飞机结构与构造 doc
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发布时间：2022-04-24 20:35
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时间：2023-08-11 13:08
飞机结构一般由五个主要部分组成：机翼、机身、尾翼、起落装置和动力装置 (主要介绍机翼和机身)。
机翼
薄蒙皮梁式
主要的构造特点是蒙皮很薄，常用轻质铝合金制作，纵向翼梁很强(有单梁、双梁或多梁等布置)．纵向长桁较少且弱，梁缘条的剖面与长桁相比要大得多，当布置有一根纵梁时同时还要布置有一根以上的纵墙。该型式的机翼通常不作为一个整体，而是分成左、右两个机翼，用几个梁、墙根部传集中载荷的对接接头与机身连接。薄蒙皮梁式翼面结构常用于早期的低速飞机或现代农用飞机、运动飞机中，这些飞机的翼面结构高度较大，梁作为惟一传递总体弯矩的构件，在截面高度较大处布置较强的梁。
多梁单块式
从构造上看，蒙皮较厚，与长桁、翼梁缘条组成可受轴力的壁板承受总体弯矩；纵向长桁布置较密，长桁截面积与梁的横截面比较接近或略小；梁或墙与壁板形成封闭的盒段，增强了翼面结构的抗扭刚度，为充分发挥多梁单块式机翼的受力特性，左、右机翼最好连成整体贯穿机身。有时为使用、维修的方便，可在展向布置有设计分离面，分离面处采用沿翼盒周缘分散连接的形式将全机翼连成一体，然后整个机翼另通过几个接头与机身相连。
多墙厚蒙皮式(有时称多梁厚蒙皮式，以下统简称为多墙式)
这类机翼布置了较多的纵墙(一般多于5个)；蒙皮厚(可从几毫米到十几毫米)；无长桁；有少肋、多肋两种。但结合受集中力的需要，至少每侧机翼上要布置3—5个加强翼肋。当左、右机翼连成整体时，与机身的连接与多梁单块式类似。但有的与薄蒙皮梁式类似，分成左右机翼，在机身侧边与之相连，此时往往由多墙式过渡到多梁式，用少于墙数量的几个梁的根部集中对接接头在根部与机身相连。
蒙皮
蒙皮的直接功用是形成流线形的机翼外表面。为了使机翼的阻力尽量小，蒙皮应力求光滑，减小它在飞行中的凹、凸变形。从受力看，气动载荷直接作用在蒙皮上，因此蒙皮受有垂直于其表面的局部气动载荷。此外蒙皮还参与机翼的总体受力-它和翼梁或翼墙的腹板组合在一起，形成封闭的盒式薄壁结构承受机翼的扭矩；当蒙皮较厚时，它与长桁一起组成壁板，承受机翼弯矩引起的轴力。壁板有组合式或整体式。某些结构型式(如多腹板式机翼)的蒙皮很厚，可从几mm到十几mm，常做成整体壁板形式，此时蒙皮将成为最主要的，甚至是惟一的承受弯矩的受力元件。
长桁
长桁(也称桁条)是与蒙皮和翼肋相连的构件。长桁上作用有气动载荷。在现代机翼中它一般都参与机翼的总体受力—承受机翼弯矩引起的部分轴向力，是纵向骨架中的重要受力构件之一。除上述承力作用外，长桁和翼肋一起对蒙皮起一定的支持作用。
翼肋
普通翼肋构造上的功用是维持机翼剖面所需的形状。一般它与蒙皮、长桁相连，机翼受气动载荷时，它以自身平面内的刚度向蒙皮、长桁提供垂直方向的支持。同时翼肋又沿周边支持在蒙皮和梁(或墙)的腹板上，在翼肋受载时，由蒙皮、腹板向翼肋提供各自平面内的支承剪流。
加强翼肋虽也有上述作用，但其主要是用于承受并传递自身平面内的较大的集中载荷或由于结构不连续(如大开口处)引起的附加载荷。
翼梁
翼梁由梁的腹板和缘条(或称凸缘)组成(图3.11)。翼梁是单纯的受力件，主要承受剪力Q和弯矩M。在有的结构型式中，它是机翼主要的纵向受力件，承受机翼的全部或大部分弯矩。翼梁大多在根部与机身固接。
纵墙
