第一講-飛行器設計導論

飛行器設計導論氣球升空風箏飛行的生物升力的產(chǎn)生飛行器平臺的種類旋翼飛行器固定翼飛機飛艇航空器輕于空氣的航空器重于空氣的航空器氣球飛艇固定翼飛機旋翼飛行器樸翼機飛機滑翔機直升機組合旋翼機固定翼飛機的分類按使用方式分類民用機軍用機民航客機通用飛機戰(zhàn)斗機轟炸機運輸機。。。。。。民用飛機分類按飛機最大審定起飛重量分類小型和輕型飛機指飛機最大型號合格審定起飛重量為5700kg（12500lb）或以下的飛機，但對通勤類飛機，最大型號合格審定起飛重量可至8620kg（19000lb）。大型飛機指飛機最大型號合格審定起飛重量大于5700kg（12500lb）的飛機；又指座位設置（不包括駕駛員）在19座以上的飛機。按CCAR-23部適航標準審定的飛機：（1）正常類飛機指座位設置（不包括駕駛員）為9座或以下，最大型號合格審定起飛重量為5700kg或以下，用于非特技飛行的飛機。非特技飛行包括：正常飛行中遇到的各種機動失速（不包括尾沖失速）坡度不大于60度的緩8字飛行、急上升轉(zhuǎn)彎和急轉(zhuǎn)彎。（2）實用類飛機指座位設置（不包括駕駛員）為9座或以下，最大型號合格審定起飛重量為5700kg或以下，用于有限特技飛行的飛機。有限特技飛行包括：尾旋坡度大于60度的緩8字飛行、急上升轉(zhuǎn)彎和急轉(zhuǎn)彎。（3）特技類飛機指座位設置（不包括駕駛員）為9座或以下，最大型號合格審定起飛重量為5700kg或以下，除了由于所要求的飛機試驗。結果表明是必要的限制以外，在使用中不加限制的飛機。（4）通勤類飛機指座位設置（不包括駕駛員）為19座或以下，最大型號合格審定起飛重量為8620kg或以下，用于正常類飛機所述非特技飛行的螺旋槳驅(qū)動的多發(fā)動機飛機。按CCAR-23部適航標準審定的飛機：指座位設置及最大型號合格審定起飛重量無限制。按客座數(shù)與航程分類對于貨機，可分為四類：輕型貨機：載貨量小于20噸；小型貨機：載貨量小于40噸；中型貨機：載貨量小于40~85噸；大型貨機：載貨量大于85噸；民用飛機研制階段和程序項目前期論證階段；技術經(jīng)濟可行性論證階段總體方案論證階段型號研制階段如果按民用飛機的全壽命周期考慮，還應包括生產(chǎn)階段與營運階段。波音公司對商用飛機發(fā)展獨特的程序軍用飛機研制流程論證階段方案階段工程研制階段設計定型階段生產(chǎn)定型階段每個階段都有各自的依據(jù)、主要任務和目標、主要工作內(nèi)容、質(zhì)量控制要點和完成標志。論證階段

依據(jù)本階段的主要依據(jù)，是使用部門根據(jù)未來戰(zhàn)爭要求和國務院、中央軍委批準的武器裝備研制中長期計劃而提出的初步飛機戰(zhàn)術技術及使用要求。這些要求主要包括：作戰(zhàn)使命、任務、環(huán)境和對象；戰(zhàn)術技術指標要求及綜合后前保障要求；初步裝備編制方案、計劃裝備數(shù)量、基地、位置和服役年限；采購經(jīng)費及使用經(jīng)費估算；研制進度和交付要求。主要任務和目標論證階段的主要任務是進行戰(zhàn)術技術指標、總體技術方案論證及研制經(jīng)費、研制周期、保障條件預測。主要工作內(nèi)容戰(zhàn)術技術要求論證技術可行性論證經(jīng)濟可行性論證飛行器設計階段劃分型式選擇總體布置方案動力裝置選擇全機重量重心計算和分配總體參數(shù)選擇與確定設計規(guī)范與定型/適航標準選取各部件和分系統(tǒng)方案設計有效性評價技術要求可行性/符合性論證三面圖總體布置圖重量重心報告飛行性能計算報告初步外載荷計算報告部件和系統(tǒng)初步要求設計規(guī)范和標準經(jīng)濟性分析報告初步設計階段詳細設計階段概念設計（總體設計）總體設計的主要內(nèi)容1、確定飛行器總體使用技術要求/戰(zhàn)術技術要求任務使命（軍用、民用，運輸、通用，攻擊，偵察，巡邏，反潛等）主要戰(zhàn)術技術指標及使用要求使用環(huán)境（溫度、風速，晝間、夜間，平原，高海拔，沙丘等）典型任務剖面基本性能（懸停高度，爬升性能，前飛性能，航程，升限等）武器與火控系統(tǒng)可靠性、維修性指標等基本參數(shù)乘員：0名長度：13.5m（44ft5in）翼展：35.4m（116ft2in）高度：4.6m（15ft2in）翼面積：m²（ft²）空重：3,850kg（8,490lb）載重：10,400kg（22,900lb）[2]發(fā)動機：1×AE3007H渦輪扇葉發(fā)動機，31.4Kn（7,050lbf）性能最高速度：650km/h（404mp/h）航程：36（小時）實用升限：20,000m（65,000ft）美國RQ-4A全球鷹無人機尺寸

