[物理]飞机结构与系统第二章 飞机外载荷

第二章 飞机外载荷,本章内容飞机结构的主要载荷典型飞行姿态和载荷系数复杂载荷情况,飞机结构的主要载荷,飞机的外载荷 飞行、起飞、着陆、地面停机等过程中，作用在飞机上的气动力、重力和地面反力等外力的总称。外载荷的大小取决于飞机的重量、飞行性能、外形的气动力特性、起落架的减震特性以及使用情况等许多因素。分为两类： 1） 飞行时的外载荷 2） 起飞、着陆时的外载荷,飞机飞行载荷,飞机飞行载荷,飞机飞行载荷,飞机飞行载荷,YG，TX,等速直线平飞时的受载情况,飞机地面载荷,载荷系数,载荷系数的定义： 除重力外，作用在飞机上的某方向上所有外力之合力与当时飞机重量之比值。也称过载系数（过载）矢量，符号n。x向：nx=(T-X)/G，小于T/G (现代飞机T/G最大值1.2-1.4)z向：nz=Z/G，一般较小y向：飞机升力同重力的比值 ny=Y/G,载荷系数,载荷系数的物理意义： 用倍数的概念来表示飞机实际外力同重力之间的关系，是一个相对值。 表示飞机质量力与重力的比率。,载荷系数,载荷系数的实用意义：1） 载荷系数确定，结合有关飞行参数，可以确定飞机结构上的各部分实际载荷的大小及方向，便于我们对飞机结构的强度、刚度等指标进行设计校验；2）飞机机动性的重要指标，通过载荷系数可以了解飞机的机动性能。,1-弹簧；2-重块；3-指针；4-阻尼器,典型飞行姿态的载荷系数,1.等速直线平飞,典型飞行姿态的载荷系数,飞机速度的大小和方向改变，航迹为曲线。 垂直平面内： a进入俯冲 b垂直俯冲 c俯冲后拉起水平平面内： 水平等速转弯/盘旋,曲线飞行（机动飞行）,典型飞行姿态的载荷系数,2.进入俯冲,（视V和r的不同情况，ny可能为负，为正，或零）,典型飞行姿态的载荷系数,例1 如图所示，飞机进行俯冲，已知此时=45，r=1000m，测得飞机的ny=0，求此时飞机的飞行速度。,典型飞行姿态的载荷系数,例1 如图所示，飞机进行俯冲，已知此时=45，r=1000m，测得飞机的ny=0，求此时飞机的飞行速度。,解：,典型飞行姿态的载荷系数,3.垂直俯冲,典型飞行姿态的载荷系数,4.俯冲后拉起,结论： 若飞机的速度V，航迹的曲率半径r一定，则=0(最低处)时过载最大； 若飞机的姿态、位置一定，则速度V越大，半径r越小，机动性越好，猛烈拉起），过载越大（飞机受力越严重）。,典型飞行姿态的载荷系数,例2： 如图所示，飞机俯冲后拉起。求： （1）当V=1000km/h， r=1000m，=45、30、0时的过载ny各为多少？ （2）如果最大允许过载系数nymax=8，在同样的拉起速度下，允许的拉起圆弧半径r 为多大,典型飞行姿态的载荷系数,例2： 如图所示，飞机俯冲后拉起。求： （1）当V=1000km/h， r=1000m，=45、30、0时的过载ny各为多少？ （2）如果最大允许过载系数nymax=8，在同样的拉起速度下，允许的拉起圆弧半径r 为多大,解：（1）,典型飞行姿态的载荷系数,例2： 如图所示，飞机俯冲后拉起。求： （1）当V=1000km/h， r=1000m，=45、30、0时的过载ny各为多少？ （2）如果最大允许过载系数nymax=8，在同样的拉起速度下，允许的拉起圆弧半径r 为多大,解：（2）,典型飞行姿态的载荷系数,5.