飛機尾翼結構教學資料1尾翼結構概述尾翼用于保證飛機的縱向和航向的平衡與安定性，以及實施對飛機的縱向、俯仰和航向的操縱。—般常規(guī)飛機的尾翼由水平尾翼和垂直尾翼兩部分組成。水平尾翼由水平安定面和升降舵組成；垂直尾翼由垂直安定面和方向舵組成。升降舵和方向舵統(tǒng)稱為舵面。從本質(zhì)上說尾翼的直接功用也是產(chǎn)生升力，因而尾翼的設計要求和構造與機翼十分類似，通常都是由骨架和蒙皮構成，但它們的表面尺寸—般較小，厚度較薄，在構造形式上有—些特點。隨著飛機的不斷發(fā)展，為了改善跨聲速和超聲速飛行器在高速飛行中的縱向操縱性，如今許多超音速飛機(尤其是高性能的戰(zhàn)斗機，如俄羅斯的蘇-27、美國的F-15“鷹”戰(zhàn)斗機等)都將水平尾翼設計成可偏轉的整體，稱為全動平尾。(a)晉通尾翼布局(b)T形尾布局圖1-31尾翼的典型布局2安定面的結構特點及布局安定面的結構和翼面基本相同，受力特性也相同。但安定面不同于機翼結構設計的特點是安定而內(nèi)很少有裝載，故安定面完全可以按受力要求進行結構設計。安定面的結構布局及承力系統(tǒng)的安排是否合適，對結構效率有重要影響。同時尾翼的氣動布局形式不同，安定面的結構布局與承力系統(tǒng)安排也有所不同。普通尾翼與T形尾翼的典型布局如圖1-31所示。安定面常采用的結構布局形式有梁式、單塊式、多墻式、整體式、全蜂窩式或混合式等。輕型飛機的安定而大多采用雙梁式（后梁為主)或一粱(后)一墻(前)式結構?，F(xiàn)代速度較高的飛機一般采用雙梁(或多梁)、壁板和多肋的單塊式結構。使用多梁的目的是增大結構剛度，提高防顫振特性，例如，波音-747和波音-767的水平安定面和垂直安定而都是雙梁加—輔助前梁(前墻)的雙閉室結構?，F(xiàn)代的高速運輸機還有采用由數(shù)根梁、密排翼肋和變厚度蒙皮組成的結構，其翼面不用桁條，這種形式的制造成本低、抗扭剛度高，尤其對防顫振有較好的效果。這種設計已用于波音-707和波音-727的水平安定面上。安定面通常將后梁設計成主梁，且在懸掛接頭處布置有加強肋，如圖1-32所示。這是因為舵面一般懸掛在后面，而尾翼的載荷特點是舵面載荷大。水平安定面與機身有兩種連接方式。一種是固定式，水平安定面分段，在機身側面，固定在機身上；或者整個水平安定面貫穿機身，前后用4個接頭固定在機身上。另—種是可調(diào)式，水平安定面的安裝角可凋，應用在—些高亞聲速運輸機上，目的是提高平尾的配平效率?？烧{(diào)式水平安定面中央翼盒貫穿機身，后面用兩個鉸鏈接頭支撐在機身加強框上，前面用1-2個接頭連制動器，飛行中可以通過制動器調(diào)節(jié)安定而的迎角，改變飛機的俯仰角，對飛機起配平作用。它的優(yōu)點是比舵面的配平阻力小。近代許多大型運輸機如1-1011、DC-10(如圖1-33所示)和波音系列客機都采用這種形式。安裝兩個制動器可以使安定面的支撐及操縱具有破損安全特性。也有的飛機是在前梁的正中間單獨裝有—個螺旋操縱機構，此時應將連接接頭本身設計成具有損傷容限特性，如圖1-32(d)所示。可調(diào)式水平安定面引起的結構問題是機身開缺口，影響尾段結構受力特性，還要增設密封板。(a)波音747尾翼(b)C-133尾翼1-安定面前梁；2-安定面后梁；3-墻：4-舵面梁；5-方向舵；6-次強框；7-強框；8-加強框；9-可拆卸前緣；10-壁板；11-鋁蜂窩：12-鉸鏈肋；13-玻纖蜂窩；14-可更換的后緣；15-配重；16-檢查口圖1-32安定面的結構布置與對接加強框的布置除個別飛機的垂直尾翼可動（如SR-71飛機具有全動式垂直尾翼）外，絕大多數(shù)飛機的垂直安定面是不可動的，安裝固定在后機身上。根部連接處安定面梁與機身隔框有轉折，需要沿機身縱向布置加強的構件承受和傳遞安定面梁傳來的分彎矩，有些飛機將垂直安定面的梁直接插入機身，與機身加強框結合—起成為斜加強框。這樣可以直接將彎矩傳到機身結構上，避免在機身上因使用接頭而帶來疲勞問題。T形尾翼的垂直安定面，由于平尾固定在垂尾上，還必須能承受水平安定面?zhèn)鱽淼妮d荷。T形尾翼的垂直安定面，常用較厚的對稱翼型，翼盒結構有較大的剛度，—定程度利于解決T形尾翼突出的顫振問題，該種垂直安定而的結構布局形式多采用雙梁式（或多梁式）或雙梁單塊式。