2011年11月谈谈航空航天.ppt

谈谈航空航天 乐卫松 研究员 2011年 11月 一 航空航天是充满幻想、 梦想和创造灵感的世界 神话 探月工程 神舟五号飞船 我们的太空人的眼睛 乐趣催生创造 月宫里没有美丽的嫦娥、没有可爱的白兔、 没有桂花树更没有吴刚，他确确实实是广寒 宫。 这个结论是现代高科技工程把神话变成现实 的结果。同样杨利伟的宇宙飞船把能翻筋斗 云十万八千里的孙悟空比下去了。然而人们 依然热衷于神话与幻想，这里面有无穷的乐 趣。特别是幻想成为实践的时候。 乐趣催生创造。 古代与现代 西汉时期，有人用鸟翎做成翅膀从高 空跃下，赏试滑翔。2006年10月18日 中国第一届鸟人比赛大会在湖南开始 。国际上把这种比赛称为高台无动力 飞行比赛。当然更有趣的是带动力的 个人飞行器，那个带翅膀的个人飞行 器意图飞过英吉利海峡。 中国首届鸟人飞行大赛湖南娄底举 行 带动力单人飞行器 张家界天门洞翼装飞行 2011年9月24日杰布-科利斯穿越天门洞 翼装 仿生灵感诱发了创造。 仿生学提倡研究动物的运动特点，几乎所有 鸟类采取振翼或扑翼方式，振翼起飞加上空 中滑翔是鹰、大雁、鸽子的主要运动方式， 小型鸟类基本藉振翼飞行，而振翼并悬停是 蜂鸟的取食方式。仿生灵感创造了振翼机。 雄鹰、野鸭的翼尖羽毛随飞行状态的变化而 有不同的编排，启示人们研究飞机机翼翼尖 设计 振翼机 特种飞行器 有人设想能否造出海空两用的飞行器，地 效飞行器就是其中之一。我们学院正在研 究这种飞行器，它在海防、旅游有着重大 的军事、商业价值。 更有人设想能否建造如鹈鹕那样，既能潜 入水下，又能升空的飞机，确也有提出此 类的设计方案的。 仿飞碟飞行器 飞碟飞行器 地效飞行器 水下飞行器 飞机直升机的起端 放风筝、玩竹蜻蜓导出的气动力学成为设计飞机和直升机的理论依据 。从小型飞机到超大型旅客机，从单人直升机到巨型载重直升机，各 式各样的飞机、被造出来。 世界第一架动力飞机-莱特 美国早期发展的后三点客机DC-1 原苏联螺旋桨战斗机伊尔2战斗机 我国早期引进的伊尔14（仿DC3） 早期因气密舱疲劳失事的哈维兰 彗星号 中国仿造的第一架运五 中国第一架民用客机北京一号 著名的波音707 巨型军用运输机C-17 超音速旅客机协和号 我国第一架大型旅客机运十 换代设计的全日空B767-300 超大型旅客机A-380 超大型梦幻 B787 带旋翼单人飞行器 巨型直升机米26 莱特飞机 美国早期发展的后三点客机DC-1 伊尔2战斗机 我国早期引进的伊尔14（仿DC3 ） 因疲劳失事的哈维兰 彗星号 1954年生产的多用途农业机 运五飞机（仿安-2） 北京航空学院学生设计制造的 北京一号1958年9月24日首飞 西工大学生设计制造的延安一号 波因707 C17巨型军用运输机 协和号超音速旅客机 我国首架大型客机运十 1980年9月26日在上海大场机场试飞。 全日空B767-300 世界最大旅客机A380 梦幻机B787 世界最大巨型直升机米26 正在上海研制的C919大客机 神舟八号发射升空 神舟八号与天空一号对接 二 航空航天是富有挑战的世界 航空器分类 依据动力特点各种飞行器分为 ： 轻于空气 重于空气 和太空 三大类 第一个挑战 第一个挑战便是如何克服重力？用什么动 力上天？用何种方式上天？ 轻于空气的，利用物体在空气中的浮力升 天； 太空中的物体，利用火箭-不依靠空气中 的氧气，自身点燃爆炸产生反推力推动飞 行器上升、前进； 在空气中的物体，像大多数航空爱好者思 考的题目，则是利用空气动力上天。 利用空气动力上天 利用空气动力上天。 风筝带个我们的启发首先要奔跑产生前进速度， 其次必须保证有合适的迎角，绕风筝气流才能产 生空气动力。考虑这个飞行原理，提出两个要求 ：前进动力克服阻力，气动升力克服重力。于是 问题变成取得发动机以及设计翼面。滑翔机不是 没有发动机吗？不错它自身不带发动机，但它的 初始动力来自于牵引机的牵引，或者利用斜坡下 滑重力产生的运动速度。 机翼升力与型阻的产生 第二个挑战是飞行速度 飞行速度的大小取决与推动力与空气阻力的平衡。推力大 阻力小，飞机加速飞行，直到推力与阻力平衡。发动机的 类型不同，其速度特性及高度特性不同。 