等速水平盘旋(重要机动性能指标),坡度：（盘旋倾斜角）,典型飞行姿态的载荷系数,6.突风载荷,突风：方向、大小变化的不稳定气流突风载荷：因突风引起的、飞机受到的附加气动力 （飞机可能迅速改变高度） 水平突风/航向突风：（逆风或顺风） 只改变相对速度的大小 垂直突风：（向上或向下）改变相对速度的大小、方向， 导致迎角变化 侧向突风：使飞机侧滑，主要作用在垂尾上产生附加气动力。,垂直突风是各向突风中最严重的情况,典型飞行姿态的载荷系数,垂直向上突风情况,典型飞行姿态的载荷系数,垂直向上突风情况,过载（升力）一样时，K越小，飞行速度V0可以更大，可快速通过强突风区；飞行速度V0一样时， K越小，过载ny可更小，可提高乘客舒适感和飞行安全性。,垂直突风衰减系数K,考虑飞机转动时的载荷系数,1.飞机转动时的载荷系数,式中：Yw 机翼升力 Yte平尾平衡载荷 Ytm平尾机动载荷,1) y向载荷nyt,2) 绕重心旋转载荷nyr,考虑飞机转动时的载荷系数,例3：飞机在平衡飞行中作跃升机动。已知x1=4m，x2=6m，La=5m，az=3rad/s2，Iz=10000Nms2，求x1和x2 处绕重心旋转载荷系数nyz及平尾机动载荷Ytm。,考虑飞机转动时的载荷系数,例3：飞机在平衡飞行中作跃升机动。已知x1=4m，x2=6m，La=5m，az=3rad/s2，Iz=10000Nms2，求x1和x2 处绕重心旋转载荷系数nyz及平尾机动载荷Ytm。,解：,考虑飞机转动时的载荷系数,2.装载或设备作用在飞机结构上的质量力,着陆时的载荷系数,着陆撞击: 减速度着陆时,飞机y向速度在较短时间内降为零着陆过载:起落架的实际着陆载荷与停机载荷之比,战斗机:ny=3-4客机: ny2,着陆时的载荷系数,注意：这里的过载定义与空中飞行情况不同。 1.当空中匀速直线飞行时，ny1表示Y/G=1,地面滑行或停止状态下，以升力来定义已无意义。 2.这两种情况下ny1，但飞机结构的承载方式却完全不同，匀速平飞是一种分布载荷作用，而着陆主要是以集中力形式作用与于起落架上，通过起落架传到机身。,飞机设计时最大载荷系数的选取,1.影响最大载荷系数选取的因素: 载荷系数实际反映了飞机的机动性能，从这个意义上来说越大越好，但对客机或运输机来说没有多大必要；载荷系数又反映了对结构的载荷作用，载荷系数越大，表明飞机结构的承载越大，要有足够的刚、强度，则结构重量越大；载荷系数的载荷作用，不仅对结构有作用，而且对机载设备和乘员有载荷作用，载荷系数越大，对其影响越大，要视其承受能力而定。,飞机设计时最大载荷系数的选取,1.影响最大载荷系数选取的因素: 飞行时的载荷系数（除突风干扰外），一般来自发动机的推力，载荷系数大，剩余推力要大，动力装置要增重。载荷系数的大小应根据飞机的类型、用途来适当确定，不是越大越好。,飞机设计时最大载荷系数的选取,2 人对过载的反应:,复杂载荷情况,气动载荷 起飞、滑行载荷 着陆载荷 机动 弹射 着陆撞击 突风 中断起飞 回弹 操纵面偏转 颠簸 侧偏运动 部件干扰 转弯 单轮着地 动力装置载荷 惯性载荷 其他载荷 推力 加速 牵引 扭矩 滚转 顶起 陀螺力矩 振动 增压 振动 颤振 鸟撞 进气道压力 坠撞,飞机的载荷,复杂载荷情况,飞机长期使用-所受载荷多次重复-形成疲劳载荷 这种作用会导致结构的疲劳破坏1. 