B747飞机空气动力特性研究

姜伟华

（南京航空航天大学金城学院，南京 211100）

B747飞机空气动力特性研究

姜伟华

（南京航空航天大学金城学院，南京 211100）

波音747是世界上第一款宽体民用飞机，是在上个世纪六十年代末由美国波音公司推出的大型商用宽体客/货运输机。作为先进的民用飞机在设计过程中是离不开空气动力设计的，而飞机的空气动力特性是分析和计算飞机性能的重要依据，也是分析飞机平衡性、稳定性以及操纵原理的重要基础。

B747飞机；空气动力；特性

1 B747飞机的设计特点及参数

1.1 设计特点

波音747的机翼悬臂式下单翼，外翼相对厚度为8%，翼根部相对厚度为13.44%，1/4弦线后掠角为37.5°。机翼的内侧是高速副翼，外侧是低速副翼。采用三缝后退式襟翼，每侧机翼上表面有扰流片，每侧机翼前缘有前缘襟翼，尾翼为全动水平尾翼。

1.2 部分设计参数

B747飞机部分设计参数（表1）。

表1 B747飞机部分设计参数

2 B747飞机空气动力特性分析

2.1 有限翼展的空气动力特性

（1）有限翼展的升力特性。取一段丝线，一端系上一个小棉球，将其放在处于风洞实验段正迎角机翼的翼尖处。气流流过机翼时，小球将旋转起来，连同丝线形成一个旋转椎体。从机翼后面往前看，左翼尖小球顺时针旋转，右翼尖小球逆时针旋转，该现象说明了翼尖漩涡的出现。机翼左右翼尖后缘出现的漩涡叫做翼尖涡。

分析翼尖涡形成的原因，当机翼处于正迎角，产生升力时，翼面的下表面压力高于上表面，在压差的作用下，下表面气流绕过翼尖流向上表面，从而使下翼面流线从将机翼对称面向翼尖倾斜，上翼面的则相反，由于上下翼气流在后缘处具有不同流向、空气的粘性作用以及漩涡的相互作用，漩涡面在翼后不远处卷成两个大涡索，从而形成漩涡，并且在机翼后面形成了一个涡流面，并很快卷成两束翼尖涡向后延伸出去。

由于翼尖涡的作用，机翼范围内诱导出了一个向下的速度为下洗速度（W），如图1所示，流过机翼的空气沿下洗速度和相对气流速度（V）合速度方向流动，且向下倾斜，这种气流称为下洗流（V′），倾斜角为下洗角（ε）。

综上所示，有限翼展在中小迎角下的升力特性可归纳为：

1）同一迎角下展弦比越小的机翼，它的升力系数值也越小。这是因为展弦比越小，下洗越强，所以有效迎角和升力系数值也就越小。

2）有限翼展的升力系数曲线斜率随展弦比的减小而降低。有限翼展机翼的下洗角并非恒定，其随着迎角（升力系数）的增加而成比例增大，机翼迎角每增加一度，有效迎角增加不到一度。展弦比越小下洗影响越大。有效迎角增加越少升力系数曲线斜率越低。

（2）有限翼展机翼的失速特性。B747飞机采用的是后掠梯形翼，至于梯形机翼，翼梢下洗角小，有效迎角大，首先会在翼梢附近发生气流分离，因机翼失速总是从某个局部开始，然后蔓延到全翼，所以当局部剖面的气流已严重分离，其余大部分剖面并未失速，机翼升力系数还能随迎角增加而增大，不过机翼的升力系数曲线斜率下降了。我们将局部出现严重气流分离、升力系数曲线斜率显著下降时的迎角称为抖动迎角。迎角从抖动迎角增加到另一更大迎角时，机翼表面分离区进一步扩大，整个机翼升力系数达到最大值，此时迎角为机翼临界迎角，升力系数为机翼的最大升力系数，此时在增大迎角，机翼的升力系数开始急速下降，机翼开始失速。

2.2 后掠翼的空气动力特性

由于B747飞机机采用1/4弦线后掠角为37.5°的后掠翼，其主要起减阻的作用，下面将详细讨论后掠翼的空气动力特性。

（1）后掠翼的低速空气动力特性。经实验发现，空气流过后掠翼时，从平面看流线将左右倾斜成S形，原因如下：

气流流过后掠翼，其流速方向与机翼前缘既不平行也不垂直，可分解为两个分速：一个是平行分速（Vt），在空气流过机翼表面的过程中，平行分速基本不变；另一个垂直分速（Vn），同空气以垂直分速流过一个平直翼一样，垂直分速不断发生变化。平行分速和垂直分速与前缘后掠角的关系是Vn=Vcosχ，Vt=Vsinχ。