旋翼直徑

10.00米

旋翼槳葉弦長

0.26米

涵道尾槳直徑 0.75米

涵道尾漿槳葉弦長 0.06米

機長(旋翼旋轉(zhuǎn)) 11.52米機身長

9.60米

機高(全高) 3.4米

座艙最大寬度1.50米

滑橇問距

2.07米重量和載荷

標準空重

960千克最大使用載重

755千克最大起飛重量1800千克槳盤載荷

22.9千克力／米2性能

不可超越速度(VNE) 278千米／小時

最大巡航速度

226千米／小時

最大爬升率(海半面)

6.6米／秒

實用升限

5189米

懸停升限

有地效

2819米

無地效

2316米航程(無余油) 731千米續(xù)航時間(以120千米／小時) 4小時10分EC-120B直升機技術指標設計規(guī)范、定型/適航標準規(guī)范

內(nèi)容：設計情況、安全系數(shù)、過載、重量、重心、飛行載荷、著陸載荷、強度和剛度、動力學特性、配平特性、操縱性和穩(wěn)定性、飛行品質(zhì)、結構試驗、飛行試驗等軍用飛機、直升機設計定型

由國家組織專門的定型委員會進行審查，主要依據(jù)是國軍標的相關標準GJB4591-1992 武裝直升機通用使用要求GJB2777-1996 軍用直升機驗證要求

GJB4046-2000(K)直升機槳葉設計要求

…等近二百多個標準民用飛機、直升機適航審定《正常類、實用類、特技類和通勤類飛機適航規(guī)定》CCAR-23部、《運輸類飛機適航標準》CCAR-25部

《正常類旋翼航空器適航規(guī)定》CCAR-27部、

《運輸類旋翼航空器適航規(guī)定》CCAR-29部飛行器型式選擇上翻角(提高橫向穩(wěn)定性)

駕駛艙發(fā)動機位置起落架布局尾翼形式A正常式B十字式CT字尾翼DV字尾翼EH型尾翼動力裝置選擇一般原則發(fā)動機性能與直升機性能相匹配功率大、重量輕、體積小、油耗低、壽命長環(huán)境適應能力強，具有良好的低溫、高原起動能力和飛行能力結構緊湊，便于外場維修可靠性、安全性高，耐久性好總體氣動布局方案主機翼的外形方案各部件與分系統(tǒng)方案機翼操縱系統(tǒng)全機械式、液壓助力式、電液伺服式、姿態(tài)增穩(wěn)系統(tǒng)傳動系統(tǒng)主減方案、離合器方案、安裝型式機身構架式、薄壁式、整體壁板式發(fā)動機安裝。。。全機重量重心計算重量分類

總重：

總載荷+空機重量

總載荷：

燃油+有效載荷

有效載荷：

任務載荷+成員/裝置重心布置總體布置使用重心范圍設計重心范圍平衡限制疲勞強度限制縱向穩(wěn)定性限制序號名稱GixiGixiyiGiyi1總重2有效載荷3任務載重4燃油5滑油…∑GiGixiGiyi重量分析方法基于強度計算的分析方法數(shù)字建模->強度分析->構建數(shù)字樣機->確定部件重量基于統(tǒng)計分析的重量分析方法根據(jù)使用條件相似的已有直升機的統(tǒng)計資料，利用統(tǒng)計回歸方法確定直升機重量復合分析方法子樣的收集和選取部件重量公式建立回歸方法計算回歸系數(shù)主要參數(shù)分析和選擇起飛總重有效載荷，由使用技術要求確定；重量效率，由統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定?；钊酱蠹s在0.3，渦輪軸式大約在0.4燃油相對重量，

