从机身形状,超音速与亚音速机身长细比计算

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中国航空博物馆
中国航空博物馆坐落在北京昌平大汤山脚下,1986年建馆,1989年11月正式对外开放。占地70余万平方米,馆藏270余架飞机、99架国家文物飞机、近万件航空文物,是集科技教育、旅游于一体的国家级军事主题博物馆,也是目前亚洲规模最大、跻身世界前5位的航空博物馆。
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日,世界上第一架有动力的飞机诞生了。当设计、制造和试飞者莱特兄弟沉浸在巨大的喜悦之中时,他们决想不到一种新的战争武器将由此问世。
  飞机出现后最初前十几年,基本上是一种娱乐的工具,主要用于竞赛和表演。但是当第一次世界大战爆发后,这个&会飞的机器&逐渐被派上了用场。先是用于侦察,为陆军部队作耳目;继而装上机枪,专门进行空中格斗;后来又带上炸弹,去轰炸敌方的地面阵地;此外,有的飞机专门执行对地面部队攻击的任务。这样,在大战的硝烟中,诞生了一群&铁鸟&──侦察机、战斗机、轰炸机、强击机和教练机。飞机就这样和战争结下了缘份。
  第一次大战初期,参战各国约有飞机1500架,而到战争末期,各国在前线作战的军用机达到8000多架。4年中,交战双方用于作战的飞机有十几万架之多,说&战争是军用机的催生婆&一点儿也不过份。
  在战争中,飞机的性能有了很大的提高。如速度在1914年时一般是每小时80~115公里,4年后增至180~220公里;飞行高度从200多米提高到8000米;飞行距离从几十公里增大到400多公里。大战初期飞机的重量只有几百公斤,到大战后期,有的战略轰炸机如英国的汉德莱佩季 V/1500,总重约 13600公斤,最多可装弹3400公斤。
  在战争开始时,飞往敌方阵地上空进行空中侦察是当时军方使用飞机的主要任务。为了阻止对方飞机执行这一任务,一种可从事将敌机驱逐出己方阵地上空的作战飞机应运而生,当时称为驱逐机。后来发展成为战斗机或称歼击机),飞行性能和作战能力都有很大提高,可执行近距支援、空中格斗等更复杂的空中作战任务,因此驱逐机是战斗机的前身。
  早期可执行驱逐任务的是一种推进式螺旋桨飞机,在机头戏机身前部装有机枪,螺旋桨在后面不影响机枪射击。这种安装了武器的飞机,不仅可执行空中侦察任务,一旦遭遇敌机后可将其驱逐出己方阵地上空。由于它一举两得,因此一经问世便开始生产,陆续投入前线使用,典型飞机有法国的法尔芒F.20和英国的F.E.Zb等。这些飞机多采用推进式设计,前后有两个座位,驾驶员在后座,观察员兼射击手在前座,一般配备一至两挺机枪。不过采用推进式设计的飞机,虽然便于安装武器和进行射击,但机动性差,往往对付不了较为灵活的拉进式侦察机。
  法国的一个飞机设计制造家索尔尼埃和一名叫加洛斯的飞行员经过共同研究,提出在桨页后面安装钢制楔形偏导板,以挡开击中的子弹。日,加罗斯驾驶着一架装有这种偏导板的莫拉纳?索尔尼埃L型飞机,曾与四架德国的&信天翁&侦察机相遇,加罗斯开枪射击将一架德机击落,到同年4月18日以前加罗斯共击落了四架敌机,成为历史上第一位王牌。事实证明在桨叶后安装偏导板是有一定保护效果的。
  加洛环胡驶的莫拉纳?索尔尼埃L型飞机被航空史上认为是第一种可有效进行空战的飞机,从此一个新的机种--驱逐机诞生了。德国飞机设计师安东尼?福克及他的同伴们对该机上的偏导板进行了仔细分析研究,并由此受到启发,发明了使用凸轮的射击同步协调器,在作战中发挥了很大作用,一时间德国人完全控制了天空,历史上称这一段为&福克灾难&。
  这些福克飞机编号为福克E,有多种型别。它们都采用正常布局的中单翼,有张线加强,机翼展弦比不大,机动性较好,机枪装在机头上部,易于瞄准射击,是第一次世界大战中有名的战斗机。
