民用飞机机头外形设计与研究
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摘 要 本文结合机头外形设计的相关约束条件，分析了机头外形定义的关键参数，提出了一种流线型机头外形设计的方法和思路。
关键词 参数化建模；机头外形；民用飞机
中图分类号V22 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）119-0104-02
1 概述
飞机机头外形为飞机等直段之前部分的外形，包括驾驶舱视窗（主风挡、侧窗）、前起落架舱门、雷达罩和前登机门等部件的外形。机头外形设计其主要目的是为驾驶员提供足够的工作空间，保证驾驶员有良好的视野，满足机载设备的安装空间要求，在满足使用要求的情况下使气动性能最优。
2 机头外形设计相关约束
机头外形设计需要面对多方面的约束，是在矛盾中寻求一种平衡的过程，以下内容对相关约束条件进行了研究。
2.1 内部布置约束
内部布置要求的约束，包括雷达天线的包络面，侧显区域，侧壁区域，平显区域、顶部空间等。与驾驶舱内部布置密切相关的主要有两个因素，即设计眼位和座椅参考点。设计眼位（Design Eye Position）是当驾驶员处于正常驾驶状态，两眼之间连线的中点所在位置，是飞机承制方用于确定驾驶舱内部和外部视野以及驾驶舱几何尺寸而选择的一个设计基点，该点坐标为：（XE，YE，ZE）。座椅参考点（Seat Reference Point）是当座椅受到一个第50百分位数的人体载荷，其坐垫和背垫成压缩状态时，坐垫表面的一条切线与背垫表面的一条切线之间的交点，该点与眼位点位于同一展向站位平面内并通过Les、Hes两个参数确定，地板到座椅参考点的距离由Hsf参数确定。设计眼位处的上、下视线分别由Au，Ad两个参数确定，设计眼位到风挡的距离由Lwe参数确定，风挡的倾斜角度由Aw参数确定，风挡的长度则由风挡与上下视线的交点确定。如图1所示：
《民用飞机驾驶舱视野要求》（HB 7496-97）：标准左驾驶员视野如图2所示，右驾驶员视野对称。《民用飞机驾驶舱座椅设计要求》（HB 7046-94）对驾驶员设计眼位和座椅参考点的相对位置关系要求如图3所示。
2.2 结构设计约束
结构的设计约束主要体现在结构实现方面，需要能法向向内偏置offset >0.02D+25.4mm（D-机身横截面当量直径），再考虑内装饰高度25.4mm，满足结构和内装饰设计基准要求；光滑过渡、没有0厚度部位，便于结构设计制造；为机头框、地板、壁板、雷达罩、风挡、通风窗、观察窗骨架、内装饰设计提供足够空间等。
2.3 气动性能要求
飞机气动性能要求也是影响机头外形设计的一个重要的因素。机身阻力一般占整个飞机零升阻力的20%～40%，在给定动压下，阻力主要取决于形状和浸润面积。这就要求设计机头外形时尽量外形保凸，顺气流方向曲线高阶连续，最低保证曲面内曲率连续、边界切矢连续；
3 机头外形成形
3.1 机头典型剖面生成
典型剖面的生成是点到线到面的过程，通过特征点勾勒出特征线，机头的主要特征线分别为上零纵线、下零纵线、最大宽度线。确定机身等直段剖面形状，从而就确定了特征线的终止点。等直段剖面采用上圆弧、下圆弧、过渡圆弧三段圆弧构成方法，其中上圆弧为整圆的半圆，上、下圆弧圆心位机对称平面内，过渡圆弧与上、下圆弧首尾相切，可以由三个形状参数和一个位置参数进行定义：上圆弧半径Ru、下圆弧半径Rd、上圆弧圆心距飞机构造水平面的距离为机身高度Df 。如图4所示：
外形生成过程中，本文引入“机头长细比”和“飞机机头低头角”概念。机头长细比即机头长度与等值段剖面当量直径的比值，用符号λ表示，其值一般为2.0-2.5，则机头长度为Ln=Dn*λ。对于机头前点的位置采用机头的低头角参数来确定，即从等直段剖面上圆弧圆心作与水平线夹角为的直线，该直线与零框站位面的交点即为机头前点，通过改变低头角，可实现对机头前点的控制，进而控制机头外形，得到所需要的机头外形，如图5所示。
3.2 机头外形三维数模生成
确定机头的特征线后，综合考虑其他专业约束，通过对机头外形的合理分块来进行成型：最大宽度线把机头外形分为上下2部分。下半部分分为2块，即下后部和下前部。上部外形分为3块，即上后部、视窗区和视窗下前。在满足要求的情况下，尽量分块数量最小，不仅便于调整参数而且可以提高曲面质量。
按照以上介绍方法在CATIA软件设计出三维模型如图6：
4 模型分析
机头外形曲面连续性（曲率）、纵向和横向斑马线分析分析如图7-图9
通过曲面连续性分析可知曲面外形品质良好，基本保证切矢连续；从纵向和横向进行斑马线分析可知曲面具有良好的流线性及保凸性。
5 结论
本文所提出的机头外形设计方法在将来的实际工程设计中还需要对设计约束条件之间的关系有更细致的研究来分析、提炼机头外形几何参数，通过调节关键参数值实现机头外形的快速更新以满足总体设计要求以及各项外形控制约束，不断优化机头外形参数化模型。
参考文献
[1]HB 7496-97 民用飞机驾驶舱视野要求.
[2]HB 7046-94 民用飞机驾驶舱座椅设计要求.
[3]曹喜锋.驾驶舱外视界设计约束与精确分析.
[4]飞机设计手册.第5册，民用飞机总体设计.