飛機(jī)總體設(shè)計(jì)課件 04-重量估算與指標(biāo)分配

重量估算與指標(biāo)分配田云北京航空航天大學(xué)2023年3月13日設(shè)計(jì)要求、適航條例全機(jī)布局設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)選擇重量估算與指標(biāo)分配機(jī)翼外形初步設(shè)計(jì)

方案分析與評估

重量特性氣動(dòng)特性動(dòng)力特性性能評估操穩(wěn)特性經(jīng)濟(jì)性分析噪聲特性排放量可靠性維修性機(jī)場適應(yīng)性……確定主要參數(shù)尾翼外形初步設(shè)計(jì)總體布置形成初步方案設(shè)計(jì)滿足要求？方案最優(yōu)？YesNo分系統(tǒng)初步方案分析起落架概念設(shè)計(jì)流程重量估算與指標(biāo)分配提綱一、重量指標(biāo)的重要性二、重量的組成三、估算方法3.1根據(jù)商載、航程估算3.2結(jié)構(gòu)重量估算方法3.3基于特征參數(shù)估算方法四、重心估算與機(jī)翼位置調(diào)整一、重量的重要性重量增加引起的后果：航程縮短、爬升率下降、起飛和著陸距離增加若想保持性能不變，則有效載荷不得不減小飛機(jī)成本增加重量增加引起的惡性循環(huán)：如果飛機(jī)的性能指標(biāo)保持不變，結(jié)構(gòu)重量增加將導(dǎo)致油耗增加，需更大的發(fā)動(dòng)機(jī)，更強(qiáng)起落架、較大的機(jī)翼和尾翼面積反過來，這些增加將要求更重的結(jié)構(gòu);更重結(jié)構(gòu)又……這種惡性循環(huán)引起所謂的“重量雪球效應(yīng)”一、重量的重要性中程客機(jī)一、重量的重要性增加1000kg無用結(jié)構(gòu)重量，對二種座級飛機(jī)產(chǎn)生的影響一、重量的重要性提綱一、重量指標(biāo)的重要性二、重量的組成三、估算方法3.1根據(jù)商載、航程估算3.2結(jié)構(gòu)重量估算方法3.3基于特征參數(shù)估算方法四、重心估算與機(jī)翼位置調(diào)整結(jié)構(gòu)重量機(jī)翼機(jī)身尾翼短艙起落架推進(jìn)系統(tǒng)固定設(shè)備使用項(xiàng)目機(jī)組有效載荷（商載）燃油基本空量使用空重零燃油重量最大起飛重量二、重量組成

