飞机结构设计技术现状与发展趋势研究
Status and Development Trend of Aircraft Structural Design
□北京航空工程技术研究中心 李航航
□空装科订部 吴剑勇
摘 要：通过战斗机的发展对飞机结构选材和新结构的应用进行了初步分析，重点介绍了现代战斗机所采用的最新结构设计技术，并阐述了这些技术在国内外应用方面的差异和发展趋势。
关 键 词：飞机 结构 设计技术 发展
飞机的结构重量和设计水平决定着飞机的主要性能，因此，研制重量轻、价格低、性能好的飞机结构一直是结构设计人员追求的目标。近年来出现了各种新型结构、新一代结构材料和新的加工制造工艺等，如高性能铝/钢结构、铝锂合金结构、钛合金结构、复合材料结构、热塑结构、自适应结构和智能结构。
一、 总体发展态势
早在20世纪80年代，法国的达索公司就研制开发了航空工业的标准软件CATIA软件系统，1990年法国生产的"隼"2000飞机首次采用了数字化设计样机，从而取代了近百年来一直使用的实物样机。1993年，"阵风"项目全部采用了数字化设计技术，此后，世界各国对飞机的数字化设计技术展开全面研究，并取得了越来越多令人瞩目的成就。
随着计算机技术的不断发展完善，计算机辅助设计（CAD）技术、CAE技术以及可用于飞机外形设计和结构布局研究的计算流体力学（CFD）、CFX设计技术使飞机结构设计手段更加先进、完善。目前，通过高性能计算机可以完成飞机结构设计、强度计算和性能分析一体化设计，通过计算机网络技术能够实现结构设计、计算、生产工艺控制和产品加工一体化。"无纸"设计、全数字化仿真和加工控制已经不再是新鲜事物。
全数字化的高技术设计手段为先进的结构应用提供了技术基础。以F-22飞机为代表的新一代先进战斗机，不仅在结构选材、先进结构制造工艺上取得了重大技术突破，而且在飞机的结构布局形式、结构件传力分析/控制和新型结构件的广泛应用方面也有长足进展，如翼身融合结构、大边条结构、保形结构、变弯度机翼、外倾式双垂尾布局、结构/天线一体化布局、内埋式武器舱、机翼自适应结构控制和多功能结构的应用等。
二、 典型飞机结构与相关设计技术进展
第一代战斗机以美国的F-86、前苏联的米格-15等飞机为代表，结构上主要采用了中等展弦比大后掠翼结构，发动机进气方式多为机头进气，材料以铝合金、钢材为主。第二代战斗机以美国的F-4、F-111和前苏联的米格-21、米格-23等为代表，机翼采用小展弦比三角翼结构或可变后掠角机翼，机翼整体结构油箱、大型结构壁板已经使用，结构材料以铝合金、镁铝合金和钢材为主。第三代飞机以美国的F-15、F-16和俄罗斯的苏-27、米格-29飞机为代表，飞机结构广泛采用边条翼、机动襟翼、翼身融合体结构等，结构材料已经大量使用钛合金、 复合材料等。第四代战斗机以美国的F-22、俄罗斯的C-37为代表，采用翼身融合、多面体结构、外倾式双垂尾、大边条机翼或三翼面结构，复合材料用量超过24%以上，钛合金达到40%左右，整体壁板、大型结构件、复合材料结构件占据了重要地位。为此，在飞机结构设计上也采取了相应的新技术。
1. 边条翼结构设计技术
飞机结构边条翼实际上是一种组合机翼，它是由中等后掠角和展弦比的基本机翼以及位于翼根前部的大后掠角、小展弦比、尖前缘的边条组成。这种机翼既有较大展弦比、小后掠角基本翼的特点，使飞机在中、小迎角时具有良好的气动特性，又具有小展弦比、大后掠角机翼的特点，使飞机具有良好的高速特性。飞机在大迎角下，由大后掠角前缘边条产生非常强的脱体涡，在边条翼与机身上产生升力增量，脱体涡流过基本翼，对流场产生有利诱导，形成较大的升力增量。脱体涡还能控制和稳定飞机大迎角下的基本翼翼面上的流动，提高飞机的抖动和失速迎角，改善大迎角时飞机的稳定性和操纵性。
