2.1 飞机的部件及功用

不同的飞机外形各异，包括各种部件，每种部件起到不同的功用。这里对飞机的组成部件及其功用进行介绍。

2.1.1 飞机组成部件及其功用

飞机的主要组成部件通常包括机翼、机身、尾翼、起降装置、动力装置和操纵系统，如图2-1所示。

机翼是飞机产生升力的部件，机翼后缘有可操纵的活动面，外侧的活动面叫做副翼（图2-2），用于控制飞机的滚转运动；靠近机身的活动面称为襟翼（图2-2），用于增加起飞着陆时的升力。飞机的机翼内部通常装有油箱，机翼下面可外挂副油箱或各种武器，部分飞机的起落架和发动机也安装在机翼下。

机身是飞机其他结构部件的安装基础。飞机的机身用来装载人员、货物、设备、燃料和武器等。对于采用翼身融合体设计的飞机，往往很难严格地区分机翼和机身，如图2-3所示。

尾翼是平衡、安定和操纵飞机飞行姿态的部件，通常包括垂直尾翼和水平尾翼两部分。方向舵（图2-2）位于垂直尾翼后部，用于控制飞机的航向；升降舵（图2-2）位于水平尾翼后部，用于控制飞机的俯仰。对于采用飞翼布局的飞机，则没有水平尾翼（图2-3），甚至没有垂直尾翼。

起降装置用于飞机停放、滑行、起飞和着陆滑跑，比较简单的起降装置也称为起落架。飞机的起降装置通常由支柱、缓冲器、刹车机轮和收放机构等组成。

动力装置为飞机提供动力，保证它们能够前飞和爬升等。根据产生动力的方式的不同，飞机的动力装置有多种类型，有的直接喷气产生推力，有的驱动螺旋桨旋转产生推力/拉力。

操纵系统主要用于驱动舵面等部件偏转，以对飞机进行操纵。操纵系统通常布置在飞机的内部，一般通过液压系统或电缆或钢索等将驾驶员的操纵指令传递给舵面使其偏转。

2.1.2 机翼和机身的外形及其特点

飞机的几何外形主要由机身、机翼和尾翼等主要部件的外形共同组成。通过前面的介绍，我们已经接触到了各种各样的飞机。不难发现，不同飞机其产生升力的主要翼面——机翼的外形差别还是比较大的，而作为最能代表气动外形特征的机翼，其外形又直接决定着飞机的气动性能。为此，有必要对机翼的平面形状进行分类，并对机翼的一些关键参数进行介绍。尾翼平面形状及其特点与机翼类似。此外，机身的外形也有一定的差别，在此一并介绍。

2.1.2.1 机翼的平面外形参数

机翼是飞机产生升力和阻力的主要部件，其几何外形可以从机翼俯视平面形状和翼剖面形状两个方面来描述，如图2-4所示。

典型的机翼平面形状参数主要包括翼展l、翼弦b、前缘后掠角₀等。翼展是指机翼左右翼梢之间的最大横向距离。翼弦是指翼型前缘点和后缘点之间的连线，通常比较关心的是翼根弦长b₀和翼梢弦长b₁。前缘后掠角是机翼前缘线与垂直于翼根对称平面的直线之间的夹角。机翼的后掠角通常也用1/4弦线后掠角_1/4表示。所谓1/4弦线是指，翼根弦上距离前缘1/4翼根弦长距离的点与翼梢弦上距离前缘1/4翼梢弦长距离的点的连线。

在实际应用中通常还以展弦比、根梢比、后掠角等参数来表示机翼的平面形状参数，而用相对厚度来表示翼剖面形状（称为翼型）参数。这些参数对于飞机的气动特性有重要的影响。

展弦比λ是指机翼展长与平均几何弦长之比，见式（2.1）。对于图2-4中所示前、后缘均为直线的机翼，平均几何弦长b_av=（b₀+b₁）/2；S为整个机翼平面形状的面积。

梢根比η是指翼梢弦长与翼根弦长之比，见式（2.2）

翼型的相对厚度是指翼型最大厚度c_max与弦长之比，见式（2.3）。

　　（2.1）

　　（2.2）

　　（2.3）

由空气动力学理论和实验可知，在低速情况下（0.4倍声速以下），大展弦比平直机翼的升力系数较大，诱导阻力小；而在亚声速飞行时（0.4～0.85倍声速），后掠机翼可延缓激波的产生并减弱激波的强度，从而减小波阻；在超声速飞行时（1.15倍声速以上），激波已不可避免，但采用小展弦比机翼、三角翼、边条机翼等对减小波阻比较有利。关于速度范围的划分，激波、波阻、诱导阻力等概念，以及边条机翼，将在第三章进行介绍。

