第三节飞机机体

飞机的外形差异很大，但无论什么外形、什么用途的飞机，就其组成来说，都可以分成机身、机翼、尾翼、起落架、动力装置和仪表设备六大部分。其中机翼、机身、尾翼和起落架合称为飞机机体，动力装置和仪表设备将在别的章节单独介绍，本节只讲解机体部分。

一、机翼

前面讲过飞机必须要产生足够的升力才能飞离地面，升力主要靠机翼产生。机翼之所以能产生升力，取决于它的形状；飞机在飞行中要想改变升力的大小和方向，还需要通过机翼上的附属设施来实现。

（一）机翼的外形

机翼的外形分为机翼的平面形状和剖面形状（翼型），翼型在前面的章节已经作了介绍，这里就只介绍机翼的平面形状（见图2-42）。

图2-42 机翼的平面形状

图中所示的矩形翼、椭圆翼、梯形翼，它们的机翼轴线与机身轴线垂直，统称为平直翼，平直翼飞机低速性能较好，为大多数低速飞机采用。

后掠翼飞机在高速飞行时有很好的性能，故高速飞机大多采用后掠翼。目前民航使用的航线飞机几乎都是后掠翼。

三角翼、双三角翼、与边条翼配合的后掠翼在高速和大迎角下有较好的气动性能，很多战斗机钟爱这样的机翼。前掠翼在高速飞行时有后掠翼的所有优点，还能从根本上解决后掠翼存在的缺陷，是目前空气动力学理论认为最佳的机翼布局，但由于工艺和材料等问题，还不能取得广泛应用，现在世界上设计制造成功的前掠翼飞机只有俄罗斯苏霍伊设计局设计制造的苏—47“金雕”战斗机（见图2-43），但由于其他原因，还未能量产。

机翼最外侧叫做翼尖，与机身的接合部叫做翼根，机翼两翼尖之间的直线距离叫飞机的翼展（见图2-44）。机翼产生的巨大升力需要通过翼根传递到机身，因此翼根处是飞机受力最大的部位。

图2-43 “金雕”战斗机

图2-44 翼展

（二）机翼的安装

图2-45 双翼机和三翼机

早期的飞机由于速度小，要获得足够的升力，在设计制造时只能加大机翼面积，在当时的工艺条件下，没有能力制造大面积机翼，只能给飞机设计两副乃至三副机翼（见图2-45）。现代飞机速度很大，不需要很大的机翼面积就能获取足够的升力，制造技术的进步又使设计制造大机翼变成了现实，因此，现代飞机已经完全摒弃了双翼结构，都只安装一副机翼，称为单翼机。

根据机翼安装在机身上的位置不同，单翼机可分为上单翼、中单翼和下单翼（见图2-46）。

飞行中，中单翼飞机在机翼和机身的接合处产生的干扰阻力最小，有较好的飞行性能。但中单翼飞机的翼梁要从机身中部穿过，不便于布置客舱和货舱，故所有运输机都不采用中单翼，这种机翼安装方式只为战斗机采用。

上单翼和下单翼飞机尽管干扰阻力较大，但机翼的翼梁从机身上部或下方经过，不影响机舱布局，常被运输机采用，单从干扰阻力来看，上单翼的干扰阻力要小于下单翼。

上单翼飞机机翼离地较高，如果发动机吊装在机翼上，离地面距离较远，给机务维护带来不便，也给起落架的安装造成一定影响；如果起落架安装在机翼上，其长度势必过长，将会带来强度下降和收放困难等麻烦；如果起落架安装在机身上，主起落架之间的距离就会太近，飞机滑跑的稳定性下降。但上单翼飞机的机身离地很近，机舱位置低，大型货物装卸方便，因此，上单翼的结构被军用运输机广泛采用（见图2-47）。

