單通道窄體客機氣動力設計技術分析

趙長輝 宋 凱 王 猛 趙 婷 任璐璐

(中航沈飛民用飛機有限責任公司工程研發事業部，沈陽 110169)

0 引言

氣動力設計是單通道窄體客機的關鍵技術，對飛機性能影響重大。單通道窄體客機目前已經發展到了第三代，每一代飛機的氣動力設計技術都有一定突破，保證飛機性能的全面提升。

本文主要梳理和初步分析窄體客機的氣動力設計技術，主要方法是典型機型的實例研究和相關數據統計分析，內容包括機翼氣動力設計、增升裝置、翼梢小翼和CFD技術應用等。

1 機翼氣動力設計

1.1 重要性和設計要求

機翼氣動力設計至關重要，飛機氣動效率和性能提升很大程度上取決于機翼氣動力設計。各代各型窄體客機設計上的進步突出體現在機翼氣動力設計上。

飛機各飛行階段單發失效最小爬升梯度等安全性要求，巡航、續航、起降、爬升和高度等關鍵性能，與機翼面積、展弦比、后掠角、相對厚度等主要參數選擇，三維氣動外形設計，增升裝置(高升力系統)、操縱面以及翼梢小翼設計密切相關。

高亞聲速窄體客機機翼設計要具有較高的阻力發散馬赫數Mdd和巡航馬赫數、巡航效率因子M(L/D)max和抖振邊界。

據統計，目前窄體客機Mdd達到0.90左右，最大使用馬赫數MMO0.82以上，設計巡航馬赫數約M0.78～0.80，相較于之前的M0.74～0.76有所提高。例如波音737 Classic飛機遠程巡航速度為M0.745，737NG飛機提高到M0.785[1]。

1.2 設計實例和統計數據

窄體客機機翼設計一般分成兩側外翼+中央翼(中機身內)，機翼整體油箱設計上要滿足飛機載油量要求，需要提供大的內部裝油空間。

窄體客機外翼平面布置見圖1，各型飛機機翼基本平面外形和布置相似度較高。

(a)波音737NG

波音737前兩代機型采用尖峰翼型，波音737NG機翼外側采用超臨界翼型。A320采用D57S超臨界翼型，相對厚度與A310相同，但是后梁之后的厚度加大30%，以便有足夠空間容納襟翼及其操縱系統。A220、MC-21和C919飛機普遍采用新一代超臨界翼型。

窄體客機機翼平面形狀都為雙梯形，內段為直角梯形，外段為高向尺寸較大的斜梯形，內段和外段分界是發動機短艙。內段通常布置小彎度(甚至反彎度)翼型，外段布置基本工作翼型。從整體上看是平直后掠前緣；后緣帶有轉折，內段平直(無后掠角)，外段后掠。中等后掠角，1/4弦線后掠角(Λ1/4)和前緣后掠角一般分別為25°和28°。上反角約5°～6°。展弦比約9～12。增大展弦比可以有效提高氣動效率，但是受到結構設計和翼展限制，隨著結構技術進步，特別是復合材料結構機翼可以采用更大展弦比。

直角梯形機翼內段氣動上的好處是后緣襟翼無后掠角，效率提高，升阻特性改善。根弦加長，減小了根部上表面的相對厚度，并使最大厚度弦向位置前移，這些對高速流動特性的改善，足以抵消因后掠減小對Mdd的影響。這種平面形狀還可變換成根部翼型或切面外形的后緣修形，使之有利于升阻比的提高。從結構角度，這種形狀有利于結構和起落架布置，改善受力形式和增大根部有效空間。

機翼前后緣有增升裝置(高升力系統)和操縱面。增升裝置一般為前緣縫翼和后緣襟翼(內側和中部)。后緣外側為副翼。后緣襟翼(一般分為內外兩段)前緣布置4塊～5塊擾流板，內側擾流板用作減速板，外側擾流板用于輔助副翼進行滾轉操縱，著陸階段擾流板一起用作減速板。

