空客公司成功的機翼設計I
——A300及A310機翼設計

江永泉 / Jiang Yong Quan

(上海飛機設計研究院，上海201210)

0 引言

1970年，歐洲發達國家為爭奪世界民用飛機銷售市場，成立了歐洲空中客車工業公司。參加投資和研制的國家有法國、英國、德國和西班牙四國。根據國際市場的要求，先后設計和制造了A300、 A310、 A300-600、 A320、 A330/A340、 A380和A350等先進的高亞聲速民用運輸機。這些飛機已成為國際市場上的暢銷型號，訂購量逐年猛增，打破了美國波音公司在民用飛機銷售市場上的壟斷地位，最終與波音公司平分秋色。

任何民用運輸機成功的關鍵在于：在要求的整個航程范圍內，裝載有效載荷的能力；在巡航速度下具有最大效率和安全性。機翼是這些性能和品質的重要影響因素，機翼的設計是否成功是民用運輸機是否成功的關鍵。空客公司的A300(包括后來改型的A300-600)和 A310的機翼設計是非常成功的。本文主要論述這三種機型的機翼設計特點。

1 A300機翼設計特點

空中客車工業公司下屬的英國豪克·西德利公司(位于哈特菲爾德)在研發A300飛機時的后掠翼設計理念是基于研制“三叉戟”的經驗的，其設計特點包括：采用“尖峰”后加載翼型、可改善超聲速流，增加升力能力；大的整體機加件和自動鉚接結構；壓配合安裝，改進疲勞壽命；第二代飛行控制系統中，逐步采用碳纖維復合材料。

空客公司在發展A300機翼的基本翼型的設計狀態有聲速帶平頂前緣處小吸力峰的壓力分布，該壓力分布與常規翼型比較如圖1所示。該翼型比當時高速翼型的后加載大得多，如圖2所示，產生大負值俯仰力矩。

圖1 常規翼型和先進翼型的壓強分布比較[1]

圖2 常規翼型和先進翼型的升力分布比較[1]

將巡航狀態上翼面的平均壓強分布與翼剖面的后部彎度形成的大幅度后加載相結合，研發了對低速高升力更有利的前緣下垂設計。它對巡航平頂壓強分布或發展尖峰型剖面壓強分布以獲得更大的升力系數幾乎沒有影響。實驗與理論相關性的典型壓強分布如圖3所示。

圖3 典型翼型在巡航狀態的壓強分布[1]

圖4 在巡航狀態雷諾數為1.47×106時，A300機翼的實驗等壓線圖形[2]

基于這一外翼翼型做了連續高速風洞實驗并進行了高雷諾數校核實驗，研發了整個外翼，依據理論框架獲得巡航狀態均勻的上翼面壓力分布，同時滿足存放起落架，蒙皮為可展曲面等通常的實際要求。設計成功之處是A300機翼上的等壓線幾乎是平行的，如圖4所示。

英國的豪克·西德利公司對A300的機翼貢獻很大，其中包括先進的“平頂”后加載翼型，大大增加翼型后部的升力，可使給定后掠角和厚度的機翼在發生激波分離前能承受更大的升力系數，或者說，與常規翼型的阻力相同時，機翼能以較小的后掠角或較大的厚度達到設計升力系數。

在A300飛機上，這種平頂翼型已與尖峰前緣相結合，降低了在該區域的壓強系數，從而推遲了在翼型頂峰后激波的形成。

機翼設計要求是最大使用馬赫數MM0為0.84，而阻力急增馬赫數不低于0.83。

考慮巡航要求，可采用大翼載，并與進場要求相結合，要求在可能的著陸CLmax范圍內，翼載越大越好。還有兩個附加設計要求，即避免采用高風險技術以及增升裝置不得對起飛/爬升阻力或高馬赫數特性有任何不利影響。

圖5 壓強分布[2]

圖5給出了Ma=0.796，CL=0.42時，在半翼展的52.3%機翼剖面上的壓強分布。在此情況下，發生超聲速流，激波出現在40%弦長處。超聲速區顯示有相當程度的等熵再壓縮，激波很弱，幾乎沒有波阻。這就說明應用在設計狀態前緣有小吸力峰的聲速平頂壓強分布概念。在略高于設計升力系數時就得到令人滿意的“超臨界”型壓力分布，而沒有早期“尖峰”翼型前緣表面速度過高和與其相關的阻力爬升過甚等弊病[1]。

A300按高速巡航Ma=0.82/0.83，遠程巡航Ma=0.78設計。圖6表明，CL在0.30～0.45范圍內，阻力急增馬赫數(阻力比低速阻力水平高ΔCD=0.002 0的馬赫數)Ma在0.825～0.785之間變化，符合設計要求[1]。