纵墙(包括腹板)的缘条比梁缘条弱得多，一般与长桁相近，纵墙与机身的连接为铰接，腹板即没有缘条。墙和腹板一般都不能承受弯矩，但与蒙皮组成封闭盒段以承受机翼的扭矩，后墙则还有封闭机翼内部容积的作用。
机身
机身的主要功用是装载乘员、旅客、武器、货物和各种设备；还可将飞机的其它部件如尾翼、机翼及发动机等连接成一个整体。
桁梁式
桁梁式机身结构特点是有几根(如四根)桁梁，桁梁的截面面积很大。在这类机身结构上长桁的数量较少而且较弱，甚至长桁可以不连续。蒙皮较薄。这种结构的机身，由弯曲引起的轴向力主要由桁梁承受，蒙皮和长桁只承受很小部分的轴力。剪力则全部由蒙皮承受。
桁条式
这种型式机身的特点是长桁较密、较强；蒙皮较厚。此时弯曲引起的轴向力将由许多桁条与较厚的蒙皮组成的壁板来承受；剪力仍全部由蒙皮承受。
硬壳式
硬壳式机身结构是由蒙皮与少数隔框组成。其特点是没有纵向构件，蒙皮厚。由厚蒙皮承受机身总体弯、剪、扭引起的全部轴力和剪力。隔框用于维持机身截面形状，支持蒙皮和承受、扩散框平面内的集中力。这种型式的机身实际上用得很少，其根本原因是因为机身的相对载荷较小．而且机身不可避免要大开口，会使蒙皮材料的利用率不高，开口补强增重较大。所以只在机身结构中某些气动载荷较大、要求蒙皮局部刚度较大的部位，如头部、机头罩、尾锥等处有采用。具体构造也有用夹层结构或整体旋压件等形式。
(a)桁条式；(b)桁梁式；(c)硬壳式
1--长桁；2--桁梁；3--蒙皮；4--隔框
隔框
隔框分为普通框与加强框两大类。
普通框用来维持机身的截面形状。一般沿机身周边空气压力为对称分布，此时空气动力在框上自身平衡，不再传到机身别的结构去。
加强框，其主要功用是将装载的质量力和其他部件上的载荷经接头传到机身结构上的集中力加以扩散，然后以剪流的形式传给蒙皮。
长桁与桁梁
长桁作为机身结构的纵向构件，在桁条式机身中主要用以承受机身弯曲时产生的轴力。另外长桁对蒙皮有支持作用，它提高了蒙皮的受压、受剪失稳临界应力；其次它承受部分作用在蒙皮上的气动力并传给隔框，与机翼的长桁相似。桁梁的作用与长桁相似，只是截面积比长桁大。
蒙皮
机身蒙皮在构造上的功用是构成机身的气动外形，并保持表面光滑，所以它承受局部空气动力。蒙皮在机身总体受载中起很重要的作用。它承受两个平面内的剪力和扭矩；同时和长桁等一起组成壁板承受两个平面内弯矩引起的轴力，只是随构造型式的不同，机身承弯时它的作用大小不同。
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时间：2023-08-11 13:08
飞机对结构材料要求很高，由于飞机尺寸大，刚度小，构造精度不易保证，同时，飞机零部件多，装配工作量大、难度也大。
飞机主要由机翼、机身、动力装置、起落装置、操纵系统等部件组成。
（一）机翼
机翼是为飞机飞行提供举力的部件。飞机在平衡飞行时，受到四个力的作用：举力、阻力、拉(推)力与重力。这些外力称为"外载荷"，它们会使飞机的某些部件产生变形，而飞机内部会产生一种抵抗变形的内力。这些载荷加到机翼上，会使机翼产生弯曲、扭转、剪切、拉伸和压缩五种变形。因此，要求构件必须有足够的强度、刚度和抗疲劳能力来抵抗这种变形以保证空气动力外形的精确度。
机翼受力构件包括内部骨架、外部蒙皮以及与机身联接的接头。如图9-4-3。
图9-4-3 机翼构造
高速飞机机翼的气动外形与低速飞机有较大差异，机翼形式有后掠角形、三角形和小展弦比梯形等。
（二）机身
飞机机身的主要功能是装载人员、货物、燃油、武器、各种装备和其它物资。除此以外，它还用于连接机翼、尾翼、起落架和其它有关构件。
