第三章飞机的主要组成部分及其功能S1-USB迷|专注于互联网分享

2024年3月11日发(作者：冠华美)

3.1 机翼

机翼的第一个功能，也是最主要的功能就是产生升力，同时也起到一定的

稳定和操纵作用。通常在机翼上装有用于横向操纵的副翼和扰流片，可以控制

飞机的滚转；机翼前后缘部分通常设有各种型式的襟翼，用于增加升力或改变

机翼升力的分布。关于机翼的这些功能已在本教材第二章中的2.3和2.4节中有

了较详细的论述，本章不再赘述。机翼的第二个功能是将分布在其上的气动载

荷传到机身上以使全机的载荷平衡，本节侧重于第二个功能，主要介绍机翼的

传力结构。此外，机翼上还可安装发动机、起落架和油箱等。

3.1.1 典型的机翼结构

机翼的外载特点

可以把机翼看成是支持在机身上的悬臂梁或双支点外伸梁，其主要外载有

三类：空气动力载荷、其它部件、装载传来的集中载荷以及机翼结构的质量力，

如图3.1.1所示。

图3.1.1 机翼的外载荷

—空气动力分布载荷

—机翼质量力分布载荷

P—发动机或其他部件传来的

集中载荷

R—机身支反力

空气动力载荷。空气动力载荷是分布载荷，它可以是吸力或压力，直接作

用在机翼表面上，形成机翼的升力和阻力。其中升力是机翼最主要的外载荷。

其它部件、装载传来的集中载荷。机翼上连接有其它部件(如起落架、发动

机)、副翼、襟翼等各类附翼和布置在机翼内、外的各种装载(如油箱、炸弹)。

除了在以翼盒作为整体油箱情况下燃油产生的是分布载荷外，由于这些部件、

装载一般都是以有限的连接点与机翼主体结构相连，因此，不论是起落架传来

的地面撞击力或副翼等翼面上的气动载荷，以及其上各部件、装载本身的质量

力(包括重力和惯性力)，都是通过接头，以集中载荷的形式传给机翼。其中有

些力的数值可能很大。

机翼结构的质量力。机翼本身结构的质量力为分布载荷，其大小与分布情

况取决于机翼结构质量的大小和分布规律。它的数值比气动载荷要小得多。

各种质量力的大小和方向与飞机过载系数有关，其方向与升力相反，对机

翼有卸载作用。

若以载荷形式分，机翼的外载有两种类型。一种是分布载荷，以气动载荷

为主，还包括机翼本身结构的质量力，这是机翼的主要载荷形式；另一种是由

各接头传来的集中载荷(力或力矩)。

机翼的总体受力

机翼的各种外载，总要在机翼、机身连接处，由机身提供支持力来平衡。

因此在上述载荷作用下，可把机翼看作是固定在机身上的一个“梁”。当机翼分

成两半，与机身在其左右两侧相连时，可把每半个机翼看作支持在机身上的悬

臂梁；若左右机翼连成一个整体时，则可把它看作支持在机身上的双支点外伸

梁。这两种情况虽然在支持形式上有所不同，但对外翼结构来说，都可以看作

悬臂梁。

前述各种外载在机翼结构中将引起相应的内力：剪力Q、弯矩M和扭矩M

，

统称为机翼的总体受力，如图 3.1.2所示。

图3.1.2 机翼上所受的力矩和剪力

（a）机翼的总体内力（b）与外载相平衡的总体内力

—由Q

引起的、作用在垂直面内的弯矩

—由Q

引起的作用在弦平面内的弯矩

—扭矩

因为机翼的升力很大，且作用在机翼刚度最小的方向上；而阻力相对于升

力要小得多，且作用在机翼刚度最大的弦平面内。因此在进行结构受力分析时，

常着重考虑气动载荷沿垂直于弦平面的分量——升力引起的Q

、M

等。

机翼的典型结构元件

机翼一般由下述典型元件组成：纵向元件有翼梁、长桁、墙(腹板)；横向

元件有翼肋(普通肋和加强肋)以及包在纵、横构件组成的骨架外面的蒙皮，如

图 3.1.3所示。

蒙皮。蒙皮的直接功用是形成流线形的机翼外表面。

为了使机翼的阻力尽量小，蒙皮应力求光滑，为此应提高蒙皮的横向弯曲

刚度，以减小它在飞行中的凹、凸变形。

从受力看，气动载荷直接作用在蒙皮上，因此蒙皮受有垂直于其表面的局

部气动载荷。此外蒙皮还参与机翼的总体受力——它和翼梁或翼墙的腹板组合

在一起，形成封闭的盒式薄壁梁承受机翼的扭矩；当蒙皮较厚时，它常与长桁

一起组成壁板，承受机翼弯矩引起的轴力。壁板有组合式或整体式(见图3.1.4)。

某些结构型式(如多腹板式机翼)的蒙皮很厚，可从几毫米到十几毫米，常做成

整体壁板形式，此时蒙皮将成为承受弯矩最主要的，甚至是惟一的受力元件。

图3.1.3 机翼的典型结构元件

1—翼梁2—前纵墙3—后纵墙4—普

通翼肋

5—加强翼肋6—对接接头7—硬铝蒙

皮8—长桁

长桁(也称桁条)。长桁是与蒙皮和翼肋相连的元件,，如图3.1.5所示。长桁

上作用有气动载荷。在现代机翼中它一般都参与机翼的总体受力——承受机翼

弯矩引起的部分轴向力，是纵向骨架中的重要受力元件之一。除上述承力作用

外，长桁和翼肋一起对蒙皮起一定的支持作用。

图3.1.4 蒙皮

(a) 金属蒙皮 (b) 整体蒙皮(整体

壁板)

