CN85108795A - 飞机分级设计和制造方法 - Google Patents

Abstract

各种尺寸飞机分级系列的设计和制造方法，借助于这种方法，通过保持各型号之间有等比例的结构型式，最大程度地重复使用制造飞机零件、组件和部件的模具、型架、样板或其他工具，使制造成本最低。采用了前掠翼、大展弦比机翼结构，允许飞机结构型式具有前掠主机翼翼面、鸭式翼面、装在机身后部的垂直尾翼和推进系统。避免在机身中部设立主机翼的连接位置，以便于这一段机身的设计和制造，并允许利用在各种型号之间有十分相同的机身头部和尾部。

Description

本发明涉及飞机设计和制造方法，确切地说其目的是建立飞机的尺寸分级系列，这些尺寸不同的飞机之间有相同的比例关系，并且有最低的研制费用和制造成本。

各制造厂商提供给民航市场的许多型号都是按传统的指定设计方法，它们选择种类繁多的发动机，电子设备和装备的可能性要以给定的飞机机体为基础。多年来机体生产在技术上没有多大改进。这种传统设计方法需要庞大的（因而很费钱）研制和鉴定计划来消除已定设计中的缺陷，以保证满足美国联邦航空局（FAA）的标准和准则中所提出的飞行性能的要求。这种针对每种具体型号的指定设计方法在民航飞机生产线上对每种型号还需要一整套专用生产工具。因此制造商难以在其生产线中通过部分或全部重新使用生产其他不同尺寸型号中的模具、型架、样板或其他工具，以减少生产费用。

本申请人的调查表明，在航空领域内，过去尚无涉及本发明的有关技术。在美国专利4417708中，发明者Rosario    O.Negri提出了一种设计方法，可以在一个通用的机身上可互换地安装各种有不同平面形状的机翼。它显然不同于本发明所提出的分级设计和制造方法，在他那里没有考虑尺寸分级的型号系列。

在美国专利1524059中提出了制造系列飞机元件的梯形样板，每种飞机元件之间形状完全相同，尺寸按比例逐个增大。在美国专利3545085中，Halbert    C.Stewart提出了一种比例造型方法，用于布质材料的成形和悬挂。就所能调查到的情况来看，从来还没有类似的方法用来进行飞机型号的系列设计和制造。

除了航空电子技术领域以外，在过去的四十年所见到的应用于民航飞机的设计、安全和制造方面的新技术很少。尽管复合材料的使用使军用和民用飞机的单一指定设计和制造方法发生了巨大的变化，但在民航飞机方面仍基本上处于停滞状态。随着民航飞机的价格持续地扶摇上升，以及飞机销售量的不断下跌，民航工业的前景仍然是令人不安地不确定的。民航机设计和制造方面的技术大变革也许得以消除这种令人忧郁的状况。

本发明的第一个目的是减少飞机研制和鉴定费用。这是通过利用飞机分级设计方法来产生一系列多种不同尺寸飞机的单一指定设计而达到的。这些飞机外观相似，飞行相似。因为就翼面形状和外形方面而论，在系列中的这一种型号和另一种型号比例相同。系列中的各种型号配用专门的座舱和推进系统，它们被选来满足具体型号的特殊任务的要求。

本发明第二个目的是减少制造成本。这是通过最大程度重复使用生产尺寸分级系列中的各种型号的翼面、机头和机尾锥体的模具、型架、样板或其他工具来达到的。

为了能最大程度地达到上述目的，很重要的是避免在飞机的机身中部安装翼面和推进系统。只有大展弦比、后置前掠翼才是一种可能采用的结构配置。并不是直到现在才有可能去制造能经受得住扭矩和弯曲载荷的前掠翼。受有这些载荷时采用这种机翼布局并不使重量有显著的增大。复合材料的发展使前掠翼的设计成为可能。材料强度与大多数金属相同或高于大多数金属材料的复合材料还有另外一个优点，它们仅在纤维的取向方向是刚性的。因此，复杂结构可以在专门的方向适合于弯曲或适合于抵抗弯曲，或通过在母体中的互相交叉的纤维达到多方向或全方位的刚度。

附图简介

图1A是理想外形的俯视图;

图1B是理想外形的侧视图;

图1C是理想外形的前视图;

图2是展弦比为10的机翼翼展与机翼面积之间的关系曲线。曲线上的点表示附图所示飞机系列中各种型号的机翼面积和翼展;

图3是用于生产飞机分级系列中之任何型号主机翼半翼展翼面的模具的俯视图;

图4是用于生产飞机分级系列中任何型号垂直尾翼的模具的侧视图;

