2.2 飞机的布局

飞机各个部件的相对位置的布置就是飞机的布局。飞机为了达到不同的性能要求，往往采用不同的布局形式。这里从飞机的气动布局、尾翼的布局、动力装置的布置和起降装置的布置几方面介绍各种飞机的布局形式。

2.2.1 飞机的气动布局

飞机发明一百多年以来，国内外飞机设计师们设计了各式各样的飞机。正如前面所给出的图片，这些飞机的外形也是多种多样的。那么如何根据飞机的外形对飞机进行归类呢？我们说，由于飞机的外形就决定了飞机的气动性能，因此飞机的外形也称为气动外形。这样，就可以根据气动外形对飞机进行分类，即气动布局。

不同飞机的机翼和机身的相对位置是不一样的。以机身为参照，有的机翼在前面，有的机翼在后面；有的机翼在机身上面，有的机翼在下面；有的机翼翼尖往上翘，有的机翼翼尖往下沉；有的翼面前面比后面高，有的反之。根据机翼和机身及平尾之间的不同相对位置，可以区分不同的气动布局。

2.2.1.1 正常式、鸭式、无尾、三翼面气动布局

根据产生主要升力的机翼以及起配平作用的平尾的有无及前后位置，通常可以将飞机分成以下四种气动布局：正常式气动布局（又称常规气动布局）、鸭式气动布局、无尾气动布局、三翼面气动布局，如图2-27所示。

（1）正常式气动布局

正常式气动布局的特点是，产生升力的部件——机翼在前面，而起俯仰配平（有时也称俯仰平衡）作用和俯仰操纵作用的水平尾翼在后面。这种气动布局是迄今为止使用最多的一种布局形式，由于技术非常成熟、纵向稳定性好，目前应用于各类飞机上，如图2-28、图2-29所示。

（2）鸭式气动布局

鸭式气动布局的特点是：产生主要升力的主翼（在鸭式气动布局中，机翼被称为主翼）在后面，与平尾一样起纵向配平和操纵作用，但产生一定升力的鸭翼位于前面。这种气动布局具有失速特性和机动特性好等优点。关于失速特性和机动特性，将在第三章详细介绍。莱特兄弟设计的“飞行者”1号采用的就是鸭式气动布局。但这种气动布局在飞机诞生的早期并未能得到足够的重视，后来随着超声速时代的来临，鸭式气动布局的优点才逐渐为人们所认识。目前这种气动布局形式广泛应用于先进战斗机，如图2-30、图2-31所示。

（3）无尾气动布局

无尾气动布局也称飞翼布局，其特点是：只有产生升力的机翼，既没有平尾又没有鸭翼，甚至有些无尾布局飞机连垂尾都没有。这种气动布局的优点是阻力小、隐身性能好；但缺点是稳定性不好，不适合布置增升装置。目前，无尾气动布局形式为现代隐身飞机所广泛采用（图2-32），“协和”号超声速客机也采用无尾气动布局（图2-33）。

（4）三翼面气动布局

三翼面气动布局是在正常式气动布局的基础上增加了鸭翼构成的（图2-34）。这种气动布局综合了正常式气动布局和鸭式气动布局的优点，有望得到更好的气动特性；缺点是由于同时有鸭翼和平尾使得飞机在总重方面有所增加。目前，采用三翼面布局的飞机不多。

在飞机设计中，气动布局形式的选择是首先要解决的关键问题之一，它直接决定了飞行器的总体性能。上述各种布局各有优缺点，设计时要在对继承和创新进行综合与折中的基础上，选择合适的气动布局。

2.2.1.2 上单翼、中单翼和下单翼

在前面大家所接触的各种飞机中，有的飞机机翼在机身上面，有的飞机机翼在机身下面，有的飞机机翼从机身中间穿过。读者不禁会问，为什么不同的飞机机翼和机身的上下相对位置采用不同的方式？这就不得不介绍一下飞机的上单翼布局、中单翼布局和下单翼布局。单翼飞机的气动布局按照机翼与机身连接的上下位置来划分，可分为上单翼、中单翼和下单翼，分别是指机翼在机身上面的布局、机翼穿过机身中间的布局以及机翼在机身下面的布局。如图2-35～图2-38所示。

