飞机性能分析的原始数据

介绍飞机性能分析的主要原始数据飞机的平飞性能飞机的平飞性能参数介绍飞机的平飞性能2/60前面讨论了飞机在飞行中空气动力的产生和变化规律即空气动力学问题从这一章开始我们要研究飞行重心的移动和绕重心的转动两类问题。飞机的移动是把飞机的质量集中到重心即把飞机当作质点讨论在外力空气动力、发动机推力或拉力和重力作用下重心的运动特性也就是研究力的平衡问题。通常用来解决飞机飞多快、多远、多高、多久以及飞机的机动性能、起落性能等问题。这就是本章所要讨论的飞机的飞行性能。飞机绕重心的转动将在下一章研究。31飞机性能分析的原始依据32飞机的平行性能31一、飞机重量G二、空气动力R三、发动机推力P31讨论飞机的飞行性能就是分析作用在飞机上的外力和飞机重心运动之间的关系因此分析飞机的飞行性能就必须首先知道作用在飞机上的外力以及这些外力与飞行速度、飞行高度之间的关系。在正常飞行中作用在飞机上的外力有飞机的重力G空气动力R发动机的推力或拉力P。各种飞行情况下G、R、P的大小及它们的变化规律就是分析与计算飞行性能所需要的原始数据。一、飞机重量G通常对给定的飞机在各种使用情况下的重量或重量的突然变化如投弹、扔副油箱等都是事先可以确定的。因燃料消耗而引起的重量逐渐变化的规律则可根据发动机的耗油特性来确定。在飞行过程中飞机重量在不断的变化。为了简化计算在性能计算时常常把飞机重量当作一个已知的常量。为了使计算较为合理有时对不同的性能计算问题采用不同的重量。对一定的飞机来说飞行中作用在飞机上的空气动力R取决于飞机的飞行速度、高度和气流与飞机的相对位置。根据空气动力学的处理方法将空气动力R分解为升力Y阻力X和侧力Z并表示为式中、分别称为飞机升力系数、阻力系数和侧力系数。侧力Z是垂直于升力Y和阻力X的。通常飞机主要作无侧滑飞行此时侧力系数。ACCZACCXACCYZXY2222121210ZC二、空气动力RYCXCZC三、发动机推力P涡轮喷气发动机的推力一般与发动机转速N、飞行速度C和飞行高度H有关。通常进行飞行性能计算时需要的发动机推力P一般以曲线形式给出。这类曲线包括转速特性、速度特性和高度特性。所谓发动机的转速特性是指在一定的飞行速度C及高度H下发动机的推力P和燃料消耗率与转速的关系。当发动机转速即油门的开度不变时推力及燃油消耗率随飞行速度及高度的变化关系称为涡轮喷气发动机的速度和高度特性。见图331332。关于发动机燃料消耗率的变化在讨论续航性能时再作介绍。EC由图332可见涡轮喷气发动机推力随飞行速度的加快而增大而随飞行高度的增加而减小。在低空和小M数H02公里M005推力随速度的加快而略有下降。随着飞行速度的增加喷气发动机推力由于通过发动机的空气流量相应增大而增大。随着飞行高度的增加由于空气密度减小而引起发动机流量减小发动机推力相应减小。当涡轮喷气发动机安装在飞机上因安装部位不同进气道形式及尾喷管不同从而引起不同程度的推力损失。这样真正作用于飞机发动机的推力就将低于发动机特性曲线给出的数值用P来表示。很明显与P的关系应是称为效率系数。通常飞行性能分析与计算时应根据具体情况确定出随飞行状态的变化规律然后加以引用。最低可至07左右。可用PPP可用132一、飞机等速水平直线运动方程式二、平飞所需速度三、平飞所需功率四、简单推力法五、简单推力法确定飞机平飞性能32飞机的平飞性能是根据飞机在垂直平面内的等速水平直线飞行来确定的。