[发明专利]一种采用前缘支撑翼的M形翼高亚声速飞行器气动布局

说明书

本发明公开了一种采用前缘支撑翼的M形翼高亚声速飞行器气动布局，属于飞行器气动布局设计技术领域。所述的气动布局包括机身、主翼和支撑翼，所述的主翼分为主翼内段和主翼外段两段，为上单翼，主翼内段前掠，主翼外段后掠，俯视呈M型；支撑翼一端与机身腹部连接构成下单翼布局，另一端与主翼内外段结合处连接；支撑翼也具有后掠角，其后掠角大于主翼内段前掠的角度。本发明能够显著降低机翼的结构重量，使飞行器的有效载荷和运输效率提升。从气动的角度看，该布局可以在同等的材料水平下获得比常规布局更大的展弦比。采用支撑翼布局的飞行器翼展明显大于现有民用飞机。除此之外，通过对前缘支撑翼位置的合理布置，可以使机翼的升阻特性处于较好的位置，接近无支撑翼气动影响的气动效率水平。

技术领域

本发明属于飞行器气动布局设计技术领域，具体涉及一种采用前缘支撑翼的M形翼高亚声速飞行器气动布局。在主翼前下方一定距离布置支撑翼以减小不利气动干扰，增加机翼强度进而增加展弦比，使飞机在高亚声速拥有较高升阻比的飞行器气动布局。

背景技术

高亚声速喷气式旅客机已经成为了世界上的主要交通运输工具之一。2003年波音公司曾对世界航空运输增长率进行过预测，认为航空旅客运输年均增长率为5.1％，货运年均增长率为6.4％。如果能够在现有基础上提升高亚声速民用喷气式飞机的气动效率，获得的经济利益将是巨大的。然而现代民用飞机的气动设计往往不是处于气动设计的最优点，而是处于气动设计和结构强度的平衡点。普通的机翼一般是悬臂梁形式，即整段机翼直接在机翼根部与机身固连。这种结构布置方式受材料强度和刚度所限，机翼的最大展弦比不能过高，否则会使机翼受气动载荷影响产生较大的动态弹性变形，即气动弹性问题。这种现象影响飞行品质甚至使机翼折断。为了增加结构强度，其机翼厚度通常较厚，增加了高亚声速激波阻力，增加了结构重量，飞行器结构效率大大降低。

支撑翼布局是一种在主机翼中段用一根支撑翼连接到机身某处的机翼布局。支撑翼的连接有效增强了机翼的结构强度，改善了机翼的气动弹性特征。1996年至2001年，弗吉尼亚理工大学在NASA的资助下，采用多学科优化方法对跨声速支撑翼布局飞行器进行了广泛、系统的可行性研究。结果表明，支撑翼布局允许机翼在不增大重量和厚度的前提下进一步增大展长，减小诱导阻力。支撑翼布局合理的结构布置方式使机翼厚度相对传统机翼更小，可以有效减小跨声速激波阻力。对于能装载325位旅客，巡航Ma＝0.85下飞行航程13890km的典型飞行剖面，支撑翼布局飞行器可比常规飞行器起飞总重量轻9.2％～17.4％，燃油消耗少16.2％～19.3％，发动机体积减小21.5％～31.6％，成本降低3.8％～7.2％。随着航程的增大，更低成本优点将更加凸显，因此认为该布局适合应用于长航程运输机。

然而新问题随之出现，支撑翼也会产生气动升力和阻力，它对气流的干扰也会对主机翼的升阻特性造成影响。现有支撑翼布局方案一般如图8所示，支撑翼和主翼从俯视图方向看去重叠较大，两翼之间出现强不利的干扰，上下翼面之间的空气形成了局部二维喷管流动，在面积最小处气流容易形成强激波，降低了飞机升力，增加了阻力、噪音，使飞行器升阻比大大下降。这种正下方支撑的支撑翼布局形式具有较大的缺陷。

因此，探索一种合理的、高效的支撑翼布局对于提高高亚声速飞行器气动效率是十分重要的。

发明内容

本发明从气动设计角度出发，提出了一种采用前缘支撑翼的M形翼高亚声速飞行器气动布局。该布局通过合理设计前缘支撑翼和主翼的相对位置及主翼的后掠布置形式，能够提升布局整体的升阻比，获得较好的气动性能；同时实现了增强机翼刚度、加大机翼展弦比的目的，支撑翼的设计提高了飞行器结构效率；本发明布局为高亚声速民用运输机及旅客机提供了一种结构效率和气动效率均十分优秀的解决方案。