图3.1.6腹板式翼肋

图3.1.5 各种长桁

1—腹板2—周缘弯边3—与翼梁腹板

连接的弯边4—减轻孔

A—前段B—中段C—后段a—上部分

b—下部分

翼肋。普通翼肋(见图3.1.6)构造上的功用是维持机翼剖面所需的气动外形。

一般它与蒙皮、长桁相连，机翼受气动载荷时，它以自身平面内的刚度向蒙皮、

长桁提供垂直方向的支持。同时翼肋又沿周边支持在蒙皮和梁(或墙)的腹板上，

在翼肋受载时，由蒙皮、腹板向翼肋提供各自平面内的支承剪流。加强翼肋虽

也有上述作用，但其主要是用来承受并传递自身平面内的较大的集中载荷或由

于结构不连续(如大开口处)引起的附加载荷。

翼梁。翼梁由梁的腹板和缘条(或称凸缘)组成(见图3.1.7)。翼梁主要承受剪

力Q和弯矩M。在有的结构型式中，它是机翼主要的纵向受力件，承受机翼的

全部或大部分弯矩。翼梁大多在根部与机身固接（既能传递力，也能传递力

距）。

纵墙(包含腹板)。纵墙的缘条比梁缘条弱得多，但大多强于一般长桁，纵

墙与机身的连接被看作为铰接（只能传递力，不能传递力距）。腹板或没有缘

条或缘条与长桁一样强。墙和腹板一般都不能承受弯矩，但与蒙皮组成封闭盒

段以承受机翼的扭矩。后墙则还有封闭机翼内部容积的作用(见图3.1.8)。

机翼的特点是薄壁结构，因此以上各元件之间的连接大多采用分散连接，

如铆钉连接、螺栓连接、点焊、胶接或它们的混合型式如胶铆等。连接缝间的

作用力可视为分布剪流形式。

最后，构成机翼结构的除以上基本元件外，还有机翼-机身连接接头，它是

重要受力件。接头的形式视机翼结构的受力型式而定。连接接头至少要保证机

翼静定地固定于机身上，即能提供6个自由度的约束。实际上一般该连接往往

是静不定的。

(b) 整体梁

(a) 组合梁

1—上缘条2—腹板3—下缘

条4—支柱

图3.1.7 翼梁

1—机翼与机身的对接接头

2—垫板 3—与前墙腹板连接处

图3.1.8纵墙

1—腹板2—很弱的缘条

典型的机翼结构型式

机翼在载荷作用下，由某些元件起主要受力作用，其它元件起次要作用。

所谓机翼结构的受力型式是指结构中这些起主要作用的元件的组成形式。各种

不同的受力型式表征了机翼结构不同的总体受力特点。受力型式比相应的真实

机翼结构简单得多。对于组成某受力型式的各主要受力元件(如翼肋、翼梁等)，

我们并不注意它们本身的具体构造，而是着重分析它们各自的受力作用。

传统机翼的典型受力型式有：梁式、单块式、多腹板式及混合式等薄壁结

构，此外还有一些厚壁结构(如整体壁板式)的机翼。

梁式机翼。梁式机翼的主要构造特点是纵向有很强的翼梁(有单梁、双梁或

多梁等多种形式)；蒙皮较薄，长桁较少且弱，梁缘条的剖面与长桁相比要大得

多；有时还同时布置有纵墙。梁式机翼通常不作成一个整体，而是分成左、右

两个机翼——即机翼常在机身的左、右侧边处有设计分离面，并在此分离面处，

借助几个梁、墙根部传集中载荷的对接接头与机身连接(见图3.1.3)。