機(jī)身7600kg10.2%

機(jī)翼9042kg12.2%起落架2940kg4.0%短艙1460kg2.0%

尾翼1371kg1.8%

結(jié)構(gòu)22413kg30.2%

固定設(shè)備

9555kg12.9%

設(shè)計(jì)燃油

20790kg28%

設(shè)計(jì)商載

14250kg19.2%

動(dòng)力裝置

5307kg7.1%輪檔重量74550kg最大起飛74250kg最大著陸62370kg最大零油56310kg

使用空重

39210kg52.8%

使用項(xiàng)目

1184kg1.6%

設(shè)計(jì)余重

750kg1%最大起飛重量74250kg

混合級150人二、重量組成提綱一、重量指標(biāo)的重要性二、重量的組成三、估算方法3.1根據(jù)商載、航程估算3.2結(jié)構(gòu)重量估算方法3.3基于特征參數(shù)估算方法四、重心估算與機(jī)翼位置調(diào)整3.1、根據(jù)商載、航程估算任務(wù)段描述1發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)暖機(jī)0.9902滑行0.9903起飛0.9954爬升0.9805巡航0.8186待機(jī)0.9747下降0.9908轉(zhuǎn)場爬升0.9809轉(zhuǎn)場巡航0.98510下降0.99011著陸滑行停車0.9923.1、根據(jù)商載、航程估算機(jī)型起飛總重（kg）空重（kg）誤差（%）（舊公式）B737-700ER7763438399.3210.95B737-90079086.843011.960.83B737-900ER85215.843011.968.35B767-400ER204300102785.65.25B777-300ER351850168706.48.25B777-200LR34776415594915.79B787-3165256826286.74B787-82197361098685.62B787-92451601225805.20A321-20093569.4483515.47A3805606902773945.12經(jīng)驗(yàn)值：A=0.0833，B=1.03833.1、根據(jù)商載、航程估算機(jī)型誤差（%）（舊公式）誤差（%）（新公式）B737-700ER10.954.12B737-9000.83-5.38B737-900ER8.351.65B767-400ER5.25-1.48B777-300ER8.251.18B777-200LR15.798.24B787-36.74-0.03B787-85.62-1.15B787-95.20-1.57A321-2005.47-1.07.A3805.12-3.723.1、根據(jù)商載、航程估算基于統(tǒng)計(jì)的估算方法基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，按基本空重百分比分配重量指標(biāo)基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，建立參數(shù)化的結(jié)構(gòu)部件重量估算方程基于數(shù)值仿真/虛擬樣機(jī)的方法結(jié)構(gòu)有限元模型三維CAD模型3.2、結(jié)構(gòu)重量估算方法重量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)3.2、結(jié)構(gòu)重量估算方法重量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（續(xù)）3.2、結(jié)構(gòu)重量估算方法

對于同類型飛機(jī)，機(jī)翼、機(jī)身、尾翼、短艙、起落架、推進(jìn)系統(tǒng)、固定設(shè)備在基本空重所占百分比存在一定的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。機(jī)翼機(jī)身發(fā)動(dòng)機(jī)起落架尾翼3.2、結(jié)構(gòu)重量估算方法典型的重量指標(biāo)分配3.2、結(jié)構(gòu)重量估算方法3.3、基于特征參數(shù)的結(jié)構(gòu)重量估算思路通過收集現(xiàn)有的外形數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)部件重量的數(shù)據(jù)，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，得到外形數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)部件重量之間的近似數(shù)學(xué)表達(dá)式。特點(diǎn)只能適用于類似的飛機(jī)。所需的輸入數(shù)據(jù)較少，一般只需主要外形數(shù)據(jù)。重量與外形設(shè)計(jì)參數(shù)有顯式關(guān)系式。若飛機(jī)的差別較大，精度不高。機(jī)身重量Lf－機(jī)身長度（m）；Bf－機(jī)身最大寬度（m）；Hf－機(jī)身最大高度（m）；C2－增壓機(jī)身系數(shù)，對于客機(jī)取0.79；p－客艙內(nèi)外壓差，單位是巴（bar），典型值0.58。(kg）3.3、基于特征參數(shù)的結(jié)構(gòu)重量估算尾翼重量水平尾翼的重量：垂直尾翼的重量：VD－設(shè)計(jì)俯沖速度；SH

－平尾面積；SV

－垂尾面積；K12

－為尾翼布局系數(shù)，范圍為1.0-1.5，根據(jù)平尾的安裝位置來選擇。若平尾安裝于機(jī)身尾段，K12選擇為1.0。3.3、基于特征參數(shù)的結(jié)構(gòu)重量估算動(dòng)力裝置重量動(dòng)力裝置重量包括發(fā)動(dòng)機(jī)、安裝、排氣系統(tǒng)、短艙等重量，計(jì)算公式為：n－機(jī)翼下吊掛的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量。C3－為推進(jìn)系統(tǒng)安裝系數(shù)，對于噴氣運(yùn)輸機(jī)一般取1.56。Meng－為發(fā)動(dòng)機(jī)裸機(jī)重量，若未知，可按下式估算：BPR為涵道比T0為3.3、基于特征參數(shù)的結(jié)構(gòu)重量估算系統(tǒng)和設(shè)備重量各種系統(tǒng)（但不含起落裝置）和設(shè)備重量之和為：C4－取決于飛機(jī)類型的系數(shù)：短程客機(jī)一般取0.14；中程客機(jī)取11％；遠(yuǎn)程客機(jī)取8％起落架重量