所谓垂直面的等速水平直线飞行是指飞行航迹所在垂直平面与飞机的对称平面重合飞行航迹为一水平直线沿航迹各点的速度始终不变的飞行情况。等速水平直线飞行是飞机整个飞行过程中最简单也是最常见的运动形式是认识更复杂的运动形式的基础。本节首先建立平行运动方程式以及满足等速平飞所需的飞行速度和推力。然后着重分析平飞性能。一、飞机等速水平直线运动方程式飞机在垂直平面内等速直线飞行的情况如图333所示。飞机在等速直线水平飞行时作用在飞机上的外力有飞机飞行重量G发动机的可用推力升力Y和阻力X。此时这四个力均在飞机的对称平面内。为了简便起见假定这四个力都通过飞机的重心而且推力与阻力方向相反略去P的脚注“可用”。为了建立运动方程式在飞机运动的垂直平面内取通过飞机重心的动坐标OXY。其中OX轴沿飞行速度方向OY轴与OX轴相垂直并指向座舱方向。可用P根据牛顿第二定律FMA飞机重心在垂直平面内运动的方程式为式中、分别为外力在X轴和Y轴方向投影的代数和M为飞机的质量为飞机重心在X轴方向航迹的切线方向的加速度为飞机重心在Y轴方向航迹法线方向的加速度。由于是等速运动切向加速度由于是直线运动法向加速度。飞机等速直线运动的方程式为YFXF22DTYD22DTXD22DTXD2222DTYDMFDTXDMFYX022DTYD上式实际上是一组静力平衡方程式飞机的等速直线飞行可以认为飞机的重心是处于受力平衡状态。上式是研究飞机在垂直平面内等速直线平飞、上升和下滑的基本方程式。飞机等速直线平飞是一种等速直线运动。其受力情况如图333所示。将外力分别投影到X轴和Y轴根据332式可得或00YXFFGYXPGYFXPFYX00上式就是飞机等速直线水平飞行的近似方程式。该式表明为保持飞行速度不变推力同阻力应相等。为保持飞行高度不变升力同重力应相等。上述保持平飞的两个条件也并不是各自孤立的而是互相依存互相联系的。其中任何一个条件不能保持都会引起飞行高度和飞行速度发生变化。比如升力与重力不平衡飞机的运动轨迹必将向上或向下弯曲而引起飞行高度发生变化。并且当运动轨迹变化以后在重力的作用下飞行速度亦将发生变化。又比如推力和阻力不平衡飞行速度发生变化势将导致升力也发生变化使飞机由直线运动转变为曲线运动。这样飞行高度也必然发生变化。为了保持上述各力的平衡关系不被破坏各力绕重心的力矩还必须取得平衡。例如俯仰力矩不平衡引起机翼迎角改变升力和阻力随之改变。各力的平衡关系将无法保持。二、平飞所需速度保持平飞需要有足够的升力以平衡飞机重量。为了产生这一升力所需的飞行速度叫平飞所需速度。用符号表示。在平飞中升力应与重力相等即据此可推出平飞所需速度的计算公式为以上式可知影响平飞所需速度的因素育四个即G、和S。其影响情况是飞机重量GACCYGY221平飞CACGCY2平飞YC平飞C重为保持平飞所需的升力最大在其它因素不改变的条件下平飞所需速度势必增大飞机重量轻平飞所需速度就小同理机翼面积A小就大反之A大则就小空气密度小就大。反之大就小飞机升力系数大小。反之小就大。对同一架飞机来说机翼面积是不变的。在一定高度上平飞空气密度也是不变的。飞机重量除了因载重改变会有所改变外在一般情况下变化不大。由此可见在同一高度上飞行平飞所需速度主要是随升力系数的变化而变化。迎角不同升力系数也不同可见平飞所需速度与迎角有密切的关系。在小于临界迎角的范围内以YCYC平飞C平飞C平飞C平飞C平飞C平飞C大迎角平飞升力系数大平飞所需速度小以小迎角平飞升力系数小平飞所需速度大。