  为了对抗福克飞机,尽管没有射击同步协调器,英法还是想了许多办法。法国的纽堡11是一种单座双层翼飞机,下层翼较上层翼略短,全机主要重量集中于重心部位,机枪装在机头上方,装一台9缸气冷活塞式发动机,爬升速度快,机动灵活,具有良好的作战品质。德?哈维兰D.H.2是一种推进式的双翼飞机,机枪装在机身头部,不存在螺旋桨影响射击的问题。斯帕德S.7是一种全新的飞机,机身技长,采用无上反角的矩形双层翼,装一台V形8缸水冷式活塞发动机,具有良好的稳定性和操纵性,尤其是速度和爬升性能突出,是一种很受飞行员欢迎的作战飞机。
  由于战争的需要,使参战各国加速了作战飞机的研制和生产。到1917年时,英国先后推出了SE.5、&骆驼&F.l和布里斯托尔F.2B等性能良好的战斗机,法国则推出了斯帕德13新机型。这些飞机的陆续投入使用,该协约国的空中势力得到了加强,逐渐恢复了空中主动权.直到一次大战结束。
  &骆驼&F.1是英国索普威斯公司研制生产的世界著名战斗机。机头采用了金属整流罩,既可起保护作用,又有利于减小阻力。上翼平直,下翼略有上反,尾翼面积较小。机头上方并列装有两挺机枪,火力较强。该机机动灵活,近距格斗性能特别突出,德国的著名王牌飞行员里希特霍芬就是被这种飞机击落毙命的,但由于它采用的转缸式发动机存在陀螺效应,加上在设计中强调格斗性能,因此显得过于灵活而稳定性不足,飞行员如不注意便可能进入螺旋而失事,所以驾驶&骆驼&飞机必须十分小心。据统计,从1917年7月到1918年间月战争结束,&骆驼&战斗机共击落敌机1294架,创造了单机战果的最好成绩。
  福克Dr.l是一种单座三翼飞机,1917年春试飞成功,同年末装备部队。它采用了上中下三层机翼,之间由两根支柱连接,三个机翼的翼展从上到下依次递减。机头装一台110马力的活塞发动机,最大速度可达165公里/小时,机载武器为两挺机枪。看起来这种飞机采用三层翼似乎比较笨重,但实际上该机机动灵活,转弯和爬升性能都很出色,可以说是&骆驼&战斗机的劲敌。德国的王牌飞行员里希特霍芬驾驶的就是这种飞机,曾创造过个人击落飞机数量的纪录,福克Dr.l也因此而闻名。由于里希特霍芬的座机全部涂成红色,十分醒目,德军称它为&红色男爵&。
在第一次世界大战期间,战斗机从诞生到发展,后成为战争的一支重要力量,使过去以海、陆为主的平面战争变成以包括空中在内的立体战争。飞机也从只能&登高望远&的侦察机,发展成为可以进行格斗攻击的战斗机。到1918年机枪已经成为战斗机的标准装备,个别机种开始试装威力更大的航空机炮,全金属的单翼飞机也开始试飞试验。格斗、护航和支援地面部队的空战理论和战术已初步形成,制空机的争夺对于获取胜利显得越来越重要。
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二战以前的航空器是活塞式飞机一统天下的局面。活塞式发动机结构相对简单,技术要求不高,而且耗油率低,能很好满足当时低速飞行的要求。但随着飞机速度的不断提高,活塞式发动机暴露出了它致命的弱点──功率太低,无法为飞机在高速飞行时提供足够的推力。到1945年,空气动力学家和飞机设计师们清楚地认识到,要靠活塞式发动机进一步提高飞行速度已经没有指望了。他们的注意力转向了一种全新的航空发动机--喷气发动机上,从而揭开了航空史上重要的一页--超音速飞行时代。
  提到喷气式飞机,就不能忘记德国的恩斯特.亨克尔,正是他设计制造出了世界上第一架升空的喷气式飞机,从而开创了喷气式飞机的新纪元。
  恩斯特.亨克尔,1998年1月出生于德南部一个叫格龙巴赫的小村庄,父亲是当地一个管子工。亨克尔大学毕业后开始从事飞机设计,曾先后在&信天翁&飞机公司和汉莎.勃兰登堡公司担任总设计师。日,他创建了以自己名字命名的&恩斯特.亨克尔航空有限公司&。从1936年起,亨克尔开始与当时正在研究飞机燃气涡轮发动机的帕布斯特.冯.奥海恩合作。经过不断的试验与失败,终于第一台涡轮喷气发动机于1937年9月首次运转成功。几乎与此同时,英国的弗兰克.惠特尔爵士也独立研制出了&U型&喷气发动机。