Clg－對于客機(jī)一般取4.5%左右。3.3、基于特征參數(shù)的結(jié)構(gòu)重量估算使用項(xiàng)目重量包括機(jī)組人員重量（含機(jī)組人員需要的相關(guān)物品）、安全設(shè)備（應(yīng)急氧氣和救生艇）、裝貨設(shè)備、水、食品等。其中P是乘客人數(shù)，nC是機(jī)組人員人數(shù)，F(xiàn)OP是一個(gè)取決于航程的系數(shù)，對于中短程客機(jī)取12。3.3、基于特征參數(shù)的結(jié)構(gòu)重量估算有效載荷其中：95－乘客平均體重（約75kg）與平均行李重量（約20kg）之和；P－飛機(jī)載客人數(shù)；Mfreight－不含旅客和行李的貨運(yùn)重量。3.3、基于特征參數(shù)的結(jié)構(gòu)重量估算

飛機(jī)大部件稱重提綱一、重量指標(biāo)的重要性二、重量的組成三、估算方法3.1根據(jù)商載、航程估算3.2結(jié)構(gòu)重量估算方法3.3基于特征參數(shù)估算方法四、重心估算與機(jī)翼位置調(diào)整四、重心估算與機(jī)翼位置調(diào)整正常使用重心飛機(jī)在正常飛行過程中，經(jīng)常保持的重心位置。使用重心前限飛機(jī)在飛行過程中，重心可能的最前位置。使用重心后限飛機(jī)在飛行過程中，重心可能的最后位置。重心前限：15%MAC重心后限：40%MAC使用空機(jī)重心：25%MAC焦點(diǎn)：51.61%MAC靜穩(wěn)定裕度：11.61%MAC最小防倒立角：15度四、重心估算與機(jī)翼位置調(diào)整L/20.4L/2(38~40%)cA(40~42%)cA35%半展長機(jī)翼直機(jī)翼后掠角和三角翼四、重心估算與機(jī)翼位置調(diào)整(45~50%)cA38%半展長平尾垂尾四、重心估算與機(jī)翼位置調(diào)整起落裝置假設(shè)與全機(jī)重心重合動(dòng)力裝置由發(fā)動(dòng)機(jī)重心位置來確定固定設(shè)備假設(shè)與全機(jī)重心重合燃油根據(jù)油箱布置的位置計(jì)算油箱的體積和重量，燃油密度＝0.8g/cm3有效載荷（乘客和行李、貨物或武器彈藥）由載荷的布置來確定四、重心估算與機(jī)翼位置調(diào)整重心在平均空氣動(dòng)力翼弦的位置：cA四、重心估算與機(jī)翼位置調(diào)整統(tǒng)計(jì)規(guī)律對于翼吊布局，重心大約在25％平均氣動(dòng)弦長處左右。對于尾吊布局，重心大約在35％平均氣動(dòng)弦長處左右。重心調(diào)整若重心估算的結(jié)果表明，基本空機(jī)重量不符合上述統(tǒng)計(jì)規(guī)律，需調(diào)整機(jī)翼位置（燃油、發(fā)動(dòng)機(jī)）。四、重心估算與機(jī)翼位置調(diào)整各部件重心（CAD軟件）重心位置重心位置重心位置重心位置重心位置重心位置結(jié)果匯總項(xiàng)目重量（kg）重心（m）MAC項(xiàng)目重量（kg）重心（m）MAC項(xiàng)目重量（kg）重心（m）MAC輪檔重量74550發(fā)動(dòng)機(jī)4626除冰系統(tǒng)19516起飛總重7425017.270.265燃油系統(tǒng)301表面噴漆25017.8使用空重3921017.20.250發(fā)動(dòng)機(jī)操縱系統(tǒng)44.5設(shè)計(jì)余重75017.8空機(jī)重量38026發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)36使用項(xiàng)目1184結(jié)構(gòu)重量22413反推力系統(tǒng)300發(fā)動(dòng)機(jī)滑油3617.8機(jī)翼904218.3內(nèi)部設(shè)備及系統(tǒng)9555不可用燃油36916.4機(jī)身760016操縱系統(tǒng)81122廁所沖洗液2031平尾76334輔助動(dòng)力裝置18335機(jī)組人員4753垂尾60835儀表設(shè)備2682空勤組行李7015.1前起落架4504.4液壓氣壓系統(tǒng)62721盥洗水1684主起落架249018.4電氣系統(tǒng)81217飛行資料3802620掛架26014.3電子設(shè)備4053設(shè)計(jì)商載142503短艙120013.8客艙設(shè)備525518設(shè)計(jì)燃油20790