在給定航程條件下：，其中A：活塞式2~2.75，渦輪軸3~4.5

給定續(xù)航時間條件下：，其中B：活塞式0.007，渦輪軸0.0105設計有效性評價功能有效性準則重量效率(飛機總載荷與總重之比）

生產(chǎn)率（單位時間直升機完成的作業(yè)量）

米里準則（直升機有效載荷全部換成燃油所能飛行的航程）生產(chǎn)有效性準則勞動量材料利用系數(shù) K=零階重量/毛坯重量使用有效性準則技術維護工時比每飛行小時的技術維護量每飛行小時的技術維護量=技術維護總人時數(shù)/飛行小時經(jīng)濟有效性準則研制成本單機成本使用成本國民經(jīng)濟有效性技術發(fā)展遠景，技術效果和成產(chǎn)率新機設計、制造和投入使用的周期工業(yè)生產(chǎn)的可能性，技術和生產(chǎn)工藝發(fā)展的遠景新機生產(chǎn)規(guī)模和勞動量新機的通用性與發(fā)展前景結構材料的資源和遠景工業(yè)部門人力和物力的合理使用全壽命周期成本（Life-cycleCost)飛機總體參數(shù)優(yōu)化總體參數(shù)優(yōu)化數(shù)學模型總體參數(shù)優(yōu)化設計的基本要素設計變量（起飛總重G、槳盤載荷p、旋翼槳尖速度ΩR、旋翼實度σ、槳葉片數(shù)K、發(fā)動機功率N）目標函數(shù)（重量效率、米里準則、生產(chǎn)率、有效載荷、航程、航時、軍用直升機使用效能等）約束條件（等式約束、不等式約束）飛行器總體設計的最終成果三面圖總體布置圖重量重心報告飛行性能計算報告初步外載荷計算報告部件和系統(tǒng)初步要求設計規(guī)范和標準經(jīng)濟性分析報告飛行器初步設計初步設計階段,不同領域的專業(yè)設計人員都將開始工作。包括機體結構、起落架、控制系統(tǒng)等。一些初期的測試與詳細分析工作也將開始，包括氣動、動力、強度和操縱穩(wěn)定性。初步設計階段一個很重要的工作是“放樣”。“放樣”是根據(jù)理論外形曲面獲得內(nèi)部不同部分結構外形數(shù)據(jù)的工作。其最終目的是給下面詳細設計零部件提供準確的界面數(shù)據(jù)。飛行器詳細設計詳細設計階段是對每一件需要加工的零件以及組裝起來的部件進行設計。例如：翼盒在初步設計階段是被當作一個整體看待的，但到了詳細設計階段，翼盒被分為單獨的翼肋、桁條、蒙皮等。詳細設計階段另一項重要的工作是工藝設計，工藝員必須考慮所設計的零件如何去加工，以及這些零件如何組裝成部件。概念設計初步設計細節(jié)設計

