飞机复合材料结构毕业论文

在俄罗斯茹可夫斯基飞行试验中心,集俄罗斯航空工业近年来的研究成果和最新技术于一身的一37战斗机莫斯科航展上惊鸿一现,激起了世界航空界的浓厚兴趣,同时也揭起了俄罗斯开发前掠翼战斗机的神秘面纱的一角..一37战斗机可以说是世界上第一种真正的前掠翼战斗机,其特点是机翼前掠,采用非传统的三翼面鸭式气动布局,双垂尾向外倾斜,留有一对水平尾翼.一37战斗机在亚音速飞行时,具有极好的气动性能和大迎角状态下的机动性能,适于作过失速机动.不过,从概念上来说,前掠翼战斗机并非是一项全新的设计概念,它应该说是早期胎死腹中;而后又由于新技术的发展而起死回生的设计概念的典型代表.早在第二次世界大战期间,德国的飞机设计师们就已经感到,飞机在高亚音速机动时,前掠翼飞机在抑制空气压缩效应方面,似乎要明显优于后掠翼战斗机(后掠翼战斗机存在着翼尖失速问题).而且,后掠翼战斗机在结构设计方面还有很多优点,如当时德国设计制造的"容克"一87轰炸机,采用了具有15度前掠角的前掠机翼,这一设计使机翼与机体结构的衔接避开了弹舱位置,从弹舱的后面通过.又如1964年首>飞的德国一320汉莎商务机,其前掠翼设计使机翼衔接处位于增压式座舱的后面,从而非常轻松地与机体融合在一起.不过,必须指出的是,以上两种飞机机翼的前掠角都被严格地限制在15度以内.然而,尽管人们开始认识到前掠翼飞机存在着许多潜在的优点,可是前掠翼飞机并没有得到全面发展,反而夭折在了襁褓之中,这是由于在当时还有许多技术上的难点无法克服.我们知道,对于后掠翼飞机来说,当机翼迎角增大,升力增大时,机翼会产生负囝倪志明马红丽/文扭转(机翼外洗),也就是机翼产生的扭转变形使机翼后缘抬高,前缘降低,机翼相对于气流来向的迎角减小,从而减小了升力.这时,机翼的结构是稳定的,只是,在大迎角状态下会产生翼尖失速,而且机翼的弯曲会诱发颤振.对于金属结构的前掠机翼来说,情况却正好相反,当迎角增大时,升力增大,机翼产生正扭转(机翼内洗),也就是机翼产生的扭转变形使得机翼的前缘抬高,后缘降低,机翼相对于气流来向的迎角反而增大,使机翼升力和扭转变形继续增大.这种不稳定性称为气动弹性发散现象,机翼前掠角度越大,这种现象就越严重.实践经验表明,对于后掠机翼可能产生的颤振问题,可以通过重力补偿(比如在机翼前缘采用较重的金属结构,从而人为地设定一个反作用力矩)的办法来降低机翼颤振,此外,解决翼尖失速问题的方法也是多种多样的.但是,要消除前掠机翼的气动弹性发散现象,就必须增加机翼结构的强度,才能确保前掠机翼在飞机高速飞行时不被撕裂.但是加强机翼结构强度会使飞机的重量大大增加,如果前掠角度过大,金属结构的前掠翼就会过于笨重,因而在高速飞行时就不可能有很强的机动作战能力,从而抵消了前掠翼带来的优越性.显然,在当时的技术条件下,解决后掠机翼产生的问题要比解决前掠机翼产生的问题容易得多,所以,几年以后,前掠机翼技术中途停止.进入70年代以后,随着先进的复合材料技术的飞速发展,给前掠机翼技术的应用带来了新的希望.通过对复合材料的应用研究,设在美国俄亥俄州赖特一帕特森空军基地的美国空军飞行动力实验室最早提出了一种利用复合材料进行"定制"结构设计的概念.1974年,在马里兰大学攻读哲学博士学位的诺里一37采用了前掠翼布局,拥有良好的低速机动性斯??小克朗空军中校撰写的毕业论文《利用先进的复合材料消除机翼正扭转》,第一次将"定制"结构设计与前掠机翼联系起来.所谓"定制"结构设计,就是在采用复合材料制造机翼结构时,通过精心计算,有意识地改变前掠机翼复合材料中碳纤维的线性分布(如方向,厚度等),控制好前掠机翼的扭转力矩轴,使机翼受载时,升力产生的扭转力矩与复合材料制造的这种前掠机翼"固有的"几何力矩相互抵消,从而控制住前掠机翼的扭转变形方向,使前掠机翼变成稳定结构.应该说,小克朗中校的论文写得正是时候,因为当时的飞机设计师们正好也在思考如何解决飞机在大迎角状态下作战的问题.在大迎角状态下,后掠翼飞机往往容易遇到无法克服的翼尖失速,过度的上反角效应和副翼失效等问题.1977年,美国国防部高级研究设计局()开始出资让通用动力公司,格鲁曼公司和洛克韦尔公司分别进行前掠机翼结构的模型试验.通用动力公司以一16战斗机为基础设计了一架尾翼后置的前掠翼飞机,但是另外两家公司开发的则是鸭式布局的前掠翼飞机.采用鸭式布局,其前置翼面的下洗气流能够有效地抑制和消除前掠翼飞机特有的翼根失速现象,因此,鸭式布局比较适用于前掠翼飞机.1981年,格鲁曼航空航天公司(即现在的诺思罗普公司)与美国国防部高级研究设计局签署合同,开始开发研究一29前掠翼验证机,并制造了两架样机,这两架样机的机翼部分全部采用了碳纤维环氧复合材料,1984年,第一架前掠翼试验飞机一29在美国爱德华空军基地正式升空,从1984年12月14日到1992年1月18日,两架一29验证机先后进行了成功的试验飞行.采用复合材料后,前掠机翼的优点马上就发挥出来了,它不仅具有后掠机翼提高临界马赫数,降低波阻的优点,还从根本上克服了翼尖失速的缺点.加上布局的特点,使它具有下列主要优点:一是升力特性好.由于前掠机翼没有翼尖失速问题,因此,大部分机翼的潜力能充分发挥,产生出最大升为.于是,低速性能尤其是起飞着陆性能远远优于后掠翼飞机,能在更短的跑道上起降.二是升阻比高.前掠机翼不仅有用升力大,而且升力展向分布较好,即使在大迎角下,展向仍能保持椭圆分布,因此,诱导阻力小,升阻比高.升阻比的提高,增大了飞机的最大航程和作战半径.三是大迎角时操纵性好.前掠机翼克服了翼尖失速的缺点后,即使在大迎角下,仍能保证副翼有良好的操纵性能.四是采用前掠机翼的飞机便于采用近距耦合鸭式布局.此外,采用前掠机翼的飞机还有一些其他优点,例如,配平阻力小,超音速航程大,具有抗螺旋特性,飞机布局灵活性大等.目前,最新型的前掠翼飞机就是俄罗斯苏霍伊设计局设计的一37前掠翼战斗机.一37于1997年9月23日进行首飞