图2-46 上单翼、中单翼和下单翼

图2-47 上单翼运输机

下单翼飞机机翼位置较低，吊装在机翼上的发动机位置也低，便于机务维护，但同时也易吸进杂物，对发动机的使用安全造成一定影响。下单翼飞机的起落架可以安装在机翼上，长度很短，便于收放，强度也较大，主起落架之间的距离较大，滑跑稳定性较高，追求乘坐舒适性的民用航线飞机大多采用下单翼。另外，下单翼结构造成飞机机身离地较远，机舱位置较高，装卸不便，如果作为客机使用，乘客可以通过较高的活动登机桥来克服这一缺陷。

飞机的机翼往往不是和机身平行安装在机身上的，机翼翼弦与机身轴线会有一定的夹角，这个角度叫做机翼安装角（见图2-48）。机翼有一定安装角的目的是为了使飞机在巡航飞行中，机身呈水平的状态下，机翼有一定的迎角，在巡航飞行时，机身轴线与相对气流方向基本平行，产生的阻力较小。现代航线飞机的机翼安装角约为4°。

机翼在机体轴系yoz平面的投影与z轴的夹角叫上（下）反角，机翼投影线指向z轴上方叫做上反角，机翼投影线指向z轴下方叫做下反角（见图2-49）。现代采用下单翼结构的民用飞机，普遍有一定的上反角，大多数采用后掠翼、上单翼结构的军用飞机都有一定的下反角。

图2-48 机翼安装角

图2-49 上反角与下反角

（三）机翼上的控制设备

为了有效操控飞机，充分发挥飞机的性能，在机翼的前缘和后缘安装了很多改善或控制飞机的装置，包括副翼、襟翼、缝翼和扰流板等（见图2-50）。

图2-50 改善式控制飞机的装置

副翼安装在机翼外侧后缘，部分高速运输机在机翼中部后缘还安装有内侧副翼，低速飞行时使用外侧副翼，高速飞行时使用内侧副翼。副翼由飞行员通过驾驶杆左右偏斜实施操纵，副翼可上下偏转。

现代民用航线飞机在机翼后缘除副翼外，其余空间全设计为襟翼，用于改善飞机起飞着陆性能。襟翼只能向下偏转，将其放下后，改变了机翼的弯度，在较低的飞行速度下能有效提高飞机升力，但阻力也会相应增加，增加的比例大于升力增加的比例。在起飞中为防止因阻力增加过多而削弱起飞性能，通常只放小角度襟翼，飞机达到一定高度和速度后再将襟翼收起来，进行正常飞行；在着陆时通常将襟翼全放，可以使飞机在较低速度下获得较大的升力，可以有效地降低着陆接地速度，增加的阻力正好用于着陆减速（见图2-51），对改善飞机的着陆性能极为有利。

图2-51 着陆放襟翼和张开扰流片

除后缘襟翼外，在机翼前缘部分也安装了襟翼和缝翼，和后缘襟翼一起改善飞机低速性能。

现在民用航线飞机在后缘襟翼前方，还设有扰流片，扰流片只能向上张开，主要用于飞机着陆时增加阻力和提高刹车效率。在着陆时张开后，机翼上方气流受阻，阻力急剧增大，升力急剧降低，增大了飞机对地面的压力，刹车效率显著提高（见图2-52）。

（四）机翼的结构

机翼由翼梁、桁条、翼肋和蒙皮组成（见图2-52）。翼梁、翼肋和桁条构成机翼的骨架，蒙皮附着在骨架上就是完整的机翼。翼肋作为机翼的横向骨架，保持着机翼的翼型，直接支持蒙皮承受空气动力；翼梁作为机翼的纵向骨架，承受整个机翼上产生的空气动力，并通过接头将力传给机身；桁条平行于翼梁嵌在翼肋上，以支持蒙皮。

机翼内部有较大的空间，民用飞机通常将其密封后作为存储燃油的油箱，大型喷气式客机的机翼油箱储存了全机四分之一左右的燃油。大多航线飞机主起落架安装在机翼上，机翼的内部空间还有一部分用来设置起落架。

图2-52 机翼的内部结构

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有的飞机取消了水平尾翼，在机翼前方加装了类似于平尾的小翼面，称为鸭翼或前翼，这样的布局叫做“鸭式布局”。