所以平飞中每一个迎角均有一个相对应的平飞所需速度。一平飞所需推力飞机在一定高度上以不同的飞行速度进行等速直线平飞时所需要的发动机推力称为平飞所需推力用表示。平飞需用推力与阻力相等即将334式代入上式即得平需PACCXPX221平需ASCGCPYX221平需代简后便得从以上推导可知式中与平飞所需推力之间关系表明了当迎角改变时平飞所需速度和阻力系数两者对平飞所需推力的影响。因为升阻比K故上式可写为由此可见平飞所需推力与飞机重量成正比而与飞机的升阻比成反比。即是说飞机重量越重平飞所需推力越大升阻比越大平飞需用推力越小。XYCCGP平需KGP平需XYCCXYCC二平飞所需推力曲线当高度一定时平飞所需推力随飞行速度C变化的曲线叫做平飞所需推力曲线或平飞需用推力曲线。平飞需用推力曲线是分析飞机性能的主要依据。当给出了一架具体飞机的极曲线以后就可以用前式按下述步骤来计算每一给定高度上的平飞需用推力曲线。1、当高度一定时空气密度可由标准大气表查得。2、对于给定的速度C或M数可以由前相关工式算出对应的C值。3、根据或M数由极曲线查出并算出升阻比K。4、根据飞机的飞行重量按前式算出。5、以纵坐标表示平飞所受推力以横坐标表示平飞平需P速度根据算出的和给定的平飞速度就可画出平飞所需推力曲线如图334所示。在图334中还给出了迎角A的变化趋势。可以看出在一定高度下随着平飞速度增加平飞迎角是逐渐降低的。反之迎角则逐渐增加。迎角的这一变化趋势在平飞所需速度与迎角的关系中已作了说明。从图334中可以看出涡轮喷气飞机平飞所需推力随飞行速度变化的般趋势1、亚音速阶段在亚音速范围内飞行时因为飞机升阻比的大小基本上只取决于飞机迎角的变化。即是说以有利迎角平飞升阻比最大平飞所需推力最小。而以大于或小于有利迎角平飞所需推力随着升阻比的减小而增加。平飞所需推力最小时所对应的速度为有利速度。平需P2、跨音速阶段在跨音速范围内飞行时随着飞行速度的增加波阻迅速增大这使升阻比急剧降低平飞所需推力约与速度的五次方成正比地急剧增长这就是为什么在跨音速范围内飞行时飞机加油门使发动机的推力增加很多而飞行速度却增加不多的道理。3、超音速阶段在超音速范围内平飞时因阻力系数随飞行速度的增加而减小其所需推力随飞行速度加大而增长的程度就要比跨音速范围内的缓和。通常要对不同给定高度重复上述计算从而得出不同高度的需用推力曲线。图335为某飞机在不同高度上的平飞需用推力曲线。飞机高度升高时空气密度下降对应于同值要保持乎飞则平飞速度要增大所以平飞所需推力曲线随高度的升高而向右移见图335。YC三、平飞所需功率平飞中需要一定的推力来克服阻力而对飞机作功每秒钟所需作的功就是平飞所需功率。平飞所需功率可用下式求得即从上式看出平飞所需功率的大小决定于平飞所需推力和平飞速度的大小。其中任何一个因素变化均引起平飞所需功率增大。同平飞所需推力一样也可作出平飞所需功率曲线。平飞所需功率曲线其形状与平飞所需推力曲线相似故此不予给出。平飞所需功率曲线也是分析飞机基本飞行性能的依据。马力平飞平需平需75CPN四、简单推力法从飞机在垂直平面内等速直线运动方程式出发利用飞机的极曲线和发动机特性曲线确定飞机的基本飞行性能的方法就称为简单推力法。五、简单推力法确定飞机平飞性能确定飞机平飞性能时把不同高度上平飞需用推力曲线和相应高度上的满油门状态可用推力曲线按同一坐标绘制在一张图上该图称为推力曲线图如图336所示。