这种技术是在美国的F-5E飞机上首次使用，随后F-16、YF-17、F-18等飞机陆续采用。俄罗斯的苏-27飞机、米格-29等飞机也采用了这项技术，我国研制的第三代战斗机也应用了这项技术。
2. 翼身融合体结构设计技术
翼身融合技术是把机翼和机身光滑过渡，消除原有的明显界限，使飞机机身能够产生较大升力。该技术的优点是增大飞机的升力面，减少干扰阻力和波阻，改善飞机的翼载分布，增大机内结构空间。第三代战斗机普遍采用了这项技术，我国研制的飞机也应用了此项技术。
3. 变弯度机翼结构设计技术
变弯度机翼结构设计技术也称任务自适应机翼，它是一种有柔性前缘和后缘，翼面为连续、光滑、没有开缝或滑动接头的机翼。机翼外形及弯度可根据任务需要进行改变。可提供飞机在不同的飞行高度、马赫数下所需的升力，并尽量降低飞机的阻力，实现飞行中的直接力控制和飞行载荷控制。
变弯度机翼是由机动襟翼发展而来的。国外较早使用变弯度机翼的是F-5E飞机、苏-27飞机，我国最早使用的是J-7E飞机。该技术在后来的其他机型上得到进一步的完善和发展。
4. 保形结构设计技术
保形结构设计技术就是采用流线型外形，将飞机外挂与外形相融合的设计方法。采用这种设计的飞机燃油和/或所带的武器全部装在机身结构内部或采用半埋式武器挂架，减少了飞机的雷达散射截面积和飞行阻力，提高了飞机的机动性能。在第四代战斗机F-22上，采用保形结构设计技术实现了所有武器的内埋安装。目前，我国战斗机上在结构油箱设计中也有采用保形结构设计技术的成功范例，但是，对于外挂武器还不能做到保形结构设计。
5. 主动控制技术
在飞机总体设计阶段把控制系统与气动布局、动力选择和结构设计等项目同时加以考虑。它包括：放宽静稳定性要求、直接力控制、机动载荷控制、阵风载荷控制、飞机颤振抑制等。
常规飞机设计对飞机的静稳定性要求很严，飞机焦点必须落在重心之后。放宽静稳定性要求就是在飞机设计时，通过主动控制技术使其重心可以位于飞机焦点之前或之后，从而大大提高飞机的机动性能。
直接力控制是主动控制技术对飞行技术的一次重大革新。常规飞机在跟踪目标时，为了完成各种机动动作，必须操纵气动舵面，以产生绕飞机重心的气动力矩来改变飞机的姿态角，最终改变飞行轨迹。
主动控制技术（ACT）就是通过对飞行操纵舵面的直接控制，在不改变飞机姿态的情况下直接产生升力和侧力，使飞机作垂直或水平机动，实现飞机快速机动能力。它包含阵风载荷控制技术和颤振抑制控制技术。
阵风载荷控制是通过安装在机身上的加速度计来感受阵风加速度，由计算机控制相应的舵面偏转，使飞机升力基本保持不变，以缓和飞机对阵风的反应。
颤振抑制也是通过计算机控制操纵舵面，增加人工阻尼，从而起到抑制颤振的作用。
美国把使用主动控制技术的飞机称之为"随控布局飞机"（CCV）。我国在ACT方面也开展了一些研究，并在国产某型飞机上进行了工程样机试飞验证。
6. 隐身结构设计技术
隐身技术最早是在飞机上涂吸波涂层，如U-2、SR-71等。20世纪70年代以后，逐步开展隐身技术的全面研究，并生产出技术验证机。具有代表性的有F-117A和B-2等。在F-22战斗机上，采用了诸多的隐身结构设计技术，如蝶形机翼、近距耦合全动平尾、菱形进气道、翼身融合结构、横截面接近菱形的前机身结构以及各种口盖、前缘的锯齿形布局设计等都是与隐身技术有关的结构设计技术。国内隐身技术上还是局限于隐身涂层的应用研究，隐身结构设计基本还是空白，有待于尽快开展相关技术研究。
7. 一体化设计技术