梁式机翼中翼梁是主要受力构件，主要承受剪力以及弯矩引起的轴力，薄

蒙皮和弱长桁均不参加机翼总体弯矩的传递。由于翼梁之间的跨度较大，因此

便于利用机翼的内部容积；与其他结构受力型式相比梁式机翼便于开口(如收藏

起落架等)而不致破坏原来的主要传力路线；机翼、机身通过几个集中接头连接，

所以连接简单、方便。

单块式。从构造上看，单块式机翼的长桁较多且较强；蒙皮较厚；长桁、

蒙皮组成可受轴向力的壁板。当有梁时，一般梁缘条的剖面面积与长桁的剖面

面积接近或略大，有时就只布置纵墙。为了充分发挥单块式机翼的受力特点，

左、右机翼一般连成整体贯穿机身。但有时为了使用、维护方便，在展向布置

有设计分离面。分离面处采用沿翼箱周缘分散连接的形式将机翼连为一体(见图

3.1.10)。

单块式机翼的上、下壁板成为主要受力构件。这种机翼比梁式机翼的刚度

特性好(这点对后掠机翼很重要)。同时由于结构分散受力，能更好地利用剖面

结构高度，因而在某些情况下(如飞机速度较大时)材料利用率较高，重量可能

较轻。此外单块式机翼比梁式机翼生存力强。它的缺点是不便于开口。

图3.1.10单块式机翼

1—长桁2—翼肋3—墙或梁的腹板

多腹板式(多梁式)。这类机翼布置了较多的纵墙(一般多于5个)；蒙皮厚

(可从几毫米到十几毫米)；无长桁；翼肋很少，但结合受集中力的需要，至少

每侧机翼上要布置3～5个加强翼肋(见图714)。当左、右机翼连成整体时，与

机身的连接与单块式类似。但有的与梁式类似，分成左右机翼，在机身侧边与

之相连。此时往往由多腹板式过渡到多梁式，用少于腹板数的几个梁的根部集

中对接接头在根部与机身相连(见图3.1.11)。

多腹板式机翼主要由上、下厚蒙皮承受弯矩。它与梁式、单块式机翼相比，

材料分散性更大。一般来说，该式机翼的刚度大、材料利用率也更好些。然而

也存在类似单块式机翼的缺点。

飞机的尾翼和舵面的结构和机翼基本类似，不再赘述。

图3.1.11 多腹板式机翼

1—纵墙2—蒙皮3—襟翼4—副翼5—纵墙的缘条

3.1.2飞机结构的一般要求及主要的结构材料

飞机结构的一般要求

与其它类型结构相比，飞机结构有其特殊性。首先，对重量特别敏感—飞

机本身的重量必须尽可能轻，以便多装人员、货物或装备，因而对结构材料要

求高；其次，飞机部件的尺寸大而刚度小——有的飞机机翼长达几十米，本身

又是薄壁结构，易变形，即刚度小（刚度是指一个结构在受力的情况下抵抗变

形的能力），因此飞机结构的精确度不易保证；还有，飞机零件的数量特别多，

装配工作量大——大型飞机的零件有几万个之多，而铆钉的数量就可达几十万，

所以装配特别费时。

一般说来，飞机结构应满足以下基本要求：

气动外形要求。当结构与气动外形有关时，结构设计应使结构构造的外形

能满足规定的外形准确度要求和表面质量要求。这些要求主要与气动阻力和升

力特性有关。为了保证飞机在气动上具有原定的良好稳定性与操纵性，机翼、

尾翼与机身不容许有过大的变形。

有足够的强度、刚度且重量要轻。结构设计应保证结构在承受各种规定的

