机身的长细比(Fineness Ratio)

图 1:协和式客机 (Concorde)

机身的长细比 (Fuselage Fineness Ratio),是指机身长度与机身最大横截面的当量直径的比值 lF/dF长度/直径)。

短而宽的机身,长细比小;长而窄的机身,长细比大。飞机的长细比在6左右时,管阻力最小。然而机身越长,尾部控制面的力矩臂越长,尾翼则更小且阻力更低。最理想的长细比是8,拉伸版的飞机可以达到14,但是压缩版的几乎不会小于5。如果最初设计一架新飞机时选定的长细比为8, 也就是阻力比较小的机身。后续阶段也可以制造拉长或者压缩系列。客机的平均长细比为9. 以上这些仅适用于亚音速客机。 对于超音速客机,长细比必须尽可能地大以提供可接受的乘客舒适度。 协和号的长细比为16.7

表 1:机身长细比常用值

现代客机的大部分机身采用了圆柱形截面,长细比通常要比理想值高得多。目的是为了提高强度,并且提供统一宽度以简化座椅布局和航空货物装卸。设计师在选取长细比时,会考虑诸如座位安排或货盘尺寸之类的外部因素影响。比如一旦知道了旅客人数和剖面座位数,客机的机身长度和直径也就基本确定了。

表 2

当飞机接近声速时,在较大曲率的区域会形成冲击波。这些冲击波抵消掉了部分引擎提供的能量。这是一种新的阻力形式,即波动阻力,其峰值约为速度在略低于临界马赫数时的阻力的三倍。为了使波动阻力最小化,飞机的曲率应保持最小,这意味着更高的长细比。这就是为什么高速飞机的机头和机尾较长且驾驶舱顶与机身线齐平。从技术上讲,超音速的最佳性能设计方案有两种:一种是指向两端的“西亚斯一哈克旋成体”(Sears-Haack body);另一种是具有钝尾的鼻锥体设计(Nose cone design)。

具有更高长细比的飞机的引入也引入了一种新形式的不稳定性,即惯性耦合。 随着发动机和驾驶舱从飞机质心移开,这些质量的滚动惯性逐渐增长,甚至超过了表面的空气动力。 不过此问题可以通过采用超大型控件和稳定性增强系统等来解决。

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