与常规布局相比，鸭式布局的飞机可得到正的配平升力：鸭翼在重心之前，为平衡机翼升力形成的下俯力矩，鸭翼上需要产生向上的正升力，提高了飞机的总升力（见图2-56）。

莱特兄弟的“飞行者一号”飞机就采用鸭式布局，但这样的布局由于稳定性和操纵性的问题，没有得到继续采用和研究。近年来，随着航空技术的发展，对飞机稳定性的要求放宽了，鸭式布局才又重新得到重视，世界上有许多军用飞机采用了鸭式布局，我国的“歼十”战斗机也是采用鸭式布局（见图2-57）。

图2-56 鸭式布局

图2-57 “歼十”战斗机

四、起落架

飞机的起落架用于地面支撑飞机、地面移动飞机（滑行）、保证飞机起飞和着陆滑跑的运动功能。起落架除了支架和机轮外，还包括收放系统、减震装置和制动装置几部分。

由于这些功能都是在地面使用，在空中飞行时起落架不仅没有作用，还要产生额外的阻力，因此许多航线飞机、高速飞机都将起落架设计成可收放形式，飞机起飞后将其收起，减小阻力，着陆前再重新放下来。一些低速小型飞机，考虑到飞行速度不高、起落架产生的阻力较小，设计成固定式起落架还能减轻结构重量、提高起落架强度，遂将起落架直接设计为固定式。

起落架收放系统包括起落架舱和收放装置，起落架舱用于起落架收起时存放起落架用，起落架舱设计有舱门，除了收放过程中舱门打开，平时舱门都保持关闭状态，有助于保持飞机外表光滑的流线型。由于起落架不是固定的，为保证收上或放下状态时，起落架能够确实固定在预定位置，在起落架上设置了收上锁和放下锁。

收起落架时，飞行员将起落架收放手柄由“放下”位置扳到“收上”位置，收放系统先开启起落架舱门，然后将放下锁解锁，接着收放动作筒开始工作，将起落架收起，并锁定收上锁，最后再关闭起落架舱门。放下起落架则相反，飞行员将起落架收放手柄由“收上”扳至“放下”位置，收放系统先开启起落架舱门，然后将收上锁解锁，收放动作筒将起落架放下并锁定放下锁，最后关闭起落架舱门。为防止着陆时飞行员忘记放下起落架，许多航线飞机还将起落架收放系统与襟翼联动，在起落架未放下时，襟翼不能放下到着陆位置。

大多数飞机配置有三个起落架，称为三点式起落架。其中并列的、较粗大的两个起落架承受了飞机的大部分重量，叫主起落架。飞机重心位于主起落架之后，须在飞机尾部配置后起落架才能支撑飞机，称为后三点式起落架（见图2-58a）；飞机重心位于主起落架之前，须在机头位置配置前起落架才能支撑飞机，这种方式称为前三点式起落架（见图2-58b）。早期飞机起落架配置以后三点式为主，现代飞机大多采用前三点式，只有个别轻型飞机还采用后三点式。

图2-58 起落架的配置型式

部分大型飞机由于重量过大，为可靠地支撑飞机，减小飞机对地压强，在机身下还另外设置了机身起落架（见图2-59）。个别飞机还采用自行车式起落架（见图2-58c），一前一后两个起落架承受飞机重量，为防止飞机倾倒，在机翼下还布置有辅助小轮，这种布局一般用于有特殊布局要求、不便于按传统方式设计起落架的飞机，如英国的“鹞”式垂直起降战斗机（见图2-60）。