图5是用于生产飞机分级系列中任何型号半翼展鸭式翼面的模具的俯视图;

图6A到6H是表示推进系统各种不同安装形式的不同型号飞机尾部俯视图;

图7A到7H是在所提出的飞机系列中，对于不同尺寸型号机身的前视图。从图7A到7H按照尺寸增大的次序排列;

图8A到8H是所提出飞机系列中，不同尺寸型号的侧视图。这些飞机的机身表示在图7A到7H中;以及

图9A到9H是分别对应于图8A到8H飞机的指定设计草图的透视图。

图1的理想外形的特点在于，对前置后掠的鸭式翼面11，装在机身后部的前掠翼面12和垂直尾翼13都可以实施构成本发明的分级设计和制造技术。另外，这种外形还具有其固有的若干显著的空气动力和安全方面的优点。

首先，前掠翼在技术上有若干众所周知的空气动力优点。当倾斜时不利的侧滑和侧滑时横滚的趋势均大大降低，或完全消除。

其次，前掠机翼再加上在后部安装动力装置，可以避免将燃油和燃油管路安装在机组和乘客所在的机身范围内。

第三、在技术上，众所周知，鸭式翼面（主机翼前置的举力面）比起安装在尾部的安定面来说具有显著的优点。图1的鸭式翼面11将会消除“严重失速”问题，因为它根本不会处于主机翼翼面的尾流之中。在大冲角时，鸭式翼面引起高能量的涡系，它们掠过主机翼中部，延缓了这部分机翼在气流中的附面层分离，从而延缓了这部分的失速。此外，如果鸭式翼面的安装角大于后置机翼的安装角，那么鸭式翼面将首先失速，这时，在后置机翼达到它的临界冲角以前引起飞机头部下落。因为低空失速是民航机坠毁最主要的原因，所以采用鸭式水平翼面的飞机比起常规设计的飞机来，它提供了一个重要的安全性方面的优点。

第四、图1所示的理想外形特别适用于将发动机远距离地向后安装，这样即使有与发动机有关的火焰，也能保证最安全，因为火焰和其他热气流不能直接冲击飞机的主要结构，而是消散在自由的空气流中。

如前所述的大展弦比、前掠主机翼12必须由“现有技术发展水平”的复合材料所制成。诚然，当整架飞机都用复合材料制成时，与采用铝合金结构的按常规制成的尺寸类似的飞机作比较，则具有重量大大减少和阻力大大降低的优点。复合材料单位重量的固有强度允许设计“大过载”座舱结构，以改善粗猛着陆的碰撞安全性，而不过多地付出重量的代价。

图1理想外形的前掠、后置机翼12可以设有前缘襟翼或前缘缝翼14和全翼展襟翼15，以提高短距离起飞和着陆时的升力系数，如果具体型号有这方面任务要求的话。横向操纵可以通过使用扰流板16，或差动地使用襟翼15来达到。

安装在机身前部的鸭式翼面11提供所必须的纵向安定性和操纵性。纵向操纵能够借助于常规的升降舵17或通过像一块平板那样运动整个翼面来获得。纵向配平可借助于常规的调整片18或通过调整安定面来达到。

装在机身尾部的垂直尾翼13提供必要的方向安定性和操纵性。方向操纵是通过使用常规方向舵19来达到的，而方向配平则借助于常规的调整片20。

分级设计方法用图2中展弦比为10的翼展和机翼面积关系曲线来加以说明。点21、22、23和24分别表示对二座、四座、六座和八座的单发飞机所推荐的机翼面积和翼展。点25、26、27和28分别表示对八座、十座、十二座和十四座的双发飞机所推荐的机翼面积和翼展。

可多次重复使用的、制造八种具体型号飞机机翼、水平和垂直翼面的模具，分别表示在图3、图4和图5中，用来说明分级设计和制造方法。每个模具可以制造通用的翼面31、41和51，这些是适应尺寸分级系列范围内全部型号的模具的全长。用于双座飞机的是面32、42和52，它们具有最小的翼尖弦和翼根弦。用于四座飞机的面33、43和53不用双座飞机翼尖部分的小面34、44和54。此外，用于四座飞机的表面，在靠翼根的一端被延长和放大，以获得四座飞机所要要的翼根弦35、45和55。在整个生产线上，对每种相继的型号同样地重复这一工艺过程。重复使用制造翼面的模具、型架、样板或其他工具的程度，取决于从一种型号到另一种型号时，尺寸步长增加的幅值。当翼面的长度和宽度增加时，所要求的设计载荷也增加。在翼面是由复合材料制成的情况下，处理大翼面结构所随的附加力是必要的，这时在用于翼面结构的复合材料的敷层中增加加强材料。当翼面是用常规材料制成时，承载元件，如桁条、受力蒙皮的横截面积，要求沿整个翼展长度增加。这个按比例分级的制造方法，适用于任何梯形翼面，而与它的后掠角无关。

