2013-飞机总体设计-2第二讲-设计的依据与参数选择

1、,飞机系 航空科学与工程学院,飞机总体设计 第二讲,设计的依据与参数选择,第二讲 设计的依据与参数选择,2.1 飞机设计的依据 2.1.1 飞机的设计要求 2.1.2 飞机的设计规范 2.1.3 飞机的总体技术指标 2.1.4 设计要求示例 2.2 飞机总体设计的参数选择,1,2,2.1.1 飞机的设计要求,设计要求的提出军用飞机 通常由军方根据如下因素提出： 政治上，未来政治环境和冲突规模的估计 经济上，全寿命费用和承受能力的估计 技术上，未来敌机发展的估计和新技术的风险分析,来源： 方宝瑞. 飞机气动布局设计,3,2.1.1 飞机的设计要求,设计要求的提出民用飞机 民用飞机很难说有什么“固

2、定客户”，因此要发展什么样的飞机，一般由飞机公司提出初步设想，经过与可能用户的商讨，再制定设计要求 设计要求也需要有正确的预见性，因此必须必须进行长期的市场调查和详细的分析研究,来源： 方宝瑞. 飞机气动布局设计,4,飞机设计要求是一项技术文件，没有固定格式 飞机设计要求的基本内容 飞机的用途和任务 所设计的飞机是民用机还是军用机？ 主要用途是什么？ 其他用途又是什么？,2.1.1 飞机的设计要求,5,2.1.1 飞机的设计要求,飞机设计要求的基本内容（续） 任务剖面,简单剖面： 起飞爬升巡航待机下降着陆,6,2.1.1 飞机的设计要求,飞机设计要求的基本内容（续） 任务剖面,作战剖面： 起飞

3、爬升巡航待机 下降投弹爬升巡航待机下降着陆,7,2.1.1 飞机的设计要求,飞机设计要求的基本内容（续） 任务剖面,8,2.1.1 飞机的设计要求,飞机设计要求的基本内容（续） 飞行性能 最大飞行速度 升限 航程 爬升性能 加速性能 减速性能 盘旋性能 起降性能,9,2.1.1 飞机的设计要求,飞机设计要求的基本内容（续） 有效载荷（商载、酬载，Payload） 军机（飞行员、武器） 民机 （机组、乘客、货物） 功能系统 航电、安全、飞控等 隐身性能要求 使用维护要求,10,2.1.1 飞机的设计要求,飞机设计要求的基本内容（续） 机体结构方面的要求 正、负最大过载 承受动强度、使用寿命 研制

4、周期和费用 经济性指标 制造成本 直接运营成本（Direct operating costs，DOC） 环保性指标,11,2.1.2 飞机的设计规范,飞机设计规范由国家的有关部门制定和颁布，是指导飞机设计工作的通用性技术文件 对各类飞机作了许多指令性的规定 飞机的设计情况 安全系数 过载系数 飞行载荷 突风载荷,飞行品质 飞行包线 起飞与着陆的要求 飞机重心的稳定性裕度 强度和刚度,12,2.1.2 飞机的设计规范,典型的设计规范 美国 军用飞机设计规范（MIL） 联邦适航性条例（FAR-25、FAR-23） 中国 军用飞机强度规范 中国民用航空规章（CCAR-25、CCAR-23 ）,13,

5、2.1.3 飞机的总体技术指标,制定 由总设计师和总体设计部门，根据飞机使用技术要求或战术技术要求，以及有关的设计规范和适航标准等文件而制定 目的 为了全面指导和协调整个飞机设计的工作 内容 飞机设计要求的具体化和某些必要的补充 考虑当前和今后一个时期内，该指标有一定的先进性和现实可能性,14,具体项目 最大使用过载 最大最大速压（速压/动压= ） 温度指标 飞行包线 飞机的飞行特征 和飞行高度的范围,对应于某高度下的最大速度,“裕度”,2.1.3 飞机的总体技术指标,15,2.1.4 设计要求示例,类型与用途 作为与先进战术战斗机（Advanced Tactical Fighter，ATF）

6、进行“高低搭配”的低端机型 执行空对空作战的 单座轻型战斗机 尽可能地采用新技术 以满足任务要求,来源：Aircraft Engine Design,1987 (2nd Edition, 2002),16,2.1.4 设计要求示例,任务剖面,14个任务段,20个任务段！,17,2.1.4 设计要求示例,任务剖面,18,2.1.4 设计要求示例,任务剖面,19,2.1.4 设计要求示例,任务剖面,20,2.1.4 设计要求示例,性能要求,21,2.1.4 设计要求示例,有效载荷 飞行员 1名 武器 AMRAAM 2 326 lb/枚 AIM-9L 2 191 lb/枚 25mm机炮 1 270