根据机身的功能，其构造首先要具有尽可能大的空间以便使单位体积利用率最高；其次是连接必须安全可靠；第三是要有良好的通风加温、隔音设备，视界广阔，利于飞机起落；第四是在气动方面要求尽可能减少阻力，如迎风面积尽可能小、表面尽可能光滑；形状流线化等；五是在保证强度、刚度、抗疲劳能力的条件下重量尽可能轻。
图9-4-3 机身构造
机身的外形与发动机的类型、数目及安装位置有关。一般机身的侧面外形为拉长的流线体，它很大程度上受驾驶舱的影响。机身的剖面形状有圆、椭圆、方、梯形等，它们适合不同用途和速度范围的飞机。例如，低速飞机可用方形，具有气密座舱的高亚音速大型客机多用圆形或椭圆形。
图9-4-4 大型客机机舱结构
1-正驾驶员座；2-副驾驶员座；3-无线电员座；4-随机工程师座；5-前进口；
6-厕所；7-紧急救护药物及报章杂志台；8-厨房；9-酒巴间；10-空勤人员休息室；11-衣帽间；12-后进口；
由于机身的重要作用是装载人员、货物和设备，故必须要配备各种舱室和必要的装备，如驾驶员座舱、旅客舱、货舱、军用机的*舱等。此外，还有机身的通风、保暖、防止噪音、增压与安全等辅助设备。
旅客机的空勤人员较多，空勤组座舱大，设备多。旅客舱除有足够的装载旅客的空间外，还必须考虑旅客的安全与舒适。无论民用机还是军用机，都必须考虑高空飞行时的气密增压问题、大型高亚音速客机的通风保暖与防止噪音问题。旅客机中必须有较小的货舱以便装载旅客随身行李和部分货物。货运机的主要舱室均用于装货。大型客机还需有辅助舱，如衣帽间、厕所等。
（三）动力装置
除气球外所有航空器和航天器都需要动力。从本世纪二十年代飞机开始应用以来，人们一直在致力于改进航空发动机性能。1903年第一架飞机飞行的动力来自一台12马力的活塞式发动机。直到四十年代飞机飞行速度接近和达到音速时，这一类发动机在航空领域的独占地位才被涡轮喷气式发动机所取代。
活塞式发动机是以汽油作燃料的一种四冲程内燃机。按冷却方式，活塞式发动机可分为液冷式和气冷式两种。活塞发动机的气缸数目最多可达28个或更多，最大功率近4000马力。航空活塞发动机要求重量轻、尺寸小、马力大、油耗低。因此，由活塞发动机及其附件的重量与它所能产生的功率(马力)之比值决定的"重量马力比"和"燃油消耗率"即活塞发动机每小时内发出1马力所消耗的燃油重量成为衡量活塞发动机性能的两项主要指标。目前一些活塞发动机的重量马力比为0.4公斤/马力、燃油消耗率为0.2~0.25公斤/马力·小时。较新的一种旋转式活塞发动机重量马力比达到0.264左右。
螺旋桨为活塞发动机飞机提供拉力。它有二叶的，也有三、四或六叶(图9-4-5)的。
图9-4-5 螺旋桨构造
1-前面三叶螺旋桨的旋转方向；2-后面三叶螺旋桨的旋转方向
当飞机飞行速度提高到需要突破"音障"时，螺旋桨动力装置便不能满足需要。这时要用结构简单、重量轻、推力大的涡轮喷气式发动机。涡轮喷气式发动机的气流速度越大，推力也越大。目前有的喷气发动机的喷气速度可达到600～900m/sec。它包括进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管五部分；更高速度的飞机上还安装了加力燃烧室。
飞机上除发动机外，还需要有一整套保证发动机可靠、有效工作的装置，包括发动机固定装置、进排气系统、燃油及滑油供应系统、防火防冰等安全设备与发动机操纵系统。
（四）起落装置
飞机起落装置的功能是使飞机能在地面或水面上平顺地起飞、着陆、滑行和停放；吸收着陆撞击的能量以改善起落性能。陆上飞机起落装置包括起落架与改善起落性能的装置两部分；起落架的作用是使飞机在地面起落、滑行、停放。它由受力结构、减震器、机轮和收放机构组成。改善起落性能的装置则包括增举装置、起飞加速器、机轮刹车和阻力伞或减速伞等。