  日,一个炎热的夏日。飞行员弗吕格卡皮坦.埃里希.瓦西茨象往常一样来到了停机坪上,场中停着一架亨克尔公司新制造的飞机。与往常飞机不同的是,这架名为He178的飞机装有一台由冯.奥海恩研制的推力为838磅(380公斤)的HeS3B涡轮喷气发动。瓦西茨登上飞机,发动了飞机油门,伴随着发动机的巨大轰鸣声,世界上第一架喷气式飞机冲上了蓝天,那震耳欲聋的声音向人们宣告了喷气时代的来临。
战争促进了科技的发展,二战以后,喷气发动机技术越来越成熟,喷气式飞机迅速取代了活塞式飞机的地位。如今,几倍于音速的飞行对于人类来说也是很容易做到的事了。
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二次大战结束后的40余年,虽然世界性的大战再未爆发,但局部战争从未间断。从朝鲜战争、越南战争、几次中东战争以及两伊战争、英阿战争、美利冲突等,飞机都扮演了重要的角色。军事上的需要仍是飞机发展的主要动力。战后发展里程的重要事件有:
  首先是军用飞机的喷气化,战后仅几年时间,各大国空军的主力机种都改为喷气式发动机。最初的喷气式作战飞机外形都是平直梯形机翼,喷气发动机的推力也很小,单台推力只有八九百公斤。1947年出现了第一批机翼后掠的高亚音速喷气式战斗机──苏联的米格-15和美国的F-86&佩刀&式。朝鲜战争中,这两种喷气式战斗机厮杀较量,写下了空战史上新的一页。战斗机喷气化后,轰炸机也紧追直上。1951年12月美国B-47后掠翼喷气轰炸机试飞成功,接着又出现了大型四发动机的战略轰炸机B-52。这种机型经改进一直使用到80年代。它的最大航程可达20000余公里。
  战后飞机的另一重大进展是超音速飞机的诞生。1953年,美国F-100&超级佩刀&式喷气式战斗机平飞速度首次超过音速。50年代中期,几种速度为音速2倍的喷气式战斗机问世。如苏联的米格-21、美国的F-4&鬼怪式&和F-104。前两种飞机在越南战争中进行了反复的实战较量,后者在中东战场上崭露头角。60年代,美苏两国又发展了&双三&飞机,即速度为3倍音速、升限超过30公里,其代表机型是美国的SR-71&黑鸟&和苏联的米格-25。
这期间,航空技术又有了新的突破,变后掠机翼飞机和垂直起落飞机研制成功。前者是美国的F-111,后者为英国的&鹞&式。这两种飞机的出现,标志着军用飞机的发展又进入了一个新的阶段,即由高速转向高机动性。F-111和&鹞&式飞机在以后的美国空袭利比亚和英阿马岛之战中都有上乘的表现。
  70年代到80年代,航空军事大国又研制了一系列供现役使用的喷气式歼击机、轰炸机、强击机和军用运输机等,如美国的F-14、F-15、F-16和F-18:苏联的米格-23、-27、-29和-31以及苏霍伊设计局苏-27、30、34、35、37等军用飞机。这些飞机的特点是速度并不太高,多为音速2到2.5倍;高度15~30公里,但强调良好的机动性并装有先进的机载设备、火控系统和多种形式的武器配备。
  军用机的另一重要进展是能躲避和削弱雷达搜索的&隐身&技术的应用,如美国的隐身战斗机F-117A和隐身轰炸机B-2。
  飞机问世后80多年的历史表明:战争和军界上的需要是其发展的主要动力,而飞机的发展又影响和促进了作战方式的变化。通常先进的航空技术总是首先用于军用飞机上,然后才转为民用。虽然40多年来未再发生大战,但小规模战争从未间断,而且遍布世界各地用途各异的60000多架军用飞机,又都似箭在弦上,成为发生各种局部战争和突发事件的一个重要因素。
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飞机机身的功用主要是装载人员、货物、燃油、武器、各种装备和其他物资,它还可用于连接机翼、尾翼、起落架和其他有关的构件,并把它们连接成为一个整体。