在设计时采用哪一种气动布局，取决于很多方面的因素。上单翼布局气动安定性好，适合对安定性要求高的飞机；下单翼适合对机动性要求高的战斗机，此外，下单翼由于机翼可以保护乘客，也广泛用于客机；中单翼布局的气动干扰小，在战斗机中使用较多。在结构方面，上单翼机翼、下单翼机翼的贯穿性较好，有利于提高结构效率。

2.2.1.3 上反翼、下反翼和无上反翼

从飞机的前视图看，机翼通常不是水平的，而是与水平面之间有一定的夹角，这个夹角被称为机翼的上反角Γ（图2-39）。相对于水平面来说，翼尖高于翼根的机翼称为上反翼，此时上反角为正；翼尖低于翼根的机翼称为下反翼，此时上反角为负，称为下反角；翼尖和翼根平齐的机翼称为无上反翼。

上反翼的气动安定性较好，适用于对稳定性要求高的飞机，如民航客机（图2-40）；下反翼气动安定性不好，适用于对机动性要求高的飞机，如战斗机。

2.2.1.4翼面的安装角

机翼/水平尾翼的安装角用以表示机翼/水平尾翼和机身轴线之间的夹角φ（从侧视图方向看），一般将机身轴线与机翼/水平尾翼翼根处翼型弦线的夹角定义为安装角（图2-41）。相对于机身轴线来说，前缘高后缘低的机翼/水平尾翼，其安装角为正，反之为负。

将机翼/水平尾翼和机身之间设置一定的安装角，主要原因是使得飞机在某种飞行状态下（通常为巡航状态）具有较高的气动效率，减小阻力。

机翼安装角的确定是个气动设计问题，通常要用风洞试验数据来解决。不同飞机机翼的安装角不同，对大型运输机和轰炸机安装角一般取为2°～6°。水平尾翼相对于机身轴线来说，其安装角通常为0°～-2°，这样相对于机翼来说，水平尾翼总是处于负安装角状态。

机翼和机身之间的安装角通常是不变的，因为改变机翼的安装角对于结构的设计和受力非常不利。但水平尾翼的安装角则有不少飞机在飞行中是可以变化的，如民航客机（图2-42），其通过改变平尾的安装角来进行纵向配平，以减小舵面的偏转角，从而减小驾驶员操纵的杆力和飞机的阻力。

2.2.2 尾翼的布局

尾翼是飞机中起平衡和操纵作用的部件，包括水平尾翼（简称平尾）和垂直尾翼（简称垂尾或立尾）。不同飞机的尾翼在布局形式上也是有很大差别的。尾翼中平尾一般只有一个，垂尾可以有一个或多个。按照平尾、立尾之间的相对位置及垂尾的数目，可以分成单立尾布局、双或多立尾布局、V形尾翼布局等多种布局形式。

2.2.2.1 单立尾布局

单立尾布局是最为常见的一种尾翼布局形式。根据立尾相对于平尾的位置，尾翼又可以分为常规形尾翼、T形尾翼、十字形尾翼。

（1）常规形尾翼

这种布局形式的尾翼，平尾在垂尾的下面，通常能够以最轻的结构重量，提供足够的稳定性和操纵性。这种布局形式在飞机上应用最为广泛，如图2-43所示。

（2）T形尾翼

T形尾翼布局是指平尾位于垂尾顶部的尾翼布局形式。这种布局形式的垂尾往往需要进行加强，因此要付出一定的重量代价。这种尾翼布局形式通常在运输类飞机中使用较多，如图2-44所示。

（3）十字形尾翼

这种尾翼布局是介于常规形尾翼布局和T形尾翼布局之间的尾翼布局方案。这种布局的尾翼曾在一些水上飞机和早期的战斗机上（图2-45）使用，当前使用较少。

2.2.2.2 双或多立尾布局

双或多立尾布局通常包括常规双立尾布局、双尾撑双立尾布局、H形尾翼布局和三立尾布局。常规双立尾布局是指在机身上装有两个立尾的布局形式，这种布局通常在现代战斗机中广泛使用（图2-46），以增加航向安定性。双尾撑双立尾布局是指在向后延伸的两个尾撑（实际上也可以称为机身，只是因为比较细长，通常被称为尾撑）上安装两个立尾的布局形式，通常在一些无人机和早期的轰炸机中使用，如图2-47所示。H形尾翼布局通常在大型运输机中使用，是一种在平尾两端安装两个立尾的布局形式，从前后看平尾和立尾构成一个H字样，故称为H形尾翼，如图2-48所示。飞机一般情况下很少使用三立尾气动布局。