系列化機型的機翼一般采用基本相同的機翼，實現高通用性。A321飛機相對于A320飛機，最大起飛重量增大約20%，將單縫襟翼增加后緣子翼成為雙縫襟翼，擴大機翼面積，同時調整操縱面、增升裝置布局，以滿足起降性能要求。

表1給出幾種窄體客機的機翼和飛機性能參數數據，可以初略看出新研機型機翼氣動力設計優于老一代機型。

表1 窄體客機機翼參數和飛機性能參數

1.3 一些設計難點問題

機翼內段-翼根區域氣動設計的好壞對整機氣動特性特別是升阻特性有很大影響。高馬赫數以后，設計得不好將使根部區域的等壓線后掠角大為減小，在比較小的迎角下就出現激波并引起復雜的激波—邊界層干擾，導致分離抖振，使整機性能惡化。在高M數、低CL(快速下降)狀態下，短艙內側機翼下表面可能出現局部流速過高而引發一系列問題。

對于翼吊發動機布局，發動機短艙及吊掛與機翼一體化設計是一個重要問題，也是飛機推進系統一體化設計的重要內容，在這一領域世界領先飛機企業、研究機構等開展了大量研究工作，取得重要成果，有力支撐先進民用客機產品發展[2-6]。

發動機短艙-吊掛與機翼一體設計高度復雜，設計不好會降低飛機氣動特性和飛行性能，甚至造成重大問題，這方面不成功的例子是波音737max飛機。波音737max飛機為安裝大直徑、高涵道比發動機，不得不將短艙安裝位置前移和上移，見圖2，結果帶來復雜的氣動力和操穩特性變化問題，保證穩定性的MACS控制系統設計不完善導致嚴重事故。

圖2 波音737max短艙吊掛設計更改

氣動和結構綜合優化設計、氣動-結構耦合設計是機翼設計近期重要研究內容，國內外學術界做了很多研究工作[7-8]。

2 增升裝置

增升裝置(高升力系統)是飛機起降性能和爬升性能的重要保證，在起飛、爬升、進場、著陸等階段提供足夠高的升力系數，以實現起飛著陸性能要求和適航要求，例如單發失效條件的爬升梯度等要求，噪聲要求。

增升裝置設計和布局上要與機翼氣動力設計、結構設計和飛機總體設計充分協調。帶有增升裝置的多段翼型要進行精細優化設計，機翼翼型后緣區域厚度充分考慮后緣襟翼系統形式選擇和布置要求。后緣較薄的超臨界翼型不利于后緣襟翼布置，A320系列飛機機翼后緣進行增厚處理。機翼發動機吊掛-短艙布置展向阻斷增升裝置，發動機尾噴流對襟翼氣動特性和噪聲特性有直接影響。發動機反推力裝置工作狀態下與襟翼的相互作用也比較復雜[9-10]。

前后緣增升裝置都需要作動系統，作動系統不能過于復雜，應做到使用維護簡單，維修保障成本相對較低。尺寸要適當小、重量輕，包容運動機構的整流罩的數量盡可能少，減小阻力代價。

窄體客機增升裝置設計上在保證各方面要求的前提下，呈現逐步簡單化的趨勢。

波音737第一代和第二代機型采用三縫襟翼+克魯格襟翼(短艙內側)+前緣縫翼(短艙外側)設計，盡管效率較高，但是系統復雜。第三代的波音737NG飛機采用雙縫襟翼(主翼+后部子翼)+前緣克魯格襟翼(內側，1段)和縫翼(外側，4塊)的設計，增升裝置進行全面優化，取得了滿意的效果。波音737NG飛機增升裝置設計見圖3。

(a)平面圖

A320飛機采用富勒式單縫襟翼(內外兩段)+前緣縫翼(5段)設計。A321改為富勒式雙縫襟翼(主翼+后部子翼)+前緣縫翼(5段)。A321增升系統有效提升了CL0和CLmax，保證飛機性能。A320和A321飛機增升裝置設計見圖4。