2.1.2.2 基于平面形状的机翼分类

机翼的外形主要以其平面形状来区分。按照平面形状的不同，通常可划分为三种基本型：平直翼、后掠翼、三角翼，如图2-5所示。

（1）平直翼

平直翼通常是指机翼的1/4弦线后掠角很小的机翼（图2-6～图2-8）。平直翼多用在低速和亚声速飞机上。这类机翼的展弦比通常为8～12，相对厚度为0.12～0.15。平直翼根据弦长的展向分布不同，又可分为矩形机翼（图2-6）、梯形机翼（图2-7）、椭圆形机翼（图2-8）。

（2）后掠翼

后掠翼通常是指机翼1/4弦线后掠角在20°以上的机翼。后掠翼多用于高亚声速飞机（图2-9）和部分超声速飞机。高亚声速飞机后掠翼的常用参数范围是：后掠角30°～35°，展弦比6～8，相对厚度约 0.10，梢根比0.25～0.3。对于超声速飞机，后掠角超过35°，展弦比3～4，相对厚度0.06～0.08，梢根比小于0.3。也有一些超声速战斗机采用向前掠的机翼（图2-10），其机翼掠角的定义和后掠翼相似，但符号相反。

平直机翼低速飞行性能好，有利于起飞和降落，但高亚声速和超声速飞行性能不好；后掠翼有利于高亚声速和超声速飞行，但是低速飞行性能较差。因此，有些飞机为了既能实现超声速、高亚声速飞行，又有较好的起降性能，往往采用变后掠机翼，如美国的F-14（图2-11）、B-1B（图2-12）以及苏联的米格-23、图-160等（图2-13）。这种变后掠机翼可以在飞行中改变后掠角，起飞着陆时后掠角小，高速飞行时后掠角大。但变后掠机翼也有它的缺点，那就是要付出很大的结构重量来实现机翼后掠角的变化，因此这种变后掠机翼在现代飞机设计中已经基本不再使用了。

（3）三角翼

三角翼通常是指机翼前缘后掠角非常大，后缘基本无后掠，俯视投影呈三角形的机翼。三角翼通常用于超声速飞机（图2-14、图2-15），尤以无尾飞机采用最多。

2.1.2.3 机身的外形参数

机身的外形参数包括机身的长度l_js和机身的最大直径d_js（或宽度和高度），如图2-16。机身的直径往往是沿机身长度方向变化的。不同类型飞机的机身外形往往有较大差别；有些飞机的机身粗而短，如民航客机；而有些飞机的机身又长又细，如超声速飞机。

如何对不同的飞机机身进行统一表述，这就涉及机身的一个主要几何外形参数——长细比。长细比也用于描述短舱（如发动机短舱）的几何外形。

长细比是指机身长度与机身最大直径之比，见式（2.4）。

　　（2.4）

对于低速和亚声速飞机，机身一般采用不大的长细比（6～9）；而对于超声速飞机，机身一般采用较大的长细比（10～20）。在另一方面，长细比小有利于提高机身结构抵抗弯曲的能力。

2.1.3 舵面及其功用

飞机不仅要直线飞行，而且要改变飞行状态，实现起飞、降落和机动飞行。为了实现飞行状态的改变，飞机上安装有各种用于操纵或增加升力的舵面（也称操纵面），包括副翼、升降舵、方向舵、襟翼等，如图2-2所示。

在介绍各个舵面的功用之前，这里先简单介绍一下飞机的三轴：俯仰轴（也称横轴）、滚转轴（也称纵轴）、偏航轴（也称立轴），如图2-17所示。通常，采用沿这三轴的平动和绕这三轴的转动来描述飞机在空中的运动。绕俯仰轴的转动，称为俯仰运动；绕滚转轴的转动，称为滚转运动；绕偏航轴的转动，称为偏航运动；沿俯仰轴的平动，称为侧向运动；沿偏航轴的平动，称为沉浮运动；沿滚转轴的平动，通常称为前后运动，直升机可以实现前飞和后飞，而飞机通常只能进行前飞。此外，直升机还可以进行侧向运动，而飞机则不能。

