飛行器總體設(shè)計

飛行器總體設(shè)計第1頁/共63頁2第二章飛機初始總體參數(shù)與方案設(shè)計2.1概念構(gòu)思與概念草圖2.2飛機的主要總體設(shè)計參數(shù)2.3初步重量估算2.4權(quán)衡研究2.5推重比與翼載荷2.6總體布局形式的選擇（方案設(shè)計）2.7飛機氣動布局的選擇2.8隱身性能對飛機氣動布局的影響第2頁/共63頁32.1概念構(gòu)思與概念草圖概念構(gòu)思的形成熟知同類用途飛機的布局形式，了解不同布局的利弊和特點第3頁/共63頁42.1概念構(gòu)思與概念草圖概念構(gòu)思的形成積累數(shù)據(jù)飛機的數(shù)據(jù)主要標(biāo)準(zhǔn)部件的形狀和重量座椅、炸彈、機炮、集裝箱…可能的發(fā)動機了解相關(guān)領(lǐng)域的最新水平氣動、結(jié)構(gòu)、飛控系統(tǒng)、隱身技術(shù)…

“勿在浮砂筑高臺”

—候俊杰《深入淺出MFC》第4頁/共63頁52.1概念構(gòu)思與概念草圖概念構(gòu)思的形成積累數(shù)據(jù)主要的數(shù)據(jù)來源飛機的技術(shù)說明書簡氏飛機年鑒

（Jane‘sAllTheWorld’sAircraft）飛機公司宣傳資料設(shè)計教科書期刊雜志互聯(lián)網(wǎng)第5頁/共63頁62.1概念構(gòu)思與概念草圖概念構(gòu)思的形成對各專業(yè)基本知識的全面了解＋創(chuàng)新的思想＋美學(xué)觀點概念構(gòu)思的體現(xiàn)

—概念草圖（ConceptualSketch）第6頁/共63頁72.1概念構(gòu)思與概念草圖概念草圖畫出多個候選方案，不要指望一開始就知道該怎么做在可能的情況下對多個方案都進行分析和優(yōu)化第7頁/共63頁82.1概念構(gòu)思與概念草圖概念草圖來源：Kirschbaum’sAircraftDesignHandbook,AircraftDesignAidandLayoutGuide第8頁/共63頁92.1概念構(gòu)思與概念草圖概念草圖T1“潮汐獵人”T9第9頁/共63頁102.1概念構(gòu)思與概念草圖草圖的作用確定你對要設(shè)計的方案的整體印象勾畫出氣動布局表示出在哪里布置機組、有效載荷、乘員、起落架、發(fā)動機、燃油和主要的子系統(tǒng)用于總體設(shè)計的第一次近似

—估算初始的主要總體設(shè)計參數(shù)第10頁/共63頁112.2飛機的主要總體設(shè)計參數(shù)飛機運動方程分析重力推力阻力升力來源：IntroductiontoAeronautics:ADesignPerspective第11頁/共63頁122.2飛機的主要總體設(shè)計參數(shù)飛機的主要總體設(shè)計參數(shù)設(shè)計起飛重量W0(kg)動力裝置海平面靜推力

T(N)機翼面積S(m2)組合參數(shù)推重比T/W0翼載荷W0/S(kg/m2)第12頁/共63頁132.2飛機的主要總體設(shè)計參數(shù)

符號與單位說明參數(shù)《飛機總體設(shè)計》本課程重量

m(kg)

推力F(N)T(N)重力G(N)

W

(N)推重比F0/G0T/W0翼載荷m0/S(kg/m2)W0/S(kg/m2)升阻比K=CL/CDL/D第13頁/共63頁142.2飛機的主要總體設(shè)計參數(shù)Sizing－參數(shù)選擇；定參數(shù)第14頁/共63頁152.3初步重量估計起飛重量的構(gòu)成

乘員有效載荷燃油空機重量第15頁/共63頁162.3初步重量估計空機重量估計對不同類型的飛機，可以統(tǒng)計出一定的趨勢第16頁/共63頁172.3初步重量估計空機重量估計We/W0=AW0CKvsA{A-公制}C雙發(fā)渦輪螺槳飛機0.96{0.92}-0.05噴氣式教練機1.59{1.47}-0.10噴氣式戰(zhàn)斗機2.34{2.11}-0.13軍用貨機／轟炸機0.93{0.88}-0.07噴氣式運輸機1.02{0.97}-0.06Kvs=可變后掠常數(shù)=1.04對可變后掠機翼

=1.00對固定后掠機翼復(fù)合材料的應(yīng)用：近似為We/W0統(tǒng)計值的0.9倍第17頁/共63頁182.3初步重量估計燃油重量估計機上燃油＝“任務(wù)燃油”＋儲備燃油＋“死油”一級近似（First-orderdesign）：假設(shè)任務(wù)所需燃油與飛機的重量成正比，則Wf/W0近似地與飛機重量無關(guān)根據(jù)任務(wù)段重量比計算任務(wù)段重量比：飛機在某一任務(wù)段結(jié)束時的重量除以該任務(wù)段開始時的重量任意的第i段：

