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飞机机身

机身是飞机的一个重要部件,它的主要功用是:固定机翼、尾翼、起落架等部件,使之连成一个整体;同时,它还用来装载人员(机组人员、乘客)、货物、燃油及各种设备。现代飞机的机身结构是由纵向元件(沿机身纵轴方向)长桁、桁梁和垂直于机身纵轴的横向元件隔框以及蒙皮组合而成,其结构形式有构架式、硬壳式和半硬壳式。

机身是飞机的一个重要部件,它的主要功用是:固定机翼、尾翼、起落架等部件,使之连成一个整体;同时,它还用来装载人员(机组人员、乘客)、货物、燃油及各种设备。

按照机身的功用,首先在使用方面,应要求它具有尽可能大的空间,使它的单位体积利用率最高,以便能装载更多的人和物资,同时连接必须安全可靠。应有良好的通风加温和隔音设备;视界必须广调,以利于飞机的起落。其次在气动方面,飞行中,机身的阻力要占整个飞机阻力的较大部分,因此,要求机身具有良好的流线形、光滑的表面、合理的截面形状以及尽可能小的横截面积。另外,在保证有足够的强度、刚度和抗疲劳的能力情况下,应使它的重量最轻。对于具有气密座舱的机身,抗疲劳的能力尤为重要。

飞机机体的型式一般有机身型、船身型和短舱型,机身型是陆上飞机的机体,水上飞机机体一般采用船身型,至于短舱型则是没有尾翼的机体。短舱型包括双机身和双尾撑。另外,二战中还有一种侦察/轰炸飞机,介于双机身和双尾撑形式之间:一侧机身有座舱,另一侧机身则连接尾翼,这种不对称布局在飞机上较少见。

现代飞机的机身结构是由纵向元件(沿机身纵轴方向)长桁、桁梁和垂直于机身纵轴的横向元件隔框以及蒙皮组合而成。机身结构各元件的功用相应地与机翼结构中的长桁、翼肋、蒙皮的功用基本相同。

作为横向元件的隔框分为普通框和加强框。普通框主要用于维持机身的截面形状,承受蒙皮的局部载荷。一般沿机身周边空气压力为对称分布,此时空气动力在框上自身平衡,不再传到机身别的结构去。普通框一般都为环形框。当机身为圆截面时,普通肋的内力为环向拉应力;当机身截面有局部接近平直段时,则普通框内就会产生弯曲内力。此外,普通框还受到因机身弯曲变形引起的分布压力。普通框还对蒙皮和长桁起支持作用。隔框间距影响长桁的总体稳定性。

加强框除上述作用外,其主要功用是将装载的质量力和其他部件(如机翼、尾翼等)上的载荷,经连接接头传递到机身结构上将集中力加以分散,然后以剪流的形式将力传给机身蒙皮。

长桁作为机身结构的纵向构件,在桁条式机身中主要用来承受机身弯曲引起的轴向力。另外长桁对蒙皮有支持作用,它提高了蒙皮的受压、受剪失稳临界应力;其次它承受部分作用在机身蒙皮上的气动力并传给隔框,与机翼的长桁相似。桁梁的作用与长桁相似,只是截面积比长桁大。

机身蒙皮在构造上的功用是构成机身的气动外形,并保持表面光滑,所以它承受局部空气动力,在增压密封座舱部位的蒙皮将承受内压载荷,蒙皮将其传递给机身骨架。

蒙皮在机身总体受载中起着很重要的作用。它承受垂直和水平两个平面内的剪力和扭矩;同时它和长桁等一起组成壁板承受垂直和水平两个平面内弯矩引起的轴力。

在早期的低速飞机上,机身的承力构架都做成四缘条的立体构架。为了减小飞机的阻力,在承力构架外面,固定有整形用的隔框、桁条和蒙皮,这些构件只承受局部空气动力,不参加整个结构的受力。机身的剪力、弯矩和扭矩全部由构架承受。其中弯矩引起的轴向力由构架的四根缘条承受;垂直方向的剪力由构架两侧的支柱和斜支柱(或各对张线)承受;水平方向的剪力由上、下平面内的支柱、斜支柱(或张线)承受;机身的扭矩。则由四个平面构架组成的立体结构承受。构架式机身的抗扭刚度差,空气动力性能不好,其内部容积也不易得到充分利用。只有一些小型低速飞机机身采用构架式机身。

硬壳式机身结构是由蒙皮与少数隔框组成。其特点是没有纵向构件,蒙皮较厚,由蒙皮承受机身总体弯、剪、扭引起的全部轴向力和剪力。普通框和加强框用于维持机身截面形状,支持蒙皮和承受、扩散框平面内的集中力。