航空发动机有这样几类： 螺旋桨式 又分为：活塞式螺旋桨和涡轮螺旋桨 喷气发动机分为：涡轮轴发动机和涡扇发动机 飞机的阻力由四部分组成： 形状阻力、摩擦阻力、诱导阻力和激波阻力 高亚音速飞机减阻的四个途径 探索好的形状-翼型设计 分析附面层流态及控制转捩-选用层流翼型 研究诱导阻力的产生以及如何减少这个阻力- -采用翼稍小翼 推迟局部激波的形成-设计后掠翼。 激波随速度的变化 气动外形随速度变化 速度区 低速 亚音速 高亚音速 跨音速 超音速 高超音速 高高超音速 外形特征 平直翼 后掠翼 后掠翼 三角翼 小展弦比细长三角翼 三角翼 双三角翼 翼身融合升力体 航空发动机分类 超高涵道比涡扇发动机的优点 推力大 油耗底 噪音小 为现代民航机动力之首选 气动外形与动力装置随速度的匹配 第三个挑战 第二个挑战是能够飞得多高？高度增加会 产生什么问题？一个是气压低、一个是冷 ！一个健康人能承受4000米高度的低压， 摄氏零下2-30度低温。 国际标准大气指出在12000米高空： 温度为摄氏零下56度 压力仅为地面的20% 空气密度仅为地面的31.2% 国际标准大气 H(m) T(K) a(m/s) 大气压p 密度（kg/m3 ） 0 288.2 340.3 1.0133 1.225 100 287.6 340.0 0.9794 1.187 10000 223.3 299.5 0.265 0.4135 11000 216.7 295.1 0.227 0.3648 12000 216.7 295.1 0.19399 0.3119 高空飞行的基本要求 在稀薄的大气中飞行，必须考虑： 有无具备高空性能的发动机、 有无足够的气动性能保证提供 足够的升力。 必须保证人的生存环境 为在高空飞行必须保证人的生存环境，采 取的措施是： 设计气密座舱 布置空调系统 不容许产生气密舱爆炸 不容许产生气密舱疲劳破坏 第四个挑战 第四个挑战指向飞行器的结构可靠性、飞行的安全性。 这个挑战涉及这样几个课题：载荷、静强度、动强度、疲 劳强度、破损安全以及结构可靠性。 载荷：-载荷状态、过载因子、安全系数。 静强度-拉、压、弯、扭、剪、挤等受力状态。 材料的强度极限 动强度-气动弹性问题-变形发散、操纵反效 、共振、抖 振、颤振。 疲劳强度-载荷谱、材料的S-N曲线、裂纹扩展力、初始裂 纹、裂纹扩展、裂纹断裂，-疲劳寿命 破损安全-指的是：认定飞机结构为裂纹体，其结构在直 到损伤被发觉之前，应能够承受合理的载荷而不出现破坏 或过度的结构变形。因此需要考虑多路传力和止裂结构， 控制裂纹扩展率使裂纹呈缓慢扩展。并设定损伤容限，选 择损伤检测装置。 第五个挑战 第五个挑战是航行经济性，关乎旅客的支付能力因 而成为当前热门的课题。 飞机的减重、减阻措施：最佳结构设计、大量选用 复合材料、安装翼稍装置、优化气动设计减少干扰 阻力、采用超临界翼型及超临界机翼等。还可考虑 特种机型如鸭式、无尾式以减去大大的平尾造成的 重量增加与阻力增加。 发动机的节油、减躁措施：现代的节油手段集中在 改进发动机设计上，超大函道比的涡扇发动机就是 明证；由于减重、减阻而得到的节油好处也是很明 显的。 C919后掠的超临界机翼 减阻减重节能的措施 C919宽视野机头与翼吊发动机 宽视野意味安全及风挡玻璃材料的突破 翼吊不同于尾吊，意味涡扇发动机推力等级提高 C919翼稍小翼 现代减阻节油的气动设计 C919 基本型 载客：全经济布局为168座 标准航程为4075公里， 增大航程为5555公里。 可以确定是一种中短程单通道商用运输机 。 在市场定位上，以满足中国国内需求为切 入点，同时兼顾国外市场 ，国际航线将主 要集中于日韩等国，“因航程设计最长为 5555公里，所以不会飞太远”。 略大于A320与MD90。 C919大型客机总目标 为810年后的民用航空市场提供安全、 舒适、节能、环保、具有竞争力的中短航程 单通道商用运输机。在市场定位上，以中国 国内市场为切入点，同时兼顾国外市场，提 供系列化（基本型、缩短型、加长型和高原 型等不同等级、多种航程）发展产品，以适 应不同航空市场。在设计理念上，强调系列 化产品的共通性和互换性，突出“四性”（确 保安全性、提高经济性、注重环保性、改善 舒适性）。实施“三减”（减重、减阻、减排 ）。通过大量运用与国际接轨的先进技术， 做到比现役同类机型有显著提高。 