  按照机身的功用,首先在使用方面,应要求它具有尽可能大的空间,使它的单位体积利用率最高,以便能装载更多的人和物资,同时连接必须安全可靠。应有良好的通风加温和隔音设备;视界必须广调,以利于飞机的起落。
  其次在气动方面,它的迎风面积应减小到最小,表面应光滑,形状应流线化而没有突角和缝隙,以便尽可能地减小阻力。
  另外,在保证有足够的强度、刚度和抗疲劳的能力情况下,应使它的重量最轻。对于具有气密座舱的机身,抗疲劳的能力尤为重要。
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飞机机体的型式一般有机身型、船身型和短舱型,机身型是陆上飞机的机体,水上飞机机体一般采用船身型,至于短舱型则是没有尾翼的机体。  短舱型包括双机身和双尾撑。  另外,二战中还有一种侦察/轰炸飞机,介于双机身和双尾撑形式之间:一侧机身有座舱,另一侧机身则连接尾翼,这种不对称布局在飞机上较少见。
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机身的外形和发动机的类型、数目及安装位置有关。例如活塞发动机螺旋桨式飞机的机身,就与喷气式发动机飞机的机身有所不同。
  从机身外形来看,不外乎侧面形状和剖面形状两种。侧面形状一般为拉长的流线体。现代飞机的侧面形状受到驾驶舱的很大影响。有的驾驶舱平滑地露于气流之中,有的则埋藏在机身之内,前者多用于中小型飞机,后者多用于大型飞机。
  现代超音速战斗机根据跨音速飞行的阻力特点,首先采用了跨音速面积律,即安装机翼部位的机身截面适当缩小,形成蜂腰机身;其次它的机头往往做得很尖,或者在头部用空速管作为激波杆,远远地伸出在迎面气流之中。这也有助于削弱激波的强度,减小波阻;第三是随着速度的不断增长,飞机机身的“长细比”不断增大,即用细而长的旋转体作机身。现代超音速飞机机身的长细比已超过10。所谓长细比即是机身长度与机身剖面的最大直径的比值,这一比值越大,则机身越细越长。而且随着速度的提高,飞机机身相对于机翼尺寸也越来越大。
  还有些超音速飞机为了减小阻力,尽量将驾驶舱埋藏于机身外形轮廓线之内。这样就使得飞机在着陆时座舱视界大大恶化。为了改善这种情况,就将机头做成活动的,着陆时可以下垂。例如“协和”号超音速旅客机机头就可下垂17.5度。其机头可有三种状态。超音速飞行时,机头呈流线形;亚音速飞行时,档整流罩放下,以扩大驾驶员的视界;进场和着陆时则全部下垂,驾驶员视界就更扩大了。
  常用的机身剖面形状有圆、椭圆、方、梯形等,这些形状适用于不同用途及速度范围的飞机。例如低速飞机可用方形,而具有气密座舱的高亚音速大型客机,则多用圆形或椭圆形。喷气式战斗机一般采用不规则的形状。
  随着现代航空技术的进步,新的飞行动力理论的应用,飞机机身的外形也呈现千姿百态,变化多端,如隐身战斗机所使用的机翼和机身融为一体的翼身融合体;除去机身和尾翼的飞翼;除去机翼的升力体机身;以汽车作为机身的汽车飞机等等。
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机身的受力和机翼相似,也包括分布载荷和集中载荷,而以后者为主。集中载荷包括由机翼、尾翼和起落架等的固定接头传来的载荷,以及机身各部分的质量力。分布载荷则包括空气动力和机身结构本身的质量力。这些外力作用到机身使它承受剪力、弯矩和扭矩。这种情况与机翼相似。对于机身而言,其受力的特殊性有下列两点:
  第一、机身上起主要作用的是各个集中载荷,如机翼的反作用力,尾翼的反作用力,设备舱、驾驶员及座椅、发动机的质量力等。至于分布载荷如由机身结构质量力而来的分布载荷和空气动力分布载荷则不是主要的;而在机翼上,起主要作用的是空气动力分布载荷。因为机身表面上作用的空气动力较小,机身结构本身的质量力也比较小。