(a)A320

A320和A321飛機的單縫襟翼和雙縫襟翼前部(弦向)有較大部分處于固定后緣和擾流板下方，具有富勒式襟翼的一些特征和特性，因此稱之為富勒式單縫-雙縫襟翼。A321XLR最新改型飛機的內側襟翼改為單縫式，簡單化設計的目的是減重和降低維護成本。設計上借助CFD技術獲得最佳設計方案，并借鑒了A350的設計。

A220、MC-21和C919飛機采用與A320近似的增升裝置設計[11]。

3 翼梢小翼

窄體客機機翼普遍安裝翼梢小翼來減小誘導阻力，提高氣動效率。翼梢小翼作用機理：1)端板效應，阻擋機翼下表面擾流，削弱翼尖渦強度，增大機翼有效展長/展弦比；2)耗散主翼翼尖渦效應；3)增大機翼升力及前向推力，改變機翼展向升力分布，增大升力，小翼升力有前向推力分量；4)推遲翼尖氣流過早分離，提高失速迎角。加裝翼梢小翼后，機翼載荷分布發生變化，機翼相關結構要進行加強。

A320飛機最初裝比較特殊的尺寸，是相對較小的翼梢端板，與翼梢小翼相比，翼梢端板在非設計狀態仍有較好地減阻效果，側風進場時不會失速。

波音737NG和A320neo采用尺寸較大的融合式翼梢小翼，減阻效果約3%～4%[12-13]。波音737max飛機采用與MDXX飛機(原麥道公司1990年代的設計方案)相近的雙羽小翼，小翼有上下兩片，下翼片尺寸小、外傾角大。與融合式翼梢小翼相比，雙羽小翼上下翼片氣動力更好平衡，展向分布改善，再加上自然層流技術的采用，減阻約1.5%～1.8%。

波音公司和空中客車公司的相關資料，給出了翼梢小翼的減阻效果數據，見圖5。

(a)波音737NG

波音737雙羽翼梢小翼、融合式翼梢小翼改善機翼展向升力分布的效果見圖6。

圖6 翼梢小翼改善機翼展向升力分布

4 CFD技術應用

CFD技術在現代飛機氣動設計方面發揮越來越大的作用，CFD技術水平的高低可以說對民用飛機產品氣動性能有決定性的影響。美國和歐洲的CFD技術一直處于世界領先水平。波音公司、空中客車公司兩大巨頭在民用客機CFD氣動力設計領域行業領先，龐巴迪、巴航工業的CFD技術水平也較高[14-19]。

1980年代，波音737Classic飛機改裝大涵道比渦扇發動機，開發近距耦合發動機短艙安裝設計解決方案。通過CFD技術，成功揭示出氣動機理。短艙-吊掛與機翼之間的干擾阻力是由于短艙-吊掛改變了機翼展向載荷分布因而產生誘導阻力和渦阻力造成的。通過CFD技術優化短艙-吊掛外形設計，有效消除不利影響和降低阻力，取得了非常滿意的結果。如果采用傳統的風洞試驗技術，耗時很長耗費巨大且不一定能取得滿意結果。此后，波音公司的波音777、737NG和787不斷擴大CFD技術的應用范圍。波音公司CFD技術應用情況見圖7。

圖7 波音公司客機CFD技術發展應用

空客公司A320、A330/340、A380、A350等飛機項目上的CFD技術應用水平持續提高，有力支撐這些飛機實現氣動性能行業領先。

我國C919飛機研制的各個階段都廣泛采用CFD技術，通過全國協作技術攻關，CFD技術達到較高水平，保證了飛機設計目標的實現。C919飛機CFD技術應用情況見圖8[20]。

(a)精細化計算

5 結論

本文初步梳理和簡要總結了單通道窄體客機的氣動力設計技術，給出多種機型的氣動力設計實例，并進行簡單對比分析。