或第18頁/共63頁192.3初步重量估計燃油重量估計整個任務(wù)結(jié)束時的飛機重量Wx與初始重量W0之比等于各段重量比的乘積例如：第19頁/共63頁202.3初步重量估計燃油重量估計各種任務(wù)段的重量比估算方法暖機、起飛、爬升和著陸忽略下降段任務(wù)段(Wi/Wi-1)暖機和起飛0.970爬升0.985著陸0.995第20頁/共63頁212.3初步重量估計燃油重量估計各種任務(wù)段的重量比估算方法巡航－根據(jù)布雷蓋特（Breguet）航程公式待機(Loiter)－根據(jù)續(xù)航時間公式V=速度(ft/s或m/s)R=航程(ft或m)E=工作時間或待機時間（s）C=單位耗油率L/D=升阻比第21頁/共63頁222.3初步重量估計單位耗油率（SFC或C）單位時間內(nèi)產(chǎn)生單位推力所消耗的燃油量對不同類型的發(fā)動機可以進行統(tǒng)計擬和注意單位！典型噴氣式發(fā)動機的SFC:1/h{mg/N·s}巡航待機純渦輪噴氣式0.9{25.5}0.8{22.7}低涵道比渦輪風(fēng)扇0.8{22.7}0.7{19.8}高涵道比渦輪風(fēng)扇0.5{14.1}0.4{11.3}第22頁/共63頁232.3初步重量估計單位耗油率（SFC或C）對于螺旋槳飛機等效的SFC典型的Cbhp/ηp巡航待機活塞式螺旋槳（定距）0.4/0.80.5/0.7活塞式螺旋槳（變距）0.4/0.80.5/0.8渦輪螺旋槳0.5/0.80.5/0.8第23頁/共63頁242.3初步重量估計

燃油重量估計在不考慮有效載荷投放的情況下，任務(wù)過程中的總重減少，必然是燃油消耗所致任務(wù)中消耗的燃油＝一般情況下，可假定余油儲備和死油占6%第24頁/共63頁252.3初步重量估計

存在投放有效載荷段的剖面分析方法例：設(shè)總共14段，第7段投放有效載荷W7dropped，則重量比其中第25頁/共63頁262.3初步重量估計存在投放有效載荷段的剖面分析方法（續(xù)）著陸重量：任務(wù)中消耗燃油：總的燃油重量：第26頁/共63頁272.3初步重量估計升阻比L/D是設(shè)計方案總體氣動效率的量度取決于兩個設(shè)計因素：機翼翼展＆浸潤面積估算升阻比時常用的另一個機翼設(shè)計參數(shù)：展弦比=翼展的平方／機翼參考面積等效展弦比=aMacmaxaC噴氣教練機4.737-0.979噴氣戰(zhàn)斗機（格斗）5.416-0.622噴氣戰(zhàn)斗機（其它）4.110-0.622軍用運輸/轟炸機5.570-1.075噴氣運輸機7.500等效展弦比=翼展的平方/（機翼和鴨翼面積）

第27頁/共63頁282.3初步重量估計參數(shù)B-47火神S參考14303446S浸濕113009600展長11690S浸濕/S參考7.92.8展弦比9.43.0浸濕展弦比1.21.2L/Dmax17.217.0第28頁/共63頁292.3初步重量估計升阻比Sjr/S（或Swet/Sref）等效展弦比

l2/S浸潤展弦比

l2/Sjr概念草圖+第29頁/共63頁302.3初步重量估計升阻比最大升阻比！巡航待機噴氣式飛機0.866L/DmaxL/Dmax螺旋槳飛機L/Dmax0.866L/Dmax最大升阻比與浸濕展弦比的關(guān)系圖第30頁/共63頁312.3初步重量估計一級近似法（First-orderdesignmethod）!

任務(wù)段中不得進行有效載荷的投放迭代通常只須幾次就可以收斂第31頁/共63頁322.4權(quán)衡研究（TradeStudies）方案研究中的一個重要環(huán)節(jié)是與用戶一道評審和仔細分析設(shè)計要求通過對要求中的項目進行變化，可以分析出該項目對起飛總重的影響，進而更合理地確定要求的取值還可以反映出新技術(shù)（如采用某種復(fù)合材料）對設(shè)計的影響第32頁/共63頁332.4權(quán)衡研究（TradeStudies）

簡單示例：反潛機任務(wù)剖面概念草圖航程的權(quán)衡第33頁/共63頁342.5推重比與翼載荷最簡單的方法：參照以往的統(tǒng)計值主要設(shè)計參數(shù)的選擇與確定是反復(fù)迭代的循環(huán)過程第34頁/共63頁35小結(jié)