2.2.2.3 V形尾翼布局

V形尾翼具有较小的干扰阻力。通常可以分为正V形尾翼（图2-49，两片尾翼向上张开）和倒V形尾翼（两片尾翼向下张开）。此外，还有一些特殊布局形式的尾翼，如Y形尾翼（图2-50）、环形尾翼等。

2.2.3 动力装置的布置

动力装置是飞行器的重要部件，其主要部件就是发动机。所有带动力的飞行器在设计时都需要综合考虑飞行器气动、结构、发动机的一体化设计。鉴于发动机对于飞行器的重要性，且很多飞行事故往往都是由于发动机故障导致的，人们通常把发动机比作飞行器的心脏。

发动机的布置形式通常有单发、双发、多发（包括三发、四发及以上）几种（图2-51）。其中，单发和双发比较常见；多发布置中，四发形式用得比较多，三发形式通常需要将其中一台发动机安装在机身尾部，目前用得较少。也有像B-52那样的八发形式的动力装置，每两发一组，共构成四组。

具体而言，飞机上发动机的安装位置与发动机的数目及形式有关。由于航空发动机主要有活塞式发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮桨扇发动机以及涡轮喷气和涡轮风扇发动机；前三种需要使用外露螺旋桨或者桨扇（与螺旋桨类似），而涡轮喷气和涡轮风扇发动机没有外露的螺旋桨或者桨扇。因此，对发动机的布置形式进行分类时，通常按照有无外露螺旋桨（包括桨扇）进行进一步的分类。关于桨扇，目前成功应用的只有俄罗斯的安-70运输机，在此不作详细介绍，感兴趣的读者可以查阅相关资料。

2.2.3.1 驱动螺旋桨式发动机在飞机上的布置

驱动螺旋桨产生拉力或推力的发动机在飞机上目前多安装一台、两台或四台（图2-52～图2-57）；多采取的是拉进式布局，即螺旋桨在发动机之前，发动机装在机头或机翼前缘。另一种是推进式布局，即发动机装于机翼后沿或机身后段。推进式布局可以使机翼位于螺旋桨的滑流之外，有利于降低阻力，但通常主起落架相对较高，会一定程度地增加重量，而且发动机在地面工作时冷却条件也较差。对于双发布局，也有采用一推一拉形式的。

2.2.3.2 喷气式发动机在飞机上的布置

涡轮喷气和涡轮风扇这两类发动机，由于都没有外露螺旋桨，其在飞机上的安装位置相似，这里都统称为喷气发动机。关于这两类发动机的区别和联系，将在第五章进行详细介绍。

单台喷气发动机多装在机身后段或机身下部，如图2-58所示。这种布置方式有利于维护修理，只要将机身后段拆卸开就行了；同时还可让出机身短舱或前段的空间，以便容纳人员和武器装备。这种发动机安排方式主要用于战斗机。也有将单台喷气发动机背在机身后段的形式。

两台喷气发动机有几种安排方式。常见的一种是把两台发动机各装在机身两侧的短舱内，或机身的后部和腹部，如图2-59、图2-60所示。这种方式的优点是机身空间大，装载的人员和设备多。但其构造比较复杂，而且还会增大阻力。

第二种双发的安排方式是把发动机装在机翼下的吊舱内，常见于运输机和客机，如图2-61所示，通常称为翼吊式发动机布局。这种方式的好处是减少发动机短舱和机翼的干扰，对提高最大升力系数有利；可采用全翼展的襟翼。另外，由于短舱离地近，维护比较方便，但易于吸入尘土。

双发的第三种安排方式是把两台发动机并列在后机身外部的两侧，通常称为尾吊式发动机布局，如图2-62所示。其优点是座舱内噪声小，机翼上没有发动机短舱的干扰，气动性能较好；进气和排气通道较短，因而能量的损失较少。但这种安排的机身构造相对较复杂。

三台喷气发动机多用于运输机。其安排方式有两种。一种是两台发动机并列装在机身后段，另一台装在垂直尾翼上（或后机身上），如图2-63所示。另一种三发的安排方式是，把两台涡轮风扇发动机安装在机翼下的吊舱内，另一台安装在垂直尾翼上（或后机身上），如图2-64所示。