虽然图3、4和5的翼面用整体结构来说明，但所叙述的方法也适用于它们的各种元件，如前缘、翼梁、蒙皮壁板、可动翼面和其他必需的元件。因此，鸭式翼面、主机翼或垂直尾翼能够用几套通用的模具、型架、样板或其它工具来制造。

如图6A到6H所表示的那样，各种推进系统可以方便地安装在图1所示的理想外形上，以满足飞机尺寸分级系列范围中每一种型号的具体使用要求。单发飞机的动力装置被安置在作为机身尾部锥体一部分的发动机短舱内。双发飞机的动力装置安放在借助于支架连接在机身尾锥后端的二个发动机短舱内，使由于几何形式引起的推力不对称减至最小。在用螺旋桨驱动飞机的情况下，螺旋桨直径降低到常规飞机的75%到85%之间，并被安置在螺旋桨环罩内，以便减少噪音和振动水平，并且提高效率。在发动机输出功率增加的情况下，当螺旋桨直径保持不变时，每个螺旋桨的桨叶宽度和数目增加。图6A和6B分别表示单台和双台普通活塞式发动机的安装情况。图6C和6D分别表示单台和双台涡轮螺旋桨发动机的安装情况。图6E和6F分别表示单台和双台涡轮风扇发动机的安装情况。图6G和6H分别表示单台和双台螺桨风扇发动机的安装情况。

图7A到7H是选来表示分级设计和制造方法的八种型号机身的前视图，它们按尺寸逐步加大的次序排列。图8A到8H为八种与图7A到7H相同型号机身同样按尺寸增加次序排列的侧视图。图9A到9H为八种与图7A到7H相同型号的飞机按尺寸逐步增大的次序排列的透视图。

不同型号的飞机机身之间的许多共同之处具有重大意义。这八种飞机所采用的从81A到81H的锥形机头是由同样的模具制造的。对于较大的型号，在应力增加的区域添加额外的加强件。四种单发飞机所采用的从82A到82D的机身尾段，是由公用模具制造的，对于较大的型号，在其应力增加区添加额外的复合材料加强件。四种双发飞机采用由公用模具制造的83E到83H的机身尾段，对于较大的型号，在应力增加区添加额外的复合材料加强件。所有双发飞机所采用的机身驾驶舱部分，从84E到84H是由公用模具制造的。只是机身的客舱部分，由于各种型号之间变化较大，应随着座席的增加相应增加它们的宽度和长度。

虽然在图8A到8H中机身被描述为由三部分组成，但是这些部分的制造过程，无疑完全可以分解成小单元来进行，例如纵梁、桁条、框、蒙皮壁板等，然后用它们组装成一个完整的机身。

虽然已经介绍了本发明的最佳实例，但只要符合本发明所规定的精神神，并在所附的权利要求范围之内，可以设计和修改出其他的实施方案。

Claims (33)

1、制造飞机尺寸分级系列中具体型号的方法包括下列步骤：

用对该系列所有型号共用的第一套工具生产该具体型号专用的机身头部锥体。该第一套工具具有固定的和可变的二种参数；

用对该系列所有型号共用的第二套工具生产该具体型号专用的机身尾段。该第二套工具具有固定的和可变的二种参数；

用第三套具有固定和可变参数的工具制造专用于该具体型号的梯形鸭式翼面；

用第四套具有固定和可变参数的工具制造专用于该具体型号的梯形主机翼翼面；

用第五套具有固定和可变参数的工具制造专用于该具体型号的梯形垂直尾翼；

生产与该型号任务要求相配的机身中段；

将该机身头部锥体与该机身中段的前端相连接；

将该机身尾段与该机身中段的后端相连接；

将该鸭式翼面装在该机身头部锥体上；

将该机翼装在该机身尾段上；

将垂直尾翼装在该机身尾段上；以及

将对该型号来说功率适当的推进装置固定到该尾段上去。

2、权利要求1所述制造方法中提到的该第一套工具的固定参数，包括确定该机身头部锥体外表面的尺寸和曲率。可变参数包括加强该机身头部锥体承载区的方法，以便与该具体型号的载荷相匹配。

3、权利要求1所述制造方法中提到的该第二套工具的固定参数，包括确定该机身尾段外表面的尺寸和曲率。可变参数包括加强该机身尾段承载区的方法，以便与该具体型号的载荷相匹配。