  第二、必须考虑机身的侧向水平载荷,因为这一载荷很大,同时机身沿水平方向的抗弯刚度又比机翼小得多,而且在受侧向载荷作用时,经常附带有扭转,这就更增加了受力的严重性。
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空难事故发生后,飞机往往解体,甚至被烈火烧毁。人们到现场救援的时候,总是会寻找一个东西,它的名字大家已经耳熟能详了,对了,这就是被誉为空难“见证人”的黑匣子。它可以给调查人员提供证据,帮组他们了解事故的真相。
  实际上,黑匣子是飞机上的记录仪器,一种是飞行数据记录仪。它能将飞机的高度、速度、航向、爬升率、下降率、加速情况、耗油量、起落架放收、格林威治时间,还有飞机系统工作状况和发动机工作参数等飞行参数都记录下来。另一种是座舱话音记录仪。它实际上就是一个无线电通话记录器,可以记录飞机上的各种通话。这一仪器上的4条音轨分别记录飞行员与地面指挥机构的通话,正、副驾驶员之间的对话,机长、空中小姐对乘客的讲话.威胁、爆炸、发动机声音异常,以及驾驶舱内各种声音。黑匣子能够向调查者提供飞机出事故前各系统的运转情况。因为空难发生在短暂的瞬间,有时飞行员和全部乘务员同时遇难,调查事故的原因会有很大困难,而飞行数据记录仪可以向人们提供飞机失事瞬间和失事前一段时间里,飞机的飞行状况、机上设备的工作情况等。而座舱语言记录仪能帮助人们根据机上人员的各种对话分析事故原因,以便对事故作出正确的结论。为了承受飞机坠毁时的猛烈撞击和高温烈焰,黑匣子的外壳具有很厚的钢板和许多层绝热防冲击保护材料。而且为了尽可能的安全,黑匣子通常安装在飞机尾部最安全的部位,也就是失事时最不易损坏的部位,在飞机坠毁时,黑匣子在1100摄氏度的火焰中能经受30分钟的烧烤,能承受2吨重的物体挤压5分钟,能够在汽油、机油、油精、电池、酸液、海水中浸泡几个月,总之,它能在许多恶劣的条件安然无恙。就算这样的保护,仍然在有些空难中黑匣子遭到了损坏,所以国际航空机构又规定了更加严格的标准,而且记录介质也从磁带式改进成为能承受更大冲击的静态存储记录仪,类似于计算机里的存储芯片。
  其实,黑匣子并不是黑色的,为了便于人们搜寻,它被涂上了鲜艳的桔黄色,也许是人们觉得它里面存储了东西对飞机事故的鉴定意义重大吧,实在是太神秘了,所以使用了这样一个同样神秘的名字DD“黑匣子”。
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日凌晨,伊拉克首都巴格达的人们还处在香甜的睡梦中,几架外形奇特、颜色漆黑的飞机从基地起飞以后,悄无声息地进入伊拉克的领空,并突然出现在巴格达的上空,向着位于市中心的通讯大楼投下了精确制导的激光制导炸弹,四十五分钟以后,巴格达的空袭警报才响起。成功完成这次空袭任务的神秘飞机便是美国空军鼎鼎大名的隐形飞机F-117。F-117早在1989年12月美国入侵巴拿马战争中就已经使用过,直到这次海湾战争才充分体现了隐形飞机的军事价值:战争期间,设防严密的巴格达市内95% 的目标都是由F-117在夜间进行轰炸的,并且在执行任务的过程中没有损失一架F-117 。这所有的一切都归功于F-117所采用的隐身(或隐形)技术。
  隐身技术的专业定义是:在飞机研制过程中设法降低其可探测性,使之不易被敌方发现、跟踪和攻击的专门技术,当前的研究重点是雷达隐身技术和红外隐身技术。简言之,隐身就是使敌方的各种探测系统( 如雷达等)发现不了我方的飞机,无法实施拦截和攻击。早在第二次世界大战中,美国便开始使用隐身技术来减少飞机被敌方雷达发现的可能。下面主要来看一看雷达隐身技术是怎样实现的。