圖6到圖8給出了確定機翼外形的四個翼剖面、制造型架和飛行狀態的翼面定義和機翼的扭轉。與“三叉戟”一樣，A300的機翼表面也是由直線造型的，這使得翼根剖面的相對厚度只有13.8%，低于氣動力上可能接受的最大厚度，這是因為豪克·西德利公司當時還沒有可以加工雙曲面機翼蒙皮的設備，當生產A310時才有了這種設備。

圖6 機翼翼型[1]

圖7 A300B機翼[1]

圖8 機翼扭轉分布[2]

2 A300-600機翼設計特點

為了使A300-600的機翼能達到設計標準，在A310使用的現代化技術水平基礎上通過對已驗證過的A300機翼在空氣動力方面所進行的大量改進以提高A300-600機翼的空氣動力標準。

A300-600與A310一樣通過增加翼型后緣區彎度并取消了后襟翼形成了新的機翼外形，如圖9所示，其特點在于：(1)增加了內機翼載荷；(2)增加了后緣區載荷；(3)降低了誘導阻力；(4)改進了抖振邊界。

圖9 A310機翼外型

同時，采用了以下措施使總誘導阻力減小3.7%：(1)較小的水平尾翼；(2)改善機翼和水平尾翼活動面的密封；(3)新型吊艙；(4)先進的外掛架形狀；(5)取消后襟翼、前緣縫翼折流板。

此外，A300-600的機翼設計特點還包括：加裝了翼尖渦擴散器，獲得沿翼展方向的橢圓形壓力分布；降低了誘導阻力和壓縮性阻力；采用了與A310相同的橫滾原理(取消機翼外側的低速副翼)。

圖10 A300-600與A300的Ma(L/D)max差別

A300-600借鑒了A310的比較小的尾翼，以A300的機翼為基礎進行設計，但有主要的細節變化，如使用了比較小的沒有后襟翼的但后緣稍微向下彎曲的單塊襟翼(見圖9)，使其著陸升力系數提高了8%。另外，取消了襟翼擋板，所有這些加在一起使巡航阻力降低8%，第二階段爬升阻力降低4.5%。

圖11給出了原始A300和A300-600的展向升力分布。為了能增加A300-600的最大起飛重量，機翼內側增大后加載，從而使升力內移，而且改善了抖振發生邊界，可以更大的升力系數飛行，見圖12。

圖11 與原始A300相比A300-600升力分布的改進[1]

圖12 A300-600因抖振引起的升力系數隨馬赫數變化示意圖

3 A310機翼設計特點

A310的機翼設計特點主要體現在以下幾方面：

(1)第一次在高亞聲速民用飛機上采用操縱面的電信號控制；

(2)第一次采用計算流體動力學來計算機翼，以減少風洞實驗工作量；

(3)第一次在大型高亞聲速民用飛機上采用低阻“厚翼型”(即跨聲速超臨界翼型)；

(4)第一次在大型民用飛機上采用成型加工/擴散膠合的鈦部件；

(5)引進高純度、高強度的鋁合金來減小最大起飛重量；

(6)第一次在大型民用運輸機上采用翼梢小翼。

A310在機翼內側采用了雙曲面壁板的設計，從而允許翼根剖面厚得多的機翼。在設計過程中，考慮問題的重點有以下幾個方面：

(1)基本機翼/先進二維翼剖面/跨聲速設計；

(2)內翼段機翼的三維設計；

(3)襟翼傳動裝置整流罩的干擾；

(4)臺階/縫隙等氣動外形的改善；

(5)短艙/掛架/機翼干擾；

(6)機翼/機身干擾。

圖13給出了不同展向位置的翼型。為了在設計狀態得到直等壓線，對翼根所作的處理明顯包括向內翼移動時安裝角增加，最大厚度位置前移，前緣變得越來越鈍，而且后加載也逐漸消失了。

A300、A310和A300-600三種機翼之間的關系如圖14所示。

在A310的研制過程中，給出了A310高速機翼設計諸因素，如圖15所示。

圖13 A310機翼[1]

圖14 A300、A310和A300-600的三種機翼之間的關系

圖15 A310高速機翼設計諸因素[3]

4 結束語

本文主要分析了A300、A310、A300-600三種飛機的機翼氣動力設計，其設計經驗值得我們借鑒。

本文第二部分將討論A320、A330/A340、A380和A350飛機的氣動設計。并對以上幾種機型的增升裝置實際和翼尖裝置設計進行討論和比較。