另外，还有将飞机机体、发动机、航空电子设备、机载武器及外挂系统等作为一个整体来设计的一体化设计技术。如在F-22飞机上就采用了飞机结构/电子天线一体化设计技术。该技术是将飞机的通信/导航/电子战任务系统天线与飞机结构（蒙皮）一体化设计，使飞机结构（蒙皮）同时具备天线功能，如飞机上的VHF电台天线就是飞机垂尾的前后缘蒙皮，信标天线则与飞机的机翼前缘相融合，使飞机蒙皮成为多功能结构蒙皮。
三、主要差距分析
经过50多年的发展，我国航空技术有了很大发展，特别是结构设计与强度评估技术与国外航空技术发达国家的差距不断缩小。三代以前战斗机设计使用的各项结构设计技术我们已经基本掌握，如翼身融合技术、大边条机翼技术、整体结构油箱、大型结构件设计加工能力等均已经在某重点型号中得到成功应用。复合材料设计技术也有了长足发展，不仅在飞机的固定部件如垂尾、腹鳍上采用了复合材料结构，飞机的运动部件如鸭翼、方向舵等也采用了全复合材料结构，全复合材料舱门结构、机身结构也在实验试制当中。结构隐身技术中涂层技术在"十五"期间已经成功得到验证，结构布局设计和隐身特性测试目前正在新的型号设计当中采用；保形结构设计技术、结构与电子天线一体化设计技术则还处于预研阶段；复合材料大型整体结构件、主承力件的设计技术还有待于进一步研究；机敏结构/智能材料/多功能蒙皮设计技术也处于起步阶段。"十五"期间虽有一定资金注入，但由于投入经费很少，收效不是很大，建议"十一五"期间加大在这些技术领域内的预研投入力度。
四、发展建议
结构设计技术是与结构材料和工艺技术密切相关的，因此，在关注结构设计技术的同时必须要重视新的结构材料和先进的结构工艺的应用研究，同时，也要不断提高结构的分析计算技术。只有上述诸技术融合，才能真正实现相互间的促进。因此，提出以下建议：
（1）加大结构强度技术预研投入
结构强度技术作为飞机设计的基础，其重要性不言而喻。但是，从几个五年计划的经费投入来看，的确非常少，甚至不到其他专业技术预研经费投入的十分之一，因此，限制了结构强度专业成果的集成和应用。特别是对于具有较高的前瞻性基础技术研究项目，很难开展实质性工作。这既是一种遗憾，也是一种损失。建议从"十一五"开始，加大研究经费投入力度，同时研究确定科学的评价体系，实现项目动态管理，提高研究技术的投入产出比。
（2）不断更新完善结构分析技术研究
随着新材料、新工艺的不断发展应用，必须相应提高这些新结构的技术分析水平，包括对结构设计准则、结构设计规范与指南的研究。目前，应用于飞机结构设计的基本准则和规范是飞机结构强度规范，该规范从1985年颁布使用后，至今没有进行过任何更新。随着第三代战斗机研制经验的积累和第四代战斗机研制的新需求，迫切需要对现行的飞机结构强度规范进行更新。目前，在中国一航的组织下开展的飞机结构强度规范更新工作，主要还是参照美国国防部颁发的飞机结构（JSSG-2006）规范进行修订，更新后的新规范对我国新一代战斗机的研制必将起到重要作用，但使用中仍然面临很多问题，主要原因就是没有开展足够的专题技术验证研究。
（3）积极开展新结构、新材料的演示验证工作
新一代战斗机的高性能决定了它必须采用新结构和新材料。国内在这些新结构、新材料的应用方面缺乏经验，必须提前开展相应的技术演示验证工作。"九五"以前，由于没有加大这方面的投入，造成结构强度专业研究成果显示度低，可评估性差。"十五"期间，开展了某些特殊结构的演示验证，但与新一代战斗机的结构强度技术需求差距很大。"十一五"期间，建议能够开展全尺寸结构演示验证项目和隐身技术设计、测试项目的验证。
来源于：《航空科学技术》
寒武纪 最后编辑于 2007-12-29 11:05:02
