飞行器总体设计第2章

0,航空工程导论,飞行器工程学院王琦教授,1,第二章飞机初始总体参数与方案设计,2.1概念构思与概念草图2.2飞机的主要总体设计参数2.3初步重量估算2.4权衡研究2.5推重比与翼载荷2.6总体布局形式的选择（方案设计）2.7飞机气动布局的选择2.8隐身性能对飞机气动布局的影响,2,2.1概念构思与概念草图,概念构思的形成熟知同类用途飞机的布局形式，了解不同布局的利弊和特点,3,2.1概念构思与概念草图,概念构思的形成积累数据飞机的数据主要标准部件的形状和重量座椅、炸弹、机炮、集装箱可能的发动机了解相关领域的最新水平气动、结构、飞控系统、隐身技术,“勿在浮砂筑高台”候俊杰深入浅出MFC,4,2.1概念构思与概念草图,概念构思的形成积累数据主要的数据来源,飞机的技术说明书简氏飞机年鉴（JanesAllTheWorldsAircraft）飞机公司宣传资料设计教科书期刊杂志互联网,5,2.1概念构思与概念草图,概念构思的形成对各专业基本知识的全面了解创新的思想美学观点,概念构思的体现概念草图（ConceptualSketch）,6,2.1概念构思与概念草图,概念草图画出多个候选方案，不要指望一开始就知道该怎么做在可能的情况下对多个方案都进行分析和优化,7,2.1概念构思与概念草图,概念草图,来源：KirschbaumsAircraftDesignHandbook,AircraftDesignAidandLayoutGuide,8,2.1概念构思与概念草图,概念草图,T1“潮汐猎人”,T9,9,2.1概念构思与概念草图,草图的作用确定你对要设计的方案的整体印象勾画出气动布局表示出在哪里布置机组、有效载荷、乘员、起落架、发动机、燃油和主要的子系统用于总体设计的第一次近似估算初始的主要总体设计参数,10,2.2飞机的主要总体设计参数,飞机运动方程分析,重力,推力,阻力,升力,来源：IntroductiontoAeronautics:ADesignPerspective,11,2.2飞机的主要总体设计参数,飞机的主要总体设计参数设计起飞重量W0(kg)动力装置海平面静推力T(N)机翼面积S(m2)组合参数推重比T/W0翼载荷W0/S(kg/m2),12,2.2飞机的主要总体设计参数,符号与单位说明,13,2.2飞机的主要总体设计参数,Sizing参数选择；定参数,14,2.3初步重量估计,起飞重量的构成,乘员,有效载荷,燃油,空机重量,15,2.3初步重量估计,空机重量估计对不同类型的飞机，可以统计出一定的趋势,16,2.3初步重量估计,空机重量估计,Kvs=可变后掠常数=1.04对可变后掠机翼=1.00对固定后掠机翼,复合材料的应用：近似为We/W0统计值的0.9倍,17,2.3初步重量估计,燃油重量估计机上燃油“任务燃油”储备燃油“死油”一级近似（First-orderdesign）：假设任务所需燃油与飞机的重量成正比，则Wf/W0近似地与飞机重量无关根据任务段重量比计算任务段重量比：飞机在某一任务段结束时的重量除以该任务段开始时的重量任意的第i段：,或,18,2.3初步重量估计,燃油重量估计整个任务结束时的飞机重量Wx与初始重量W0之比等于各段重量比的乘积例如：,19,2.3初步重量估计,燃油重量估计各种任务段的重量比估算方法暖机、起飞、爬升和着陆忽略下降段,20,2.3初步重量估计,燃油重量估计各种任务段的重量比估算方法巡航根据布雷盖特（Breguet）航程公式待机(Loiter)根据续航时间公式,V=速度(ft/s或m/s)R=航程(ft或m)E=工作时间或待机时间（s）C=单位耗油率L/D=升阻比,21,2.3初步重量估计,单位耗油率（SFC或C）单位时间内产生单位推力所消耗的燃油量对不同类型的发动机可以进行统计拟和注意单位！,22,2.3初步重量估计,单位耗油率（SFC或C）对于螺旋桨飞机等效的SFC,23,2.3初步重量估计,燃油重量估计在不考虑有效载荷投放的情况下，任务过程中的总重减少，必然是燃油消耗所致任务中消耗的燃油一般情况下，可假定余油储备和死油占6%,24,2.3初步重量估计,存在投放有效载荷段的剖面分析方法例：设总共14段，第7段投放有效载荷W7dropped，则重量比,其中,25,2.3初步重量估计,存在投放有效载荷段的剖面分析方法（续）着陆重量：任务中消耗燃油：总的燃油重量：,26,2.3初步重量估计,升阻比L/D是设计方案总体气动效率的量度取决于两个设计因素：机翼翼展浸润面积估算升阻比时常用的另一个机翼设计参数：展弦比=翼展的平方机翼参考面积,等效展弦比=翼展的平方/（机翼和鸭翼面积）,27,2.3初步重量估计,28,2.3初步重量估计,升阻比,Sjr/S（或Swet/Sref）,等效展弦比l2/S,浸润展弦比l2/Sjr,概念草图,+,29,2.3初步重量估计,升阻比,最大升阻比！