7、lb 炮弹 500 550 lb,2.1 飞机设计的依据 2.2 飞机总体设计的参数选择 2.2.1 概念构思与概念草图 2.2.2 初步参数选择,第二讲 设计的依据与参数选择,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,23,2.2.1 概念构思与概念草图,2.2.1 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,24,“勿在浮砂筑高台” 候俊杰 深入浅出MFC,概念构思的形成 积累数据 主要的数据来源,25,飞机的技术说明书 简氏飞

8、机年鉴 （Janes All The Worlds Aircraft） 飞机公司宣传资料 设计教科书 期刊杂志 互联网,2.2.1 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,26,概念构思的体现 概念草图 （Conceptual Sketch）,2.2.1 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,27,2.2.1 概念构思与概念草图,概念草图,28,来源：Kirschbaums Aircraft Design Handbook, Aircraft Design Aid a

9、nd Layout Guide,2.2.1 概念构思与概念草图,概念草图,29,T1 “潮汐猎人” （330501）,T9（330504）,2.2.1 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,30,2.2.1 概念构思与概念草图,31,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 (kg) 机翼面积 S (m2) 组合参数 推重比 T/W0 翼载荷 W0 /S (kg/m2),2.2.1 概念构

10、思与概念草图,32,符号与单位说明,2.2.1 概念构思与概念草图,33,Sizing参数选择；定参数,2.2.2 初步参数选择,2.2.2 初步参数选择,可根据同类飞机的统计数据获得所设计飞机的分项重量,34,飞机相对重量因数统计表（战斗机）,2.2.2 初步参数选择,35,飞机相对重量因数统计表（民用客机）,2.2.2 初步参数选择,起飞重量的构成,36,乘员,有效载荷,燃油,空机重量,2.2.2 初步参数选择,空机重量估计 对不同类型的飞机，可以统计出一定的趋势,37,2.2.2 初步参数选择,空机重量估计,38,Kvs= 可变后掠常数 = 1.04 对可变后掠机翼 = 1.00 对固定

11、后掠机翼,复合材料的应用： 近似为We /W0 统计值的0.95倍,2.2.2 初步参数选择,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-order design） ： 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：,39,或,2.2.2 初步参数选择,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：,40,2.2.2 初步参数选择,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

12、陆 忽略下降段,41,2.2.2 初步参数选择,燃油重量估计 各种任务段的重量比估算方法 巡航根据勃列盖（Breguet）航程公式 待机(Loiter) 根据续航时间公式,42,V = 速度 (ft/s 或 m/s) R = 航程 (ft或m) E = 续航时间或待机时间 C = 单位耗油率 L/D = 升阻比,2.2.2 初步参数选择,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！,43,2.2.2 初步参数选择,升阻比 K （或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

13、个机翼设计参数： 展弦比=翼展的平方机翼参考面积,44,等效展弦比=翼展的平方/（机翼和鸭翼面积）,2.2.2 初步参数选择,升阻比,45,Sjr/S （或Swet/Sref）,等效展弦比 l2/S,浸润展弦比 l2/Sjr,概念草图,+,2.2.2 初步参数选择,升阻比,46,最大升阻比！,2.2.2 初步参数选择,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 任务中消耗的燃油所占比例 一般情况下，可假定余油储备和死油占6%,47,2.2.2 初步参数选择,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

14、比,48,其中,2.2.2 初步参数选择,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：,49,2.2.2 初步参数选择,一级近似法 （First-order design method）!,50,迭代通常只须几次就可以收敛,We /W0 =AW0C K vs,2.2.2 初步参数选择,51,更深入的参数选择方法 统计选取法 由统计数据给出各类飞机翼载和推重比的估计值； 也可由失速速度、起飞距离、机动性指标等设计要求出发，通过统计公式确定翼载和推重比。 特点：简单，直接 难点：经验数据和公式的积累和验证,2.2.2 初步参数选择,52,更深入的参数选择方法 统计选取法,2.2.2 初步参数选择,53,更深入的参数选择方法 统计选取法,2.2.2 初步参数选择,2.2.2 初步参数选择,55,更深入的参数选择方法 对比分析法 按各项飞行性能要求分别定出所需的翼载和推重比数值，然后进行对比取值（通常取翼载最小值、推重比最大值） 特点：按各项任务确定，思路清晰 难点：设计指标多时较为复杂,2.2.2 初步参数选择,56,更深入的参数选择方法 对比分析法,着陆状态：,巡航速度要求：,机动性要求：,可取设计载荷为,2.2.2 初步参数选择,57,更深入的参数