类型： 1）突风载荷：大气紊流的作用，是民机、运输机的重要疲劳载荷。危害性取决于大气紊流的强度以及作用的次数统计； 2）机动载荷：飞机机动（变速）飞行中升力变化载荷，是军机的主要疲劳载荷，取决于机动飞行的种类,飞行次数等；,（一）疲劳载荷,复杂载荷情况,（一）疲劳载荷,类型： 3）增压载荷：气密压舱一个飞行起落中，压力的变化，增压载荷的变化规律，作用次数等统计； 4）着陆撞击载荷：一个起落一次撞击，撞击载荷的强度； 5）地面滑行载荷：指地面滑行飞机颠簸所受到的载荷，与飞机跑道的质量、飞机的重量等有关； 6）发动机动力装置的热反复载荷； 7）地-空-地循环载荷：飞行地面滑行时的载荷变化到空中飞行的载荷； 8）其他：机翼尾流对尾翼的周期性作用。,复杂载荷情况,（一）疲劳载荷,2. 载荷谱： 飞机在使用过程中结构承受载荷随时间的变化历程。3. 危害： 影响设备工作； 对人员造成不适； 结构疲劳导致缺陷生长成裂纹并不断发展，最终导致断裂疲劳载荷是飞机设计中最重要的考虑因素，是定寿的基本依据。 尤其远程运输机尤其客机（座舱疲劳载荷、舒适性要求防振隔振等),复杂载荷情况,（二）热载荷,外热源：太阳辐照、气动加热内热源： 设备发热危害： 材料强度、刚度降低； 附加的热变形和热应力； 频繁出现时还会产生疲劳破坏。,复杂载荷情况,（二）热载荷,材料强度、刚度降低,材料特性受温度影响情况,复杂载荷情况,（二）热载荷,飞机表面驻点温度TMa曲线,复杂载荷情况,（二）热载荷,复杂载荷情况,（二）热载荷,应对措施： 选用热强度高、线膨胀系数低的材料； 在蒙皮上采用具有隔热性能的涂层和热包敷层（氧化铝、氧化锆、在加热时会挥发的烧蚀材料、石英纤维板、合成织物等），热强金属面板，带杆的夹层蒙皮等其他隔热芯层； 利用流体强制冷却。,复杂载荷情况,（二）热载荷,应对措施：,复杂载荷情况,（三）其他特殊情况载荷,非正常状态的载荷： 空中：维持飞行 地面：减少人员伤害,复杂载荷情况,（三）其他特殊情况载荷,2. 鸟撞载荷：易被撞的飞机部位: 飞机结构、发动机的进气道,复杂载荷情况,（三）其他特殊情况载荷,2. 鸟撞载荷：措施: 设计规范、规定 研究鸟的活动规律 进气道安装铁丝网 采用抗撞材料,1 鸟炮 2 试验机,2km以下最大飞行速度飞行时风档承受1.8kg鸟撞,复杂载荷情况,（三）其他特殊情况载荷,2. 鸟撞载荷：,复杂载荷情况,（三）其他特殊情况载荷,3. 冰雹载荷： 结冰：结冰部位防冰除冰 下冰雹：考虑承受冰雹撞击的能力（不能严重损伤飞机、发动机不能出现危险、考虑冰雹密度、撞击速度、一块冰雹多次撞击等 ）,复杂载荷情况,（三）其他特殊情况载荷,4. 噪音（声振）载荷： 动力装置噪音、气动力噪音、武器发射噪音5. 瞬时响应载荷： 起飞助推、外挂投放弹射等,本章思考题,1. 载荷系数的定义2. 飞行状态下和起飞着陆状态下载荷系统 的区别3. 什么是疲劳载荷？飞机上典型疲劳载荷 有哪些？4.什么是载荷谱？,本章补充习题,习题1： 飞机在铅垂面内作对称机动飞行，航迹切线与水平线夹角60，航迹曲率半径r2000m，根据该机飞行包线已知，其最大允许载荷系数nymax=+6.5，其最小允许载荷