图2-59 A-380的机身起落架

图2-60 “鹞”式战斗机

大中型航线飞机由于重量大，普遍采用支柱式多轮起落架，而一些小型高速飞机上则采用摇臂式起落架（见图2-61）。

图2-61 支柱式与摇臂式起落架

支柱式多轮起落架一般由多个机轮组成一个轮式小车，车架和减震支柱连在一起，支柱旁有斜支柱和扭力撑杆，斜支柱承受水平方向的力，扭力撑杆抵抗轮式小车产生的扭矩，减震支柱承受垂直方向上的力。减震支柱上方的收放动作筒承担着将起落架收上或放下的任务。支柱与轮架铰接，保证所有机轮可以上下左右相对运动，后部轮架也可绕支柱转动，使轮式小车与地面有最大的接触面积和较小的转弯半径。轮子的数量取决于飞机重量和设计对跑道的压强要求，一般来说重量越大的飞机轮子越多，如空客A-380飞机主起落架和机身起落架一共就有20个机轮。

摇臂式起落架机轮不直接和支柱相连，而是通过一个摇臂与主支柱相连，这种构造方式减少了减震支柱所受的弯矩，使减震支柱易保持密封，减震效果好，但它构造较为复杂，摇臂受力大，不能用于重量太大的飞机，只能用于高速小型飞机，多为战斗机采用。

起落架的减震功能由轮胎和减震支柱实现。轮胎按所充气压不同，分为高压轮胎、中压轮胎和低压轮胎。低压轮胎减震效果最好，对跑道要求也低，但体积大，一般只适用于支线飞机和在低标准机场飞行的飞机。现代大型航线飞机普遍使用高压轮胎。

小型飞机可使用弹簧减震支柱或弹簧片减震，大型飞机一般都是用油气减震支柱（见图2-62）。油气减震支柱由外筒、活塞、活塞杆、带小孔的隔板和密封装置组成，活塞杆连在机轮或轮式小车上，外筒连在飞机起落架固定骨架上，外筒内腔下部装液压油、上部充压缩的干燥氮气。着陆时，机轮接地后通过活塞杆推动活塞向上运动，使液压油高速流过隔板上的小孔向上压缩上方的气体，减震支柱被压缩。当气体压力增大到足够大时，又会膨胀推动液压油高速穿过隔板上的小孔向下流动，推动活塞杆向下运动，减震支柱伸长。气体的反复收缩膨胀、液压油往复高速穿过小孔，和小孔发生剧烈摩擦，产生大量的热量，起落架与地面的冲击能量就转变成热能散发掉了，达到了减震效果。

图2-62 油气减震支柱

轮式起落架都装有刹车作为飞机地面制动的装置。大多数民用飞机刹车由飞行员通过脚蹬控制，左右蹬脚蹬时，操纵方向舵偏转，两脚同时踏下脚蹬，则是进行刹车。部分大型飞机的刹车踏板在脚蹬上方，随脚蹬一起运动，飞行员蹬脚蹬时控制方向舵，如需刹车，则用前脚掌压下上方的刹车踏板，压下左刹车踏板时刹左轮，压下右刹车踏板时刹右轮。

大多民用飞机的前起落架不装刹车，但装有转向系统，由脚蹬或手轮（手柄）操纵前轮转向，使飞机在地面转弯。脚蹬操纵前轮用于起飞或着陆高速滑跑的过程，此时前轮与方向舵同时被操纵，脚蹬所能控制的前轮偏转角度较小，飞机转弯半径大；前轮转向手轮主要用于飞机低速滑行且转弯半径较小的情况，如飞机着陆后在跑道上掉头等。

图2-63 前轮定中机构

为防止飞机起飞后前轮不在中立位置给收起落架带来不便，也为了避免着陆前前轮不在中立位置导致滑跑方向偏斜，前起落架都设有定中机构，保证前轮在离地状态下处于中立位置。传统的内置式前轮定中机构由一组内部的定中凸轮组成（见图2-63），其中一个凸轮安装在减震支柱外筒上，另一个安装在减震支柱活塞杆上。前轮离地时，在重力和支柱内气压的作用下，减震支柱自然伸长，活塞杆上的定中凸轮与外筒上的定中凸轮接触并沿其表面滑动，使前轮自动定位在中立位置。前轮接地后，减震支柱被压缩，活塞杆上的定中凸轮与外筒上的定中凸轮脱离，活塞杆和外筒之间可以相对转动，可操纵前轮进行转向。

第三节 飞机机体

第三节飞机机体