  雷达是利用无线电波发现目标,并测定其位置的设备。由于无线电波具有恒速、定向传播的规律,因此,当雷达波碰到飞行目标(飞机、导弹等时,一部分雷达波便会反射回来,根据反射雷达波的时间和方位便可以计算出飞行目标的位置。由此可见,飞机要想不被雷达发现,除了超低空飞行避开雷达波的探测范围外,就得想办法降低对雷达波的反射,使反射雷达波弱到敌人无法辨别的地步。这里有一个衡量飞行器雷达回波强弱的物理量:雷达散射截面积( 英文名称Radar Cross-Section,缩写为RCS) ,是指飞机对雷达波的有效反射面积,雷达隐身的方法便是采用各种手段来减小飞机的RCS 。例如美国的B-52轰炸机的RCS 大于100平方米,很容易被雷达发现,而与其同类的采用了隐身技术的轰炸机B-2的RCS 约为0.01平方米,一般雷达很难探测到它。
  目前用来减小飞机RCS的主要途径有两种:一是改变飞机的外形和结构,二是采用吸收雷达波的涂敷材料和结构材料。
  由于一般飞机的外形比较复杂,总有许多部分能够强烈反射雷达波,象发动机的进气道和尾喷口、飞机上的凸出物和外挂物、飞机各部件的边缘和尖端以及所有能产生镜面反射的表面,因此必须对飞机的外形和结构做较大的改进。我们可以看到隐身飞机的外形十分独特,如F-117基本上是由平面组成的角锥形体,尾翼为V形;而B-2则是前缘后掠、后缘为大锯齿形,没有机身和尾翼,整个飞机向一个大的飞翼,其发动机进气道布置在机体上方,没有外挂物突出在机体外面。此外,为了进一步减小飞机的RCS,还在机翼的前后缘、进气道唇口部分采用了能够吸收雷达波的材料,整个飞机表面涂以黑色的吸收雷达波的涂料。
  虽然隐形飞机能够在相当大的程度上隐身,但只是针对一般的探测设备而言,还有许多方法都可以发现隐身飞机。在月美国对南联盟实施轰炸的时候,南联盟防空军就曾经击落了美国的一架F-117A战斗轰炸机。此外,有得必有失,隐形飞机的隐身能力是以牺牲机动性作为代价的,而且造价也十分昂贵。
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机舱及装载布置 飞机设计研究所 航空科学与工程学院 第六讲
机舱及装载布置 6.1 机身初始几何参数估计 6.2 民机客舱设计与布置 6.3 民机货舱布置 6.4 民机驾驶舱布置 6.5 作战飞机座舱布置 6.6 武器装载布置 本讲主要参考书目 顾诵芬, 解思适. 飞机总体设计. 北京航空航天大学出版社,2001. Raymer, D. P. Aircraft Design: A Conceptual Approach, 3rd, 1999.
(89年版的中译本:《现代飞机设计》,1992) 詹金森, L. R., 辛普金, P., 罗兹 D. (著), 中国航空研究院(译). 民用喷气飞机设计. 2001 《飞机设计手册》总编委会. 飞机设计手册第7卷:民机构型初步设计与推进系统一体化设计. 机身初始几何参数估计 对一定类型的飞机,机身尺寸的确定受到严格的“现实条件限制(real-world constraints)”,如一旦知道了旅客人数和剖面座位数,旅客机机身的长度和直径也就基本确定了 在初始估计机身几何参数时,可以依据与起飞总重W0 或称WTO
之间的统计关系式 6.1 机身初始几何参数估计 机身长度与W0的关系
6.1 机身初始几何参数估计 机身长细比=机身长度/最大当量直径 机身内部体积一定,长细比为3.0左右亚音速机身阻力最小,长细比为14左右的超音速机身阻力最小 绝大多数的飞机机身的长细比在两者之间 6.1 机身初始几何参数估计 面积律修形 在跨音速及超音速飞行时,飞机的阻力主要来自波阻,即由于产生激波而产生的压差阻力。 面积律是指为了使波阻最小,飞机所有部件的横截面积叠在一起的分布应该相当与一个最小阻力的当量旋成体( “Sear-Haack” 体)横截面积的分布,或分布曲线比较光滑而无不规则的变化。 6.1 机身初始几何参数估计 面积律修形 典型翼身组合体的最大横截面积往往位于机翼中心附近。在该
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