载荷状态下，具有足够的强度（所谓强度，是指结构或材料抵抗破坏的能力），

不产生不能容许的残余变形；具有足够的刚度（所谓刚度，是指结构或材料抵

抗变形的能力）与采取其他措施以避免出现不能容许的气动弹性问题与振动问

题；具有足够的寿命等。即要求飞机构造满足一定的刚度与强度要求，但刚度、

强度太大又会导致结构重量过重，而重量太轻又会导致刚度、强度不够。因而

应该在满足设计要求所规定的刚度、强度的前提下，重量应该最轻，以便多载

人员、货物、油料，以提高飞行性能。因而，应选择强度高而重量轻的材料来

制造飞机的构件。

抗疲劳破坏能力强。飞机有许多结构常处于交变载荷的作用下，容易产生

疲劳破坏。因而结构应该有较好的抗疲劳破坏能力才能保证飞行安全。

高的可靠性和生存力。在规定的时间和规定的条件下，结构能完成规定功

能的能力称为结构的可靠性。飞机的可靠性是无故障性、维修性、耐久性和储

存性的综合指标。

飞机的生存力是指被武器击中后，能够继续飞行的能力(两架“受伤”程度相

同的飞机，如果一架还能继续飞行，而另一架不能继续飞行了，则前者较后者

的生存力强)。

使用维护要求。为了确保飞机的各个部分(包括装在飞机内的电子设备、燃

油系统等各个重要设备和系统以及主要结构)能安全可靠地工作，需要在规定的

周期，检查各个指定需要检查的地方，如发现损伤，则需要进行修理或更换。

对于军民用飞机，则需要缩短维护及检修工作的时间，以保证飞机随时处

于临战状态或者重新起飞状态。

为了保证维护、检修工作的高质量、高速度进行，在结构上需要布置合理

的分离面与各种开口。

工艺性要求。要求飞机结构的工艺性要好，即加工要快、成本要低等。这

些需结合机种、产量、需要迫切性与加工条件等综合考虑。

成本要求——经济性要求。这里所说的成本，主要是指制造成本与运营成

本(含与结构的维修有关的那部分)。如果从广义上讲，经济性要求还应包括设

计成本。

一般来说，以上各要求中，除气动外形都要保证外，对军机而言，重量要

求是第一位的；对旅客机、运输机则要同时考虑重量和经济性。而经济性要求

实质上和重量、使用维护及工艺要求均密切相关。

重量要求之所以是飞机结构设计的主要要求，是因为对军机而言，重量与

性能密切相关，减重对军机十分重要；对旅客机、运输机而言，重量与经济效

益直接相关。由于现代旅客机使用寿命长(一般可达60000 飞行小时以上)，因

此减轻结构重量意味着可增加商载（即旅客、货物、邮件等重量），在使用寿

命期内增加的经济效益将是十分可观的。

主要的结构材料

为了减轻结构重量，除了采用合理的结构形式以外，最有效的方法是选用

强度、刚度大而质量轻的材料。同时，应根据不同的飞行条件和工作环境，要

求材料有一定的耐高温和抗低温性能；要有良好的耐老化和抗腐蚀能力；要有

良好的抗疲劳性能等。此外，还要求材料应具有良好的加工性能；采用的材料

要资源丰富、价格低廉。

一般纯金属的机械性能都不太好，只有加入一种或几种金属元素后所形成

的合金才具有良好的机械性能。