尤其是裝有可調(diào)安裝角平尾的丁形尾翼垂直安定面，雙梁式或雙梁單塊式翼盒結構的前梁用來安裝操縱下尾的助力器，后梁上安置支撐平尾翼盒的樞軸，這些連接點直接承受平尾傳來的集中力。T形尾翼垂直安定面的翼展比常規(guī)的翼展約短三分之—，而它所需要的結構剛度卻比常規(guī)大。因此，其盒段結構采用蒙皮—桁條加強板或整體加強板(整體式)最適合這種要求。1-蒙皮；2-翼肋；3-檢查口蓋；4-制動器螺桿連接接頭；5-加強版；6-隔框；7-水下安定面樞軸圖1-33水平安定面的中央翼盒3全動平尾當飛機超聲速飛行時，因激波后的擾動不能前傳，舵面偏轉后不能像亞聲速流中那樣同時改變安定而的壓力分布，共同提供操縱力或平衡力，因此尾翼效能下降。而飛機的縱向穩(wěn)定性卻因翼面壓力中心后移而大大增加，二者之間產(chǎn)生了矛盾。為了提高尾翼的效能采用了全動平尾。全動平尾是指整個平尾可繞某一軸線偏轉，起操縱面的作用。(1)轉軸的形式及位置確定1)轉軸的位置在確定全動平尾的轉軸位置時，要綜合考慮如下因素：轉軸的位置和平尾的防顫振品質(zhì)有很大關系，一般說轉軸靠前有利于改善防顫振品質(zhì)；盡可能利用平尾內(nèi)有利的結構高度來布置轉軸，以減輕轉軸的質(zhì)量，提高轉軸的承載能力；盡量減小平尾氣動合力至轉軸的力臂，以減小鉸鏈力矩。對后掠式平尾而言，亞聲速壓心位置約在28％～30％平均氣動弦處，超聲速壓心在50％平均氣動弦左右。為了減小鉸鏈力矩應使亞聲速鉸鏈力矩的最大值等于超產(chǎn)速鉸鏈力矩的最大值，因而轉軸應落在兩壓心之間的某個位置。通常把軸線布置在兩個壓心的中間位置，約占平均氣動弦的40％，如圖1-34所示。轉軸在此位置結構高度較高。圖1-34全動平尾的轉軸前后位置的確定2)轉軸的形式全動平尾常采用的轉軸形式有直軸式、斜軸式、轉軸式、定軸式及直斜軸的混合式等。直軸式是指轉軸垂直于飛機的對稱軸線，如圖1-35（a）所示。斜軸式是指轉軸具有—定的后掠角，如圖1-35(b)所示。直軸式在機身內(nèi)容易布置，操縱機構也較簡單，轉軸質(zhì)量比較輕。如果轉軸要伸入平尾內(nèi)，對于大后掠角平尾，轉軸的結構高度將受到平尾結構高度的限制，在根部，軸所在位置靠近后緣，結構高度小，受載不利，軸的質(zhì)量特性差。當平尾為平直翼或中等后掠或后緣較平直時，宜采用直軸式。斜軸式正好相反，對大后掠角的平尾，宜采用轉軸伸人平尾內(nèi)的斜軸式，轉軸可以更好地利用結構最大高度，鉸鏈力矩也比較小。轉軸式千尾的軸與尾翼連接在—起，用固定在轉軸上的搖臂操縱轉軸，平尾與轉軸一起偏轉，如圖l-36(a)所示。定軸式的軸不動，固定在機體上；尾翼套在軸上繞軸轉動；操縱接頭則布置在尾冀根部的加強肋上，如圖1-36(b)所示。與轉軸式相比，由于定軸式的操縱點和軸之間的力臂有時可設計得比轉軸式長，可使操縱力相對較小，尾翼受力較好。缺點是在尾翼結構高度內(nèi)要安放軸和軸承，限制了軸徑，對軸受力不利；此外須在機體十開弧形槽，對機體有所削弱。轉軸式的優(yōu)、缺點與之相反。圖1-35直軸式和斜軸式全動平尾示意圖圖1-36轉軸式和定軸式全動平尾示意圖圖1-37單塊式過渡到集中1-垂直尾翼；2-助力器；3-蜂窩結構；短粱形式的全動平尾4-全高度蜂窩構圖1-38F-14全動平尾(2)全動平尾的結構特點全動平尾的結構形式直接與轉軸形式有關，它的選取應綜合考慮有關因素。常見的結構形式主要為單梁式、單塊式過渡到集中短梁的形式、雙梁單塊式或多梁單塊式等。單梁式全動平尾的主梁沿轉軸一直延伸到翼梢，彎矩全由主梁承受，主要用于翼型厚度較大、后掠較小及載荷量級不大的轉軸式全動平尾。單塊式過渡到集中短梁的形式，外段采用剛度較好，結構效率較高的單塊式，在根部轉成梁式，以便載荷向轉軸過渡，如圖1-37所示。此種結構形式常用于轉軸式全動平尾，主要是由于轉軸式全動平尾上的彎矩、剪力和扭矩都要集中到轉軸上，然后由轉軸傳給機身的特點決定的。雙梁單塊式或多梁單塊式結構，布置有兩個或多個梁(或墻)，較適合定軸式全動平尾的受力特點，即轉軸僅受剪力、彎矩，不受扭。平尾上的載荷不必全都集中在轉軸上，具有一定的破損安全特性。對于馬赫數(shù)Ma=2左右的飛機，在設計全動平尾時需特別注意保證它的局部剛度及整體剛度中的扭轉剛度，常采用整體壁板構成整體式結構以滿足剛度要求。隨著新材料和新結構的應用，全動平尾出現(xiàn)單梁、雙梁和多梁復合材料結構等新的結構形式。如多梁復