在教学中对基础工业工程的课程内容加以重组与凝练，提出了六大教学专题内容，从而形成基础工业工程的教学体系。第一，基本概念部分。介绍基础工业工程的基本概念、发展历程、研究内容及体系结构。第二，生产系统简介部分。介绍机械制造系统的组成和工艺过程等。第三，分析技术与方法部分。介绍程序分析、操作分析和动作分析的技术与方法。第四，作业测定技术与方法部分。介绍时间研究、工作抽样、预定时间标准法等作业测定技术以及工时定额的理论与方法。第五，现场管理技术与方法部分。介绍现场管理的基本概念、5S管理、目视管理、定置管理、异常管理与防错法等。第六，现代工业工程方法部分。介绍价值流图、精益生产方式、看板管理等。

设有一个无限长的平直翼，空气以流速Vn流过机翼，若此时机翼以Vt向右运动，平行于翼展的相对气流不会使机翼的气动特性发生变化。这χ种情况同空气以流速V流过无限翼展斜置翼一样，这样，后掠角为的无限翼展后掠翼的升阻力特性，就可以利用无限长直机翼的升阻力特性来求得。经推导，后掠翼升阻力特性（用Cyχ，Cxχ表达）与对应直机翼的升阻力特性（用Cy，Cx表达）之间表达式为

由以上三个公式可以看出，如果无限翼展后掠翼与无限翼展平直翼的法向迎角、垂直分速、法向弦长、翼型均相同，那么后掠翼的升力系数、阻力系数、升力系数斜率都将小于平直翼。因此，后掠翼的低速空气动力特性不如平直翼好。而有限翼展后掠翼与无限翼，除翼根和翼尖部分有较大差别外其余部分均十分接近。

（2）后掠翼的亚声速空气动力特性。在亚声速阶段，后掠翼的升力系数斜率同翼型一样，随飞行马赫数的增加而增大。根据理论计算，在亚声速阶段，后掠翼的升力系数斜率由下式可以得到

式中，λ为展弦比；χ0.5为机翼1/2弦线的后掠角；。

在此阶段，由于空气压缩性的影响，随着飞行马赫数的增加，机翼表面产生吸力的地方吸力更大，产生压力的地方压力更大，使得机翼上下表面的压差增大，升力系数斜率增大。另外，在亚声速阶段，升力系数斜率还随展弦比λ的增大而增大，随后掠角χ的增大而减小。

2.3 B747飞机部分增升与减升、增（减）阻装置介绍

B747飞机采用的增升减阻装置主要有后退三开缝襟翼、克鲁格襟翼、扰流板等。下面将将具体介绍其中一部分的原理与作用。

后退式开缝襟翼则是将上面两种机翼结合起来。其特点是，能够在襟翼向下偏转增大相对弯度的同时，还能通过襟翼的向后滑动增大机翼面积，因此增升效率比两者单独都高。

（2）前缘襟翼（克鲁格襟翼）。前缘襟翼设置在机翼前缘，常用于高速飞机。因为高速飞机一般采用前缘半径较小的薄机翼，这种机翼在大迎角下容易在前缘就开始气流分离，放下前缘襟翼，既能增加机翼剖面的相对弯度，又能减小前缘相对于气流的角度，使气流平顺的流过，可以延迟气流分离的产生，提高临界迎角和最大升力系数。

B747飞机中使用的一种前缘襟翼，叫克鲁格襟翼。它装在机翼前缘根部，打开时向前下方翻转，不仅能增大机翼面积，还能够增大翼型弯度。所以有较好增升效果。

（3）飞机扰流板。扰流板（卸升板）是为了在飞机全收状态（主要指增升装置和起落架全收起的状态）紧急下降中增加下降率、飞机下降速度低于极限速度、同时缩短着陆和中断起飞距离而安装的，具体作用如下：

1）副翼一侧机翼的扰流板按规定角度打开，一侧不动可提高副翼在大迎角时的性能。

2）两边同时打开，可增加飞机的下降率。

3）两边扰流板随过载的变化快速收放从而降低飞机的突风载荷。

4）两边同时打开并上偏到最大角度，这样在着陆接地后或中断起飞地面滑跑时打开地面扰流板，从而破坏机翼上表面的平顺流动，使升力迅速减小，增大机轮与地面的摩擦阻力，同时增加空气阻力，可使飞机迅速减速。

3 小结

本文仅仅介绍了部分B747飞机的空气动力特性，还远远没有完善。还需要不断地学习了解，使自己更清楚的了解飞机的空气动力特性，了解其中所凝聚的智慧。只有这样才有可能不断地进步与发展。

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.217