四台喷气发动机的安排方式比较常见是将四台发动机都置于机翼下的吊舱内，如图2-65所示。当然也可以采用其他的一些形式，但不常见。采用四台以上发动机的飞机比较少见，比较有名的有B-52轰炸机，采用八台发动机，分四组吊挂在机翼下面，如图2-66所示。

2.2.4 起降装置的布置

飞机要进行起飞、着陆和地面停放，就需要用到起降装置，通常也称为起落架。起降装置的功用是可以吸收着陆冲击能量，减小冲击载荷，改善滑行性能。飞机的起降装置是多种多样的，下面首先对起降装置的种类进行介绍。

2.2.4.1 起降装置的种类

飞机的起降装置多种多样，如许多飞机使用的轮式起落架（图2-67），轻型直升机和雪地起降飞机用的滑橇式起落架（图2-68），水上飞机和水上直升机使用的浮筒式起落架（图2-69，该机除了机翼两侧有浮筒外，机身也做成船身样式）；还有一些飞机使用的特殊起降装置，如无人驾驶飞机的滑轨弹射器（图2-70）和小车式起落架（仅用于滑跑，离地时与无人机分离；如图2-71）等。某些飞机还带有两种起降装置，如水陆两用飞机既有在水上起降的浮筒，也有在陆地上使用的轮式起落架。有些飞机的起飞装置和着陆装置是不同的，如无人驾驶飞机用滑轨弹射起飞（或滑跑起飞，或手抛起飞），但使用降落伞回收，如图2-72所示。轮式起落架是使用最为广泛的一种起降装置。

2.2.4.2 轮式起落架的布置形式

轮式起落架在飞机上的布置一般为三点方式，根据主轮相对重心的位置不同，起落架有三种布置形式：后三点式、前三点式、自行车式，如图2-73所示。

（1）后三点式

这种起落架布局形式，在飞机重心前并排安置两个主轮，在飞机尾部有一个较小的尾轮［图2-73（a）、图2-74］。

20世纪40年代中叶以前，后三点式起落架在装有活塞发动机的飞机上曾得到广泛应用。它的优点是：在飞机上易于安装尾轮，结构简单，尺寸、重量都较小；着陆滑跑时迎角大，可利用较大的阻力来进行减速，缩短滑跑距离。其缺点是：在大速度滑跑时，遇到前方撞击或强力刹车时，容易发生倒立；速度较大时着陆容易跳起，造成低空失速；滑跑过程中方向稳定性差；起飞滑跑时机身仰起，飞行员视界不好。

（2）前三点式

前三点起落架布局形式，在飞机重心后并排安置两个主轮，在飞机前部有一个前轮［图2-73（b）、图2-75］。

20世纪40年代后，前三点式起落架得到广泛应用。它的主要优点是：前轮远离飞机重心，允许主轮强力制动而无倒立危险，因此能有效地缩短着陆滑跑距离；飞机滑跑方向稳定性好，起飞着陆容易操纵；机身轴线与地面基本水平，可避免喷气发动机的燃气烧坏跑道；飞行员视界好。其缺点是：前起落架承受的载荷大，构造复杂，尺寸大，重量大；前轮会产生摆振现象，因此要有防止摆振的措施。

对于重型飞机，为了减小对跑道的压力，同时也为了避免机体承受过大的集中载荷，在前三点式的基础上主起落架采用多轮多支柱式起落架。图2-76（a）为美国C-5运输机起落架机轮的布置图以及主起落架的图，它共有四个主起落架，每个主起落架上有6个机轮，加上前起落架的4个机轮一共有28个机轮。图2-76（b）为俄罗斯的安-225大型运输机，前起落架有4个机轮，主起落架一边有14个机轮，共32个机轮。

（3）自行车式

自行车式起落架布局形式，两个主轮分别布置在机身下重心前后，为防止地面停放时倾倒，另有两个辅助小轮对称安装在机翼下面［图2-73（c）、图2-77］。

自行车式起落架主要用于不宜布置三点式起落架的飞机上，如上单翼的轰炸机，起落架无法安装在机翼上，而机身中部有炸弹舱口，起落架不能布置在重心附近，因而采用自行车式。自行车式起落架由于没有左右主轮，因此不能采用主轮刹车方式转弯，在前轮需加装转弯操纵装置，使得结构重量加大。另外，由于前轮离重心相对较近，承受载荷较大，起飞时不易离地，常采用伸长前起落架支柱或缩短后起落架支柱的方法来增大迎角帮助起飞。