铝合金。铝合金除保持了纯铝的优点(如比重小、塑性高、抗腐蚀、导热及

导电性良好)以外，还具有良好的机械性能、物理性能和工艺性能。大多数变形

铝合金都易进行切削、压力加工成形。铸造铝合金则可用砂型、金属型、压力

铸造等方法成形。一般来讲铝合金由于具有接近钛合金、结构钢的比强度、高

的比刚度性能以及工艺性能优良、成形方便、成本低廉等其他合金所不能比拟

的优点，所以，铝合金是飞机的主要结构材料(约占60%~90%)。

镁合金。在现有的工程用金属中，镁合金的密度最小，约为1.8 g/cm

，约

为铝的64%，钢的32%，因而被广泛用作航空材料。虽然镁合金的强度、弹性

模量比铝合金、合金钢低，但其比强度、比弹性模量却大致相同。更由于截面

的惯性矩随其厚度的立方比增加，故用镁合金制造刚性好的航空零件十分适宜。

镁合金很轻，具有良好的机械加工性，可广泛应用于飞机的非主要受力构

件上，还可以用来制造起落架上的刹车轮毂。另外，由于镁合金对石油和碱类

物质有抗腐蚀性，可以用来做油管和油箱的零件。

合金钢。钢具有较高的比强度，性能稳定、工艺简单、成本低廉，是制造

承受大载荷的接头、起落架和主梁等飞机构件的最合适的结构材料。航空发动

机中的很多重要零件如压气机轴、涡轮轴和各种齿轮也要用高强度钢或渗碳钢

制造。超音速飞机(M＞3)的受力框架等重要零件因在一定的温度场中工作，必

须采用中温超高强度钢。

很多航空零部件都要求材料具有良好的抗腐蚀性能和优良的高低温综合机

械性能。种类繁多的不锈钢正好能满足这些要求，例如马氏体不锈钢用来制造

压气机叶片、压气机盘、发动机机匣、环形件和大型壳体等。奥氏体不锈钢广

泛用来制造各种导管和仪表零件。因此不锈钢和结构钢在航空制造业中占有很

重要的地位。

钛合金。钛的密度小(4.5 g/cm

)，但其强度却接近于钢。用钛合金制造的飞

机结构可以明显的减轻结构重量。此外，钛合金具有良好的抗腐蚀性及超低温

性能。钛合金的主要缺点是加工成形比较困难，成本也较高。

复合材料。复合材料是由两种或多种材料复合而成的多相材料。复合材料

中起增强作用的材料称为增强体，起粘结作用的材料称为基体。一般的增强体

主要有碳纤维、石墨纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、硼纤维等高强度的纤维；基

体材料一般采用具有柔韧型的树脂，如环氧树脂、聚酰亚胺树脂等，另外还有

铝合金或钛合金等。

复合材料具有优异的性能，其密度低，强度和刚度高，抗疲劳性能、减震

性能等较好，而且可以对其力学性能进行设计，因而在航空航天结构上采用的

越来越多。

化工材料。除了以上主要工程材料外，在航空结构中还采用了种类繁多的

化工材料。例如用于连接不同部件的胶粘剂，用于制造座舱密封盖的聚碳酸脂

玻璃，用于制作航空轮胎的各种橡胶，还有为了防腐蚀甚至增加隐身性能的涂

料等。

总之，飞行器的发展，所采用的各种材料的品种都在不断发展，越来越发

挥着重要的作用。