4、权利要求1所述制造方法中提到的该第三套工具可利用来生产通用的鸭式翼面，它的翼根弦与该系列中最大型号的鸭式翼面的翼根弦在尺寸上是相同的，而它的翼尖弦与该系列中最小型号的鸭式翼面的翼尖弦是相同的。

5、权利要求4所述制造方法中提到的该第三套工具的固定参数，包括确定该鸭式翼面外表面形状的固定曲率，而可变参数包括该鸭式翼面承载元件强度的可调性以及翼根和翼尖弦长的可调性，并因此其翼展也必然是可调节的。

6、权利要求5所述制造方法中提到的该第三套工具包括分别用于该鸭式翼面固定部分和可动部分的成套工具。

7、权利要求1所述制造方法中提到的该第四套工具可用于生产通用的主机翼翼面，它的翼根弦与该系列中最大型号的主机翼翼面的翼根弦在尺寸上是相同的，而它的翼尖弦与该系列中最小型号的主机翼翼面的翼尖弦长是相同的。

8、权利要求7所述制造方法中提到的该第四套工具的固定参数，包括赋予该主机翼翼面的外表面的固定曲率，而可变参数包括该主机翼翼面承载元件强度的可调性以及翼根和翼尖弦长的可调性，并因此其翼展也必然是可调整的。

9、权利要求8所述制造方法中提到的该第四套工具包括分别用于该主机翼翼面固定部分和可动部分的成套工具。

10、权利要求1所述制造方法中提到的该第五套工具可用于生产通用的垂直尾翼，它的翼根弦与该系列中最大型号的垂直尾翼的翼根弦在尺寸上是相同的，而它的翼尖弦与该系列中最小型号的垂直尾翼的翼尖弦长是相同的。

11、权利要求10所述制造方法中提到的该第四套工具的固定参数，包括确定该垂直尾翼外表面的固定曲率，而可变参数包括该垂直尾翼承载元件强度的可调性以及翼根和翼尖弦长的可调性，并因此其翼展也必然是可调的。

12、权利要求11所述制造方法中提到的该第四套工具包括分别用于该垂直尾翼的固定部分和可动部分的成套工具。

13、用一套模具、型架、样板或其它工具，制造尺寸分级系列中之一种在宽度和厚度方面是直线尖削的翼面的方法。这套工具可用来生产通用翼面，它的翼根弦与该系列中最大翼面的翼根弦在尺寸上相同，而它的翼尖弦与该系列中最小翼面的翼尖弦长相同。

14、权利要求13所述制造方法中提到的该套工具具有固定和可变的二种参数。

15、权利要求14所述制造方法中提到的该固定参数包括确定该翼面外表面的固定曲率，而可变参数包括该翼面承载元件强度的可调性以及翼根和翼尖弦长的可调性，并因此其翼展也必然是可调整的。

16、用一套工具制造鸭式翼面尺寸分级系列中之一种翼面的方法。这套工具可用来生产通用翼面，它的翼根弦与该系列中最大翼面的翼根弦在尺寸上相同，而它的翼尖弦与该系列中最小翼面的翼尖弦长相同。

17、权利要求16所述制造方法中提到的该套工具具有固定的和可变的二种参数。

18、权利要求17所述制造方法中提到的该固定参数，包括确定该翼面的外表面固定曲率，而可变参数包括该翼面承载元件强度的可调性以及翼根和翼尖弦长的可调性，并因此其翼展也必然是可调的。

19、权利要求1所述制造方法中提到的该第一套工具包括一组模具。

20、权利要求1所述制造方法中提到的该第一套工具包括一组型架。

21、权利要求1所述制造方法中提到的该第一套工具包括一组样板。

22、权利要求1所述制造方法中提到的该第二套工具包括一组模具。

23、权利要求1所述制造方法中提到的该第二套工具包括一组型架。

24、权利要求1所述制造方法中提到的该第二套工具包括一组样板。

25、权利要求1所述制造方法中提到的该第三套工具包括一组模具。

26、权利要求1所述制造方法中提到的该第三套工具包括一组型架。

27、权利要求1所述制造方法中提到的该第三套工具包括一组样板。

28、权利要求1所述制造方法中提到的该第四套工具包括一组模具。

29、权利要求1所述制造方法中提到的该第四套工具包括一组型架。

30、权利要求1所述制造方法中提到的该第四套工具包括一组样板。

31、权利要求1所述制造方法中提到的该第五套工具包括一组模具。

32、权利要求1所述制造方法中提到的该第五套工具包括一组型架。

33、权利要求1所述制造方法中提到的该第五套工具包括一组样板。

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