大涵道比涡扇发动机 SF-A 在上海举行的2009年中国国际工业博览会预 展上 SF-A简介 SF-A 起飞推力为12-13吨级 大涵道比涡扇发动机可作为商务飞机或支线飞机 的动力 SF-A由1级风扇、3级增压压气机、7级高压压气 机、短环燃烧室、1级高压涡轮、3级低压涡轮、 简单收敛喷管以及全权限数字控制（FADEC）系 统等组成。 串装件包括风扇、风扇机匣、低压压气机叶片（ 盘）、高压压气机叶片（盘）、压气机机匣、高 压涡轮叶片（盘）、低压涡轮叶片（盘）等 第六个挑战 第六个挑战自然是解决如何驾驶、操纵飞 行器问题。 不同飞行器有不同驾驶技术。飞行力学是 研究操控飞行的科学。一个民航机驾驶员 不仅学习飞行力学，还需学习发动机、仪 器仪表、控制系统、外语等学科，考出执 照，放有资格到航空公司求职。前提条件 是必须有合适飞行的身体及心理素质。 三 航空航天是严肃、认真、 一丝不苟的系统工程 大客机的核心技术-航 空应用力学 （一）发展民用飞机必须按法办事 发展民用飞机一定要得到3证：型号合格证、生产制造许 可证、运输适航证 1985年12月30日颁发实施中国民用航空规章第25部： 运输类飞机适航标准（CCAR25） 1987年我国国务院颁布了中华人民共和国民用航空器适 航管理条例。 1995年10月30日通过了中华人民共和国民用航空法 。 颁布民用航空器驾驶员和飞行教员合格审定的CCAR- 61FS部,涉及飞行学校审定的CCAR-141部。 国内发展民航飞机工程的法律环境已基本具备。 （二）民用飞机工程 发展民用飞机不单单是造一架飞机问题，它是一项系统工 程。 民用飞机工程包括： 1 概念设计 2 工程准备 3 总体设计与气动强度计算 4 结构细节设计与系统、内饰设计 5 材料与标准件准备（含复合材料的研制） 6 飞机制造工艺 7 民用飞机工程管理含适航、工程、信息、质量和质保 管理。 8 新机试飞 9 市场营销 10 验收交付 11 飞机维护与航线营运服务 12 飞行员、维护人员、服务人员培训。 （三）详细的分析、计算绕飞行器的流场 利用计算流体力学和风洞实验能够对绕飞行 器的流场-附着机体的流场以及外部尾流场 进行详细的分析、计算。 详尽掌握飞机的气动导数和 气动性能 概念设计阶段选择的气动外形提供的气动导数， 及由此计算出的气动性能，应保证飞行的安全， 并使飞机具有好的市场竞争力 详尽的气动导数数据，保证计算出飞机承受的各 种气动载荷 飞行员必须熟悉掌握飞机的气动导数和气动性能 才能掌控飞机，保证飞行的安全 提供飞行模拟器设计所需要的原始数据 地面飞行指挥员必须掌握指挥正常的及异常状态 的飞机飞行所需要的数据。 （四）做详尽的力学分析 利用计算结构力学-有限元法能够对机体 结构，从整体结构、结构细节到细微裂纹 做详尽的力学分析，能从结构承载的历史 过程分析检测结构的寿命与剩余强度。 （五）在飞机首飞之前应当完成气 动弹性分析与实验 飞行器是个弹性体，在飞行中因 流固耦合会产生气动弹性变形， 并由此可能产生诸如共振、抖振 、颤振等造成飞机解体问题，所 以在飞机首飞之前应当完成气动 弹性分析与实验 （六）详尽掌握飞机上使用的 材料特性 飞机上使用种类繁多的材料，其大者为铝合金、 高强度合金钢、复合材料 铝合金、高强度合金钢 高低温力学性能、疲劳性能、断裂性能 复合材料 高低温力学性能、疲劳性能、断裂性能、无损 伤检测性能 四 航空航天是国家重要的 战略重点 它是建设创新型国家的标志性工程，是振奋民族 精神、增强民族凝聚力和自豪感的争气工程。 它是国家工业之花，对提高我国自主创新能力、 增强国家核心竞争力，发挥巨大的推动作用，是 国家综合实力的反映。 它是国民经济新的经济增长点，国民经济建设的 支柱产业。 它是人民“出行”不可缺少的行业。 航空是国家安全的保障。 航空是国家新的经济增长点 新型航空产业群包括： 航空客运运输业、 航空货运运输业、 城市通用航空业、 航空港及机场特许经营业、 机场周边相关产业、航空港保税区 高新技术的航空制造工业。 航空客运业持续发展 航空运输业随国家GDP增长同步增长。 截至2009年资料民航运输总周转量及我国国 民生产总值如表所示。下图是相关曲线。 民航机工业的历史性的大发展 从ARJ21到C919为代表的中国民航机工业再次雄起。 ARJ21的售价为2700万-2900万美元/每架 31万 美元 /座 ARJ21的年生产能力20架。 截止至2010年10月，ARJ21累计订单为340架。 总产值达 到 95亿美元，合 人民币