通常飞机重量可用一个平均重量为起飞重量为降落重量。飞机的平飞性能主要包括最大平飞速度、最小平飞速度、平飞速度范围、有利速度和经济速度等。平均1021GGG0G1G一最大平飞速度二最小平飞速度三飞行范围四有利速度五经济速度六巡航速度一最大平面飞速度飞多快是指量大平飞速度这是一架飞机速度快慢的指标。飞机经常作水平飞行。在水平飞行情况下的最大速度在作战或运输中最有代表意义。所谓最大平飞速度是指一架飞机在水平飞行条件下在一定距离内一般应不小于3公里发动机在加满油门时所能达到最大的速度。通常以符号来表示。飞机以最大平速度飞行不能维持很久因为这时发动机的推力达到最大若是时间太长就会使发动机遭到损坏。同时消耗的燃油也太多这和人跑百米一样以跑百米的速度跑长跑人是受不了的。同样的飞机在作长途飞行时也不能以最大平飞速度而是以巡航速度飞行。以巡航速度飞行时最经济航程也最远。MAXCMAXC无论歼击机轰炸机都需大的。连运输机也需要高一些。但是其中也有主次。对歼击机来说更重要一些歼击机靠它来追上敌机予以歼灭。同时也靠它退出战斗争取主动。现代优良的歼击机的最大平飞速度约为每小时2000到2500公里M数大于2有的也有M数达到或超3的。创造世界纪录的飞机都是以最大平飞速度的大小作为评判标准的。要提高飞机的最大平飞速度一方面要尽可能增大发动机推力不增加发动机重量和尺寸另一方面要尽可能降低它的阻力。详细分析如下从推力曲线图可以看出某高度的最大平飞速度就是该高度的满油门的可用推力曲线和需用推力曲线的最右边的交点所对应的速度。此时。所以MAXCMAXCMAXC满可用平需PP据此可得出最大平飞速度的计算公式为上式表明影响最大平飞的因素为满油门时的可用推力飞机的阻力系数空气密度和机翼面积A。可见满油门的可用推力越大最大平飞速度越大如阻力系数、机翼面积、空气密度中的任何一个因素增大都会引起最大平飞速度降低。因此航空维修人员不仅要维修好动力装置以便发出尽可能大的可用推力而且要维修好飞机的流线外形和表面质量使飞机阻力系数不致增大否则飞行中飞机就达不到应有的最大平飞速度。找出不同高度的就可以绘制随高度H的变化曲线如图337所示。ACCXPPX2MAX21平需满可用APCPCY满可用MAX2满可用PYCMAXCMAXC二最小平飞速度最小平飞速度是飞机作等速平飞能保持的最小速度根据YG可得到由此可见对一定飞行高度HP一定当升力系数等于最大升力系数相当于迎角等于临界迎角时平飞速度最小。以临界迎角飞行时机翼呈现显著的气流分离用与此相对应的平飞最小速度飞行容易形成失速。即使用稍小于临界迎用的某一迎角飞行飞机就开始呈现抖动现象一般不宜用这些迎角平飞。所以上面对应的最小平飞速度只具有理论意义并无实用意义。实际上最小平飞速度应由飞行安全条件允许的升力系数安全来确定称为允许最小平飞速度。MINCAPCGCY2YCMAXYC临AAAMAXYCYC338按飞行条件确定约为0709具体数据根据飞行试验结果确定。显然。在推力曲线上两曲线最左边的交点所对应的速度就是平飞最小速度。如两曲线不相交平飞需用推力曲线最左边的一点所对应的速度也就是最小平飞速度见图336。找出不同高度的后就可绘制平飞最小速度随高度H变化的曲线图338。飞机的起降性能与飞机最小平飞速度有关。因为平飞最小速度愈小飞机起飞着陆时所需跑道也愈短。对于空投运输机愈小就能愈使空投物资和伞兵的散布面积愈小。安全允许YAC