各個零部件詳細尺寸飛行剖面飛行器機動飛行盤旋躍升垂直面8字翻滾飛行器性能升限

能飛多高？航程

能飛多遠？續(xù)航時間

能飛多久？最大飛行速度

能飛多快？任務載重

能裝多少東西？起飛滑跑距離最大起飛重量抗風能力…升限

飛行器保持平飛時，最大的飛行高度航程

飛行器不經(jīng)過空中加油，保留最小燃油儲量下，最大飛行距離續(xù)航時間

飛行器不經(jīng)過空中加油，保留最小燃油儲量下，所能持續(xù)飛行的時間任務載重

保證一定性能條件下，能夠裝載任務載荷的最大重量。往往與航程、航時組合起來。最大飛行速度

飛行器能夠在飛行中達到的最大速度。最小飛行速度

保持飛機平飛的最小飛行速度。對應飛機最大升力系數(shù)。翼載

飛行器重量與機翼面積的比值。航空科學與工程學院試驗研究背景介紹通用航空，是指除軍事、警務、海關緝私飛行和公共航空運輸飛行以外的航空活動，包括從事工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)、礦業(yè)、建筑業(yè)的作業(yè)飛行和醫(yī)療衛(wèi)生、搶險救災、氣象探測、海洋監(jiān)測、科學實驗、遙感測繪、教育訓練、文化體育、旅游觀光等方面的飛行活動。通用航空具有機動靈活、快速高效等特點，作業(yè)項目覆蓋了農(nóng)、林、牧、漁、工業(yè)、建筑、科研、交通、娛樂等多個行業(yè)。通用航空的具體內(nèi)容包羅萬象，我們熟知的通用航空有以下幾種：航空攝影、醫(yī)療救護、氣象探測、空中巡查、人工降水等。其他類型包括海洋監(jiān)測，陸地及海上石油服務，飛機播種，空中施肥等。另外公務機飛機和私人飛機都屬于通用航空范疇之內(nèi)。通用飛機市場調(diào)研航空科學與工程學院試驗研究通用航空應用范圍近年來，隨著大陸經(jīng)濟的持續(xù)、快速發(fā)展，市場化進程的逐步推進，通用航空市場結構發(fā)生了較大的變化。以政府部門或國有企業(yè)為主要服務對象的通航作業(yè)份額開始下降自發(fā)的市場需求在逐年增長，主要的經(jīng)營項目有石油服務、公務飛行、醫(yī)療救護、培訓飛行等等。隨著國內(nèi)企、事業(yè)單位購置自用公務機（含直升機）數(shù)量的不斷增加，航空器代管市場在逐漸擴大。對直升機擺渡乘客、直升機醫(yī)療救護以及對小型飛機用于近距離城市之間的旅客穿梭飛行的需求也正在凸現(xiàn)。國民經(jīng)濟發(fā)展到一定水平后，通用航空的市場將越來越大、市場支付能力也將逐步提高。航空科學與工程學院通用航空的行業(yè)應用情況海岸巡查及內(nèi)核航道巡查農(nóng)業(yè)使用的技術要求航空攝影人工影響天氣電力線路巡查油氣管線巡視行業(yè)應用現(xiàn)狀航空探礦森林防護巡查私人交通觀光旅游飛行執(zhí)照培訓航空科學與工程學院試驗研究農(nóng)業(yè)使用的技術要求農(nóng)業(yè)作業(yè)內(nèi)容包括空中噴灑、空中除草、飛機播種、空中施肥等國內(nèi)的農(nóng)業(yè)作業(yè)量很可觀，平原地區(qū)農(nóng)業(yè)適宜固定翼飛機大范圍快速作業(yè)；飛播牧草作業(yè)有很大的土地面積，并且需要重復播種農(nóng)業(yè)作業(yè)對飛行器性能的需求為了作業(yè)經(jīng)濟性，要求有效載荷大必須要有專用的噴灑設備作業(yè)高度較低（3~5米），作業(yè)速度低（100~180km/h）起落性能要好，較短的滑跑距離（最長不超過400米），最好能田間起降飛行環(huán)境較復雜，駕駛員要有廣的視界防毒和抗腐蝕要求航空科學與工程學院試驗研究海岸巡查及內(nèi)河航道巡查海岸線執(zhí)法巡查任務，內(nèi)河航道的執(zhí)法巡查、監(jiān)測任務中國海岸線總長3.2萬公里，其中大陸海岸線1.8萬公里，數(shù)量巨大，船只與陸地交通工具效率很低內(nèi)河航道的巡查作業(yè)量缺口也很大，截止2014年我國內(nèi)河航道通航里程13萬公里，每年僅江蘇省航道巡航里程高達50萬公里，巡航費用數(shù)億元海岸線及航道巡查作業(yè)對飛行器性能的需求巡查任務對飛機長航程的需求，長距離的巡查要求飛機有良好的巡航經(jīng)濟性能定點巡查作業(yè)對飛機的續(xù)航時間提出了較高的要求巡查作業(yè)需要攜帶成像設備如光電吊艙、高光譜雷達等海岸線巡查作業(yè)飛機在海洋環(huán)境中服役，所以需要機體有抗腐蝕、老化的要求國內(nèi)目前海監(jiān)裝備的飛機是Y-12IV型飛機航空科學與工程