚度的不同机翼的密封性处理也不相同:薄机翼的高速战斗机密封槽注入密封剂是油箱密封的一般方法;而相较于运输机的较厚机翼可以通过密封条进行密封,其中的密封槽机械加工做在基础结构上。




    3机翼力的传递

    机翼构件所承受的载荷由气动力、质量力或着陆、滑行时的地面反作用力引起的;确定各构件的设计载荷包括了在空中和地面做某些规定的动作时,结构所受的气动力和惯性力,以保证每个构件具有足够的强度,确保一定重量的飞机具有满意的强度水平。机翼载荷主要通过蒙皮、桁条、肋、梁、机身之间的顺序传递的方式进行,其中起飞、降落、滚转、急速滚转等主要工况对机翼影响较大。



    『结构设计准则』定义了在结构设计和尺寸分析时要考虑的机动飞行、飞行速度、有效载荷以及飞机设计重量,并确定正确的载荷传递路径(内力分配),特别需要注意的是高度静不定结构位置(开口、蒙皮-桁条壁板、多闭室合形梁等)。


    3

    机翼的选材/制造



    1选材

    机翼的一般会选择铝合金或复合材料,但是无论哪种材料都需要考虑使用性能,除了强度要求外,还要考虑抗损伤容限性能,即抗疲劳性、抗裂纹扩展能力、耐蚀性等。此外还要有一定的韧性,即一定角度范围内的弯曲变形,这时复合材料的较高的比强度和比刚度对于大展弦比机翼就是福音。



    在复合材料高速发展的今天,机翼结构中复合材料所占比例也越来越大,特别是小型飞行器或无人飞行器等。机翼结构可以是全复合材料热压罐成型,或复合材料蜂窝板一体结构等都得到了广泛的应用。不同复合材料不同的比刚度、比模度、电磁特性、耐热特性等使复合材料的应用上更加灵活、多变,适应性也更强。



    2复材制造

    复合材料相较于金属等材料在制造上最大的特点是分层和多材料复合,在复合材料的研究工作涉及面也很广,如制造工艺、各向异性材料的刚度与强度以及细观力学等多方领域。

    在复合材料制造方面热压罐成型中的真空袋系统是应用最成熟的手段之一,也是现阶段的热固性复合材料的常规手段之一:由真空袋系统在固化期间固定层合板零件真空袋的位置,在固化周期的开始时期,对真空袋抽真空,然后热压罐在真空袋外面对其施加压力;在复合材料机体熔化、流动和固化过程中,压力使组合面紧密结合,并保持不动。



    4

    变形的机翼


    机翼折叠主要包括2个状态:停放折叠和飞行折叠。


    1飞行折叠

    飞行折叠主要是为了在不同的飞行状态下获得最佳的气动性能,提高飞机的空中机动性能,常规的空中变形主要有变后掠翼变形和伸缩变形等。

    『变后掠翼』如美F-14 “雄猫”就是典型的变后掠角战斗机。

    简单来说变后掠翼结构是整体式翼盒或机身上安置后掠用转轴,活动机翼与转轴连接,在驱动下可以沿转轴旋转实现变后掠角,同时考虑定位问题,一般选择对到位结构用定位销固定。

    变后掠角转轴中心位置的选择关系到操纵稳定性和设计要求,在翼展方向不是越靠外越好;而中心位置在机翼弦向的位置对稳定性的影响相对较小,主要考虑结构强度问题。

    『伸缩式机翼』如美国GX-3就是世界上最早的伸缩机翼概念专利。

    伸缩机翼简化来说就是机翼分成2段,1段固定的内翼,1段可动的外翼,内外翼之间通过滑轨、螺杆等机构和驱动实现了特定方向的往复直线运动和限位自锁能力,同时内翼的迁移运动也对应了气动中心的变动。

    变后掠翼(美F-14)

    伸缩式机翼(美GX-3)



    2停放折叠

    停放折叠主要用于舰载机,由于机翼翼展较长,折叠后相同面积在航母甲板上的占地空间较小。停放折叠形式主要包括向上折叠、向后折叠、混合式折叠等。如下图所示的美国F4F“野猫”战斗机,横向排开机翼展开状态的横向2架空间可以停下5架。



    『向上折叠』简化来说就是回转转轴、限位点卡位固定和驱动机构组成。如英国的“海上雌狐”、 “海鹰”、“塘鹅”、美国的“空中骑士”F-10等。

    『向后折叠』折叠动作简化来说就是以后墙位置竖直方向的回转轴为中心,将机翼向机身尾部折叠,其中将干涉位置如襟翼向上翻折。可以选择油电驱动也可以是手动处理。如英国的“梭鱼”轰炸机。

    『混合式折叠』相较于向后折叠式机翼,混合式折叠在向后折叠前先沿展向轴线进行机翼的旋转90°,以保证机翼完成折叠后机翼与机身更贴合,也不存在纯向后折叠时的襟翼干涉问题。如美国F4F“野猫”战斗机、美ICON-A5商务机。


    向上折叠(塘鹅)

    向后折叠(梭鱼)

    混合式折叠ICON-A5

     

    5

    机翼的未来


    从目前各国相关论文的报道情况看,未来的机翼应该说会五花八门,采用各种各样不同的技术,以提升飞机的性能。但是从结构上来讲,未来会发展向一些任务适应机翼或者是灵巧机翼

    这些机翼是可以根据飞行的要求或者是根据不同的任务需求自动变形,飞行员不用管,它就能够改变弯度,改变外形,从而适应当时当地的高度、速度等不同的外界条件。用这样的办法能够大幅度地提升飞机的巡航能力和机动能力。




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