早期飞机采用四轮式起落架，优点是稳定且便于操纵，但结构复杂，重量与阻力较大，尤其是不易收放。实践证明：三个支点足以满足需要，故现代飞机大多采用三点式起落架。由于飞机机身前部有发动机、螺旋桨等设备，较早应用的是后三点式起落架；后三点式起落架的两个主轮在飞机重心前靠重心处，尾轮则在飞机纵轴平面的尾部，主要适用于低速轻型活塞发动机飞机。近年某些高速重型飞机上还出现了自行车式起落架。图9-4-6描述了几种起落架的基本型式。
图9-4-6 起落架基本型式
1-飞机重心；2-飞机纵轴；3-主轴；-4-尾轮；5-前轮；6-辅助轮；
(a)后三点式； (c)前三点式； (b)自行车式
（五）操纵系统
飞机操纵系统可分主操纵系统和辅助操纵系统。主操纵系统是对升降舵、方向舵和副翼三个主要操纵面的操纵，辅助操纵系统指对调整片、增举装置和水平安定面等的操纵。
主操纵系统包括*操纵机构和传动系统两部分。*操纵机构位于座舱内，由驾驶员直接操纵。它包括手操纵和脚操纵两部分；手操纵部分连接升降舵和副翼，脚操纵部分则与方向舵相连。手操纵分两类，一是驾驶杆，多由硬铝管制成，多用于小型飞机；二是驾驶盘，也用铝管制成，可使驾驶员省力，但灵敏度低一些。脚操纵经驾驶员用脚踩动，经传动机构使方向舵偏转。
辅助操纵系统包括对水平安定面、襟翼、调整片的操纵等。它一般需要采用特殊装置如液压、冷气、电动或机械等方式将操纵面固定在规定位置上。驾驶员通过转盘或手柄以及钢索将动作传动到操纵面上去。
为帮助驾驶员节省体力，可采用助力器。助力器是一种用液压、电动或冷气为动力协助驾驶员带动舵面的机构。其中液压助力器应用最广，电动助力器多用于应急。
（六）飞机的飞行
起飞与着陆是飞机的两项重要飞行性能。涡轮喷气式发动机飞机，由于发动机拉力大，起飞过程可分为两个阶段(图9-4-7)：一是"起飞滑跑"阶段，飞机首先在地面开动发动机，将拉力增大到可使飞机在地面从静止到开始滑跑，然后将油门继续加大，提高拉力使飞机加速前进。当速度增加到足够大时，举力超过重力，飞机便离地而起，进入第二阶段，即"加速与爬行"阶段。当飞机爬升到25m高时，起飞结束。飞机在这两个阶段所飞越的距离就是起飞距离。25m是人为规定的，主要考虑避开机场周围房屋。对拉力小的喷气发动机或活塞螺旋桨飞机，起飞可分为三个阶段：离地前的起飞滑跑阶段；离地后的平飞加速阶段；速度足够大时的爬升阶段。
图9-4-7 飞机起飞过程
1-起飞滑跑；2-加速和爬升；3-起飞距离；A-建筑物
飞机的起飞距离越短越好，以便减少跑道长度，降低机场建筑费用。对军用飞机来说，还可更快升空以利作战。
缩短起飞距离的途径主要有：加大发动机拉力；减少飞机起飞重量；增大飞机的最大举力系数；等等。
飞机的着陆与起飞相反，可分为五个阶段(图9-4-8)：下滑、拉平、平飞减速、飘落触地和着陆滑跑。下滑是驾驶员减速后从25m处下沉；在接近地面时拉平飞机开始平飞减速；当飞机降到着陆速度时，举力小于重力，飞机机轮飘落触地，这时的速度称为着陆速度，也是飞机的最小速度，这一速度越小越安全。触地后继续前进直到停止，即完成了整个着陆。上述五个阶段的飞行距离总称为着陆距离。
图9-4-8 飞机着陆过程
1-下滑；2-拉平；3-平飞减速；4-飘落触地；5-着陆滑跑；6-着陆距离；A-建筑物
缩短着陆滑跑距离和减少着陆速度的途径有：在机轮上安装刹车减少着陆滑跑阶段的距离；采取增举装置降低着陆速度；采用阻力板、阻力伞、反推力装置和反桨装置以及降低飞机自重等。