學院試驗研究航空攝影主要分為單片攝影、航線攝影和面積攝影航空攝影的作業(yè)量占到輕型飛機各種作業(yè)量的6~7%航空攝影作業(yè)對飛行器性能的需求續(xù)航時間要長，在4h以上單次作業(yè)效率要高，單次作業(yè)面積達到50-100km2，飛機航程在200~400km機體振動小、穩(wěn)定性好，抗風性能好為了在作業(yè)場所周邊起降，起飛條件要求低，在復雜路況能起降操控精準、安全穩(wěn)定、最大限度保障安全飛機掛載航拍航測設備預留窗口或乘員手持設備航攝儀典型航攝線路航空科學與工程學院試驗研究航空探礦航空探礦多在一些人員難以到達進行地質(zhì)勘探的地點作業(yè)航空探礦占到輕型飛機各種作業(yè)飛行量的2%左右，隨著企業(yè)在資源勘探方面的需求增多，這一類應用需求也隨之增加航空攝影作業(yè)對飛行器性能的需求航程在500km以上，續(xù)航在5小時以上載重量220kg（1名乘員，80L油，探礦設備）低速性能好，飛行速度在150~200km/h為宜低空和超低空性能好，以適應復雜的山區(qū)、丘陵地形的條件需要吊掛專用探礦設備探礦性質(zhì)平均每公里成本（元）一類區(qū)二類區(qū)三類區(qū)四類區(qū)五類區(qū)綜合探礦系統(tǒng)17501925210024502975航空重力12251400161021002625航電840980112015401820航空放射性探測583.3700816.710731400航磁466.7583.37009331166航空科學與工程學院試驗研究人工影響天氣航空探礦多在一些人員難以到達進行地質(zhì)勘探的地點作業(yè)航空探礦占到輕型飛機各種作業(yè)飛行量的2%左右，隨著企業(yè)在資源勘探方面的需求增多，這一類應用需求也隨之增加人工影響天氣作業(yè)對飛行器性能的需求：飛機升限較高，一般要求8000~10000米承擔大范圍、跨區(qū)域作業(yè)的飛機載重能力應為4~6噸，小范圍、季節(jié)性的作業(yè)飛機載重能力一般不低于2噸飛機航速一般要求200~500km/h續(xù)航能力一般應達到1000km以上，巡航時間2~4h播撒裝置和多種探測設備國內(nèi)用于人工影響天氣的飛機有運12，夏延，安26等航空科學與工程學院試驗研究油氣管線巡視油氣管線常規(guī)巡檢可用固定翼提升巡檢效率，作為替代人工巡檢的方式作業(yè)量：截止2015年底中國陸上原油管道2.3萬公里，成品油管道2.1萬公里，天然氣管道7.6萬公里油氣管線巡視作業(yè)對飛行器性能的需求：油氣管線一般較長，因此飛機的航程要求也較高，為500~700km油氣管線會經(jīng)過山區(qū)，所以飛機升限有一定要求，3000m以上較為合適巡視作業(yè)中拍攝圖像的需求，巡航速度在130~160km/h為宜巡視巡檢設備，如機載光電吊艙、高清攝像機、照相機等森林防護森林防護在山區(qū)人不能及的林區(qū)巡邏偵查，或者對森林火場進行偵查輕小型飛機不具備滅火能力，只能用于偵查和巡邏作業(yè)森林防護作業(yè)對飛行器性能的需求：山區(qū)作業(yè)對飛機升限的要求，一般要求2000米以上我國西南林區(qū)的地形地勢比較復雜，山中作業(yè)的風切變、山高林密的特點對安全飛行有威脅國內(nèi)用于航空護林的飛機有運12，以及多種大中型直升機等航空科學與工程學院試驗研究電力線路巡檢輸電線路的整體普查作業(yè)適合固定翼飛機，替代人工巡檢提高效率作業(yè)量：國內(nèi)的電力巡檢作業(yè)多引進了直升機和多旋翼無人機；固定翼飛機主要為整體普查電力線路巡檢作業(yè)對飛行器性能的需求：作業(yè)速度低，現(xiàn)有固定翼無人機的巡線作業(yè)速度約70km/h左右載荷能力主要為機載成像設備和通信設備低空飛行和貼線飛行的安全性要求電力巡檢作業(yè)應攜帶可見光成像設備、紅外、紫外成像設備目前用于電力巡檢的固定翼無人機均為小型載荷的，彈射起飛的無人機航空科學與工程學院試驗研究私人交通小型通用飛機受有效載荷的限制，攜帶燃油有限，所以適合一些短途出行美國所有的通用飛機中，以交通為主的飛機所占比超過80%，隨著國內(nèi)的地面交通堵塞的加劇和低空空域的開放，私人交通的飛機需求很有潛力私人交通對飛行器的性能需求：載人飛行，有效載荷應大于200kg舒適性與安全性航程應不小于1200km應用一些先進的操控技術，提升安全性觀光旅游觀光旅游主要有：飛行體驗、空中觀光和高端旅游需求以新疆開放首條低空旅游航線為例：從富蘊至喀納斯乘坐汽車需8小時，而開通航線后乘坐通航飛機只需70分鐘就可以到喀納斯看星空私人