,最大升阻比与浸湿展弦比的关系图,30,2.3初步重量估计,一级近似法（First-orderdesignmethod）!,任务段中不得进行有效载荷的投放迭代通常只须几次就可以收敛,31,2.4权衡研究（TradeStudies）,方案研究中的一个重要环节是与用户一道评审和仔细分析设计要求通过对要求中的项目进行变化，可以分析出该项目对起飞总重的影响，进而更合理地确定要求的取值还可以反映出新技术（如采用某种复合材料）对设计的影响,32,2.4权衡研究（TradeStudies）,简单示例：反潜机,任务剖面,概念草图,航程的权衡,33,2.5推重比与翼载荷,最简单的方法：参照以往的统计值主要设计参数的选择与确定是反复迭代的循环过程,34,小结,飞机必须在带有装载物的情况下达到航程、航时、速度和巡航速度的目标。本节提供了一种快速估计起飞总重、空重、任务油重的方法。该方法适用于如下12种飞机：自制螺旋桨飞机；单发螺旋桨飞机；双发螺旋桨飞机；农业飞机；公务机；涡轮螺旋桨支线飞机；喷气运输机；军用教练机；战斗机；军用巡逻机，轰炸机和运输机；水陆两用飞机；超音速巡航飞机。,35,任务油重的确定,36,37,空机重量的估算,38,已有的飞机总体布局型式,2.6总体布局形式的选择（方案设计）,39,注意：除考虑气动布局以外，还要考虑：1有效载荷的布局形式2巡航状态的主要升力系统形式和增升装置布局等3动力装置的形式4起落架的形式5结构受力系统及各部位之间的协调6所需的机上设备、仪表和操纵系统7工艺分离面和使用分离面,2.6总体布局形式的选择（方案设计）,40,2.7飞机气动布局的选择,飞机的气动布局通常是指其不同的气动力承力面的安排形式。全机气动特性取决于各承力面之间的相互位置以及相对尺寸和形状。根据各辅助翼面与机翼相对位置及辅助面的多少，有以下几种气动布局形式：正常式布局；鸭式布局；无尾或“飞翼”；三翼面布局。,41,2.7飞机气动布局的选择,2.7.1正常式布局,J8,波音787,42,2.7飞机气动布局的选择,2.7.2鸭式布局随着主动控制技术的发展，电传操纵技术的成熟，把前翼设计得比较大（相对面积815）并靠近机翼构成所谓近耦合鸭式布局已成为现实。,J20近距耦合鸭式布局图-144,43,2.7飞机气动布局的选择,2.7.3无尾式布局由于无尾飞机没有前翼和平尾，其飞机的纵向操纵和配平仅靠机翼后缘的升降舵来实现,无尾飞机机种幻影2000,44,2.7飞机气动布局的选择,2.7.4三翼面布局三翼面布局是在正常式布局的基础上增加一个水平前翼而构成的（即前翼+机翼+平尾），因此，它综合了正常式和鸭式布局的优点，经过仔细设计，有可能得到更好的确定特性，特别是操纵和配平特性,歼10三翼面布局典型机种F-15S/MTD,45,2.7飞机气动布局的选择,2.7.5选择飞机布局时要考虑的其它因素在选择飞机布局时，除选择气动配平的型式外，还要考虑其它因素。首先要选择机翼的平面形状、尾翼的尺寸和在飞机上的安装位置，然后是选择起落架的型式及其在飞机上的安装位置。在飞机气动阻力中称为干扰阻力的部分决定于飞机各部分之间的相互影响，最主要的中机翼和机身之间的相互干扰。,46,设计实例：反潜机,47,目录,反潜机设计要求方案草图设计升阻比L/D的估算起飞重量的确定权衡分析总结,48,1.反潜机设计要求,某反潜机任务剖面,49,2.方案草图设计,50,2.方案草图设计(续),51,3.升阻比L/D的估算,机翼的展弦比选11。考虑鸭翼的面积其组合展弦比约为8。由左下图，浸湿面积比（S浸湿/S参考）约为5.5。浸湿展弦比即为1.45（即8/5.5）,52,3.升阻比L/D的估算,查下图查，浸湿展弦比为1.45时，其最大升阻比大约可望达到17。由喷气式飞机，L/D待机17值，L/D巡航15（0.866倍）,53,4.起飞重量的确定,任务段重量比1)暖机和起飞W1/W0=0.974)待机E=3h=10800s2)爬升W2/W1=0.985C=0.4l/h=0.0001111l/s3)巡航R=1500nm=9114000ftL/D=16（保险起见）C=0.5l/h=0.0001389l/sW4/W3=e-EC/L/D=e-0.075=0.9277V=0.6M(994.8ft/s)=569.9ft/s5)巡航(同3)W5/W4=0.8624L/D=156）待机E=1/3h=1200sW3/W2=e-RC/VL/D=e-0.148=0.8624C=0.0001111sL/D=16W6/W5=e-0.0083=0.99177)着陆W7/W6=0.995W7/W0=0.970.9850.86240.92770.86240.99170.9950.6505Wf/W0=1.06(1-0.6505)0.3705We/W0=0.93W0-0.07,54,5.权衡分析(航程),航程权衡分析1000nm航程2000nm航程W3/W2=W5/W4=e-0.099=0.9060W3/W2=W5/W4=e-0.198=0.8208W7/W0=0.7179W7/W0=0.5893Wf/W0=1.06(1-0.7179)=0.2999Wf/W0=0.4354,55,5.权衡分析(航程),56,5.权衡分析(有效装载),有效载荷权衡分析有效载荷5000lb有效载荷15