2.1.3.1 副翼

副翼是用于飞机滚转操纵的舵面，通常位于每个机翼后缘靠近翼尖的位置，两侧的运动方向相反。通过副翼的偏转可以使飞机产生滚转运动。

2.1.3.2 升降舵

升降舵是用于飞机俯仰操纵的舵面，通常位于机身尾部水平尾翼的后缘。它们一同向上或向下偏转。通过升降舵的偏转可以使飞机产生俯仰运动。一些飞机为了提高俯仰操纵性，往往还使用全动平尾来取代升降舵，如图2-18所示。

2.1.3.3 方向舵

方向舵是用于航向操纵的舵面，通常位于机身尾部垂直尾翼的后缘。

为了减少舵面的铰链力矩，通常还在升降舵和方向舵的翼尖处向前缘伸出一段结构，称为气动补偿片，如图2-19所示。在舵面不偏转时，气动补偿片就好比安定面的翼尖结构。

关于副翼、升降舵和方向舵的操纵方式与规律将在第三章详细介绍。

2.1.3.4 襟翼

襟翼包括后缘襟翼和前缘襟翼，如图2-20所示。一般情况下襟翼就是指后缘襟翼。前缘襟翼通常也称为前缘缝翼。后缘襟翼通常安装在机翼后缘靠近翼根的地方。前缘襟翼向下和向前下方偏移，后缘襟翼向下或后下方偏移，可以增加机翼的弯曲度，提高升力系数（表示升力大小的无量纲参数），使得机翼的升力增加，同时这也会使机翼的失速速度（低于该速度飞机升力迅速降低）降低；当然也会导致阻力的急剧增加。

襟翼一般在低速、高飞行迎角的情况下使用，如着陆前的下降过程中，既增加升力系数从而降低飞行速度，又增加阻力使得着陆滑跑距离减小。起飞时为了增加升力也会使用襟翼，但其偏移量较小，以减小阻力的增加。一些飞机上还设有襟副翼，兼有襟翼和副翼的双重功能，在起飞和降落时起襟翼的作用，在巡航飞行时可代替副翼用作滚转操纵，以弥补副翼在高速飞行时操纵效能的降低。

在飞机上，后缘襟翼有多种形式，通常分为简单式襟翼、开裂式襟翼、开缝式襟翼和后退式襟翼，如图2-21所示。

（1）简单式襟翼

简单式襟翼的形状与副翼相似，其构造比较简单，如图2-22所示。简单式襟翼在不偏转时形成机翼后缘的一部分，当向下偏转时，相当于增大了机翼翼型的弯度，从而使升力增大。在着陆时这种襟翼往往偏转不能超过60°，这时大约能使升力系数增加65％～75％。简单式襟翼结构简单，制造和维护成本低，因而被广泛使用。

（2）开裂式襟翼

开裂式襟翼像一块薄板，紧贴于机翼后缘下表面并形成机翼的一部分，如图2-23所示。使用时向下偏转，在后缘与机翼之间形成一个低压区。这个低压区对机翼上表面的气流有吸引作用，使上表面的气流流速增大从而压强减小，最终增大了机翼上下表面的压强差，使升力增大。除此之外，襟翼下放后，增大了机翼翼型的弯度，同样可提高升力。这种襟翼一般可把机翼的升力系数提高75％～85％。

（3）开缝式襟翼

开缝式襟翼是在简单式襟翼的基础上改进而成的，如图2-24所示。这种襟翼打开时与机翼之间有一道缝隙，除了起简单式襟翼的增升作用外，下表面的高压气流还可以通过这道缝隙以高速流向上表面，从而推迟上翼面后缘气流分离，保持良好的增升效果。由于开缝式襟翼相对于简单式襟翼只是增加了一道缝隙，因此有时候也很难严格区分简单式襟翼和开缝式襟翼。开缝式襟翼的增升效果较好，一般可使升力系数增大85％～95％。

（4）后退式襟翼

后退式襟翼在下放前是机翼后缘的一部分，当其下放时，一边向下偏转一边向后移动，既加大了机翼翼型的弯度，又增大了机翼面积，从而使升力增大，如图2-25所示。这种襟翼的增升效果比前三种的增升效果都好，一般可使翼型的升力系数增加110％～140％，甚至更大。这种襟翼一般在起飞重量较大的客机和运输机上使用，且襟翼由2～3片构件组成。

2.1.3.5 扰流片

运输类飞机通常还在机翼后缘的上表面布置扰流片，如图2-26所示，用于巡航飞行时的阵风减缓和姿态调整操纵，在降落时还可以用作减速板。