这种机身的优点是结构简单,气动外形光滑,内部空间可全部利用。但因为机身的相对载荷较小,而且机身不可避免要大开口,会使蒙皮材料利用率不高,因开口补强增重较大。所以这种形式的机身实际上用得很少,只在机身结构中某些气动载荷较大、要求蒙皮局部刚度较大的部位,如机身头部、机头罩、尾锥等处有采用。

为了使机身结构的刚度器满足飞行速度日益增大的要求,需要使蒙皮参加整个结构的受力。因此,目前的机身结构广泛采用了金属蒙皮,并且将蒙皮与隔框、大梁、桁条牢固地铆接起来。成为一个受力的整体,通常称为半硬壳式机身。

在半硬壳式机身中,大梁和桁条用来承受弯矩引起的轴向力;蒙皮除了要不同程度地承受轴向力外,还要承受全部剪力和扭矩;隔框用来保持机身的外形和承受局部空气动力,此外,还要承受各部件传来的集中载荷,并将这些载荷分散地传给蒙皮。

(1)桁梁式机身

桁梁式机身结构特点是有几根桁梁,桁梁的截面积很大。在这类机身结构上长桁的数量较少而且较弱,甚至长桁可以不连续,蒙皮较薄。这种结构的机身,由弯曲引起的拉、压轴向力主要由桁梁承受,蒙皮和长桁承受很小部分的轴向力。剪力则全部由蒙皮承受。普通框的作用是维持机身外形,支持纵向构件,加强框除维持外形外,主要承受集中载荷,如机翼、尾翼和机身连接的接头等都安排有加强框。

从桁梁式机身的受力特点可以看出,在桁梁之间布置大开口不会显著降低机身的抗弯强度和刚度。虽然因大开口会减小结构的抗剪强度和刚度而必须补强,但相对桁条式和硬壳式结构的机身来说,同样的开口,桁梁式的机身补强引起的重量增加较少。因此这种形式的机身便于开较大的舱口。

(2) 桁条式机身

桁条式机身的桁条和蒙皮较强,受压稳定性好,弯矩引起的轴向力全部由上、下部的蒙皮和桁条组成的壁板受拉、受压来承受。由于蒙皮加厚,改变了机身的空气动力性能,增大了机身结构的抗扭刚度,所以与桁梁式机身相比,它更适用于较高速飞机。此外,桁条式机身的蒙皮和桁条。在结构受力中能够得到充分利用。但是,这种机身由于没有强有力的大梁,不宜开大的舱口,如果要开口,必须在开口部位用专门构件加强。桁条式机身各构件受力比较均匀,传递载荷时必须采取分散传递的方法,因而机身各段之间都用很多接头来连接。

机身的外形和发动机的类型、数目及安装位置有关。例如活塞发动机螺旋桨式飞机的机身,就与喷气式发动机飞机的机身有所不同。

从机身外形来看,不外乎侧面形状和剖面形状两种。侧面形状一般为拉长的流线体。现代飞机的侧面形状受到驾驶舱的很大影响。有的驾驶舱平滑地露于气流之中,有的则埋藏在机身之内,前者多用于中小型飞机,后者多用于大型飞机。

现代超音速战斗机根据跨音速飞行的阻力特点,首先采用了跨音速面积律,即安装机翼部位的机身截面适当缩小,形成蜂腰机身;其次它的机头往往做得很尖,或者在头部用空速管作为激波杆,远远地伸出在迎面气流之中。这也有助于削弱激波的强度,减小波阻;第三是随着速度的不断增长,飞机机身的“长细比”不断增大,即用细而长的旋转体作机身。现代超音速飞机机身的长细比已超过10。所谓长细比即是机身长度与机身剖面的最大直径的比值,这一比值越大,则机身越细越长。而且随着速度的提高,飞机机身相对于机翼尺寸也越来越大。

还有些超音速飞机为了减小阻力,尽量将驾驶舱埋藏于机身外形轮廓线之内。这样就使得飞机在着陆时座舱视界大大恶化。为了改善这种情况,就将机头做成活动的,着陆时可以下垂。例如“协和”号超音速旅客机机头就可下垂17.5度。其机头可有三种状态。超音速飞行时,机头呈流线型;亚音速飞行时,档整流罩放下,以扩大驾驶员的视界;进场和着陆时则全部下垂,驾驶员视界就更扩大了。

常用的机身剖面形状有圆、椭圆、方、梯形等,这些形状适用于不同用途及速度范围的飞机。例如低速飞机可用方形,而具有气密座舱的高亚音速大型客机,则多用圆形或椭圆形。喷气式战斗机一般采用不规则的形状。

随着现代航空技术的进步,新的飞行动力理论的应用,飞机机身的外形也呈现千姿百态,变化多端,如隐身战斗机所使用的机翼和机身融为一体的翼身融合体;除去机身和尾翼的飞翼;除去机翼的升力体机身;以汽车作为机身的汽车飞机等等。

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