飛機必須在帶有裝載物的情況下達到航程、航時、速度和巡航速度的目標(biāo)。本節(jié)提供了一種快速估計起飛總重、空重、任務(wù)油重的方法。該方法適用于如下12種飛機：自制螺旋槳飛機；單發(fā)螺旋槳飛機；雙發(fā)螺旋槳飛機；農(nóng)業(yè)飛機；公務(wù)機；渦輪螺旋槳支線飛機；噴氣運輸機；軍用教練機；戰(zhàn)斗機；軍用巡邏機，轟炸機和運輸機；水陸兩用飛機；超音速巡航飛機。第35頁/共63頁36

任務(wù)油重的確定第36頁/共63頁37第37頁/共63頁38空機重量的估算

第38頁/共63頁39已有的飛機總體布局型式2.6總體布局形式的選擇（方案設(shè)計）第39頁/共63頁40注意：除考慮氣動布局以外，還要考慮：1有效載荷的布局形式2巡航狀態(tài)的主要升力系統(tǒng)形式和增升裝置布局等3動力裝置的形式4起落架的形式5結(jié)構(gòu)受力系統(tǒng)及各部位之間的協(xié)調(diào)6所需的機上設(shè)備、儀表和操縱系統(tǒng)7工藝分離面和使用分離面2.6總體布局形式的選擇（方案設(shè)計）第40頁/共63頁412.7飛機氣動布局的選擇

飛機的氣動布局通常是指其不同的氣動力承力面的安排形式。全機氣動特性取決于各承力面之間的相互位置以及相對尺寸和形狀。根據(jù)各輔助翼面與機翼相對位置及輔助面的多少，有以下幾種氣動布局形式：

——正常式布局；

——鴨式布局；

——無尾或“飛翼”；

——三翼面布局。第41頁/共63頁422.7飛機氣動布局的選擇2.7.1正常式布局

J8波音787第42頁/共63頁432.7飛機氣動布局的選擇2.7.2鴨式布局隨著主動控制技術(shù)的發(fā)展，電傳操縱技術(shù)的成熟，把前翼設(shè)計得比較大（相對面積8％～15％）并靠近機翼構(gòu)成所謂近耦合鴨式布局已成為現(xiàn)實。J20近距耦合鴨式布局圖-144第43頁/共63頁442.7飛機氣動布局的選擇2.7.3無尾式布局

由于無尾飛機沒有前翼和平尾，其飛機的縱向操縱和配平僅靠機翼后緣的升降舵來實現(xiàn)無尾飛機機種幻影2000第44頁/共63頁452.7飛機氣動布局的選擇2.7.4三翼面布局三翼面布局是在正常式布局的基礎(chǔ)上增加一個水平前翼而構(gòu)成的（即前翼+機翼+平尾），因此，它綜合了正常式和鴨式布局的優(yōu)點，經(jīng)過仔細設(shè)計，有可能得到更好的確定特性，特別是操縱和配平特性殲10三翼面布局典型機種F-15S/MTD第45頁/共63頁462.7飛機氣動布局的選擇

2.7.5選擇飛機布局時要考慮的其它因素在選擇飛機布局時，除選擇氣動配平的型式外，還要考慮其它因素。首先要選擇機翼的平面形狀、尾翼的尺寸和在飛機上的安裝位置，然后是選擇起落架的型式及其在飛機上的安裝位置。在飛機氣動阻力中稱為干擾阻力的部分決定于飛機各部分之間的相互影響，最主要的中機翼和機身之間的相互干擾。第46頁/共63頁47設(shè)計實例：反潛機第47頁/共63頁48目錄反潛機設(shè)計要求方案草圖設(shè)計升阻比L/D的估算起飛重量的確定權(quán)衡分析總結(jié)第48頁/共63頁491.反潛機設(shè)計要求某反潛機任務(wù)剖面第49頁/共63頁502.方案草圖設(shè)計第50頁/共63頁512.方案草圖設(shè)計(續(xù))第51頁/共63頁523.升阻比L/D的估算

機翼的展弦比選11?？紤]鴨翼的面積其組合展弦比約為8。由左下圖，浸濕面積比（S浸濕/S參考）約為5.5。浸濕展弦比即為1.45（即8/5.5）第52頁/共63頁533.升阻比L/D的估算查下圖查，浸濕展弦比為1.45時，其最大升阻比大約可望達到17。由噴氣式飛機，L/D待機＝17值，L/D巡航＝15（0.866倍）第53頁/共63頁544.起飛重量的確定任務(wù)段重量比1)暖機和起飛W1/W0=0.974)待機E=3h=10800s2)爬升

W2/W1=0.985C=0.4l/h=0.0001111l/s3)巡航R=1500nm=9114000ftL/D=16（保險起見）

C=0.5l/h=0.0001389l/sW4/W3=e｛-EC/L/D｝=e-0.075=0.9277

V=0.6M×(994.8ft/s)=569.9ft/s5)巡航(同3)W5/W4=0.8624

L/D=156）待機E=1/3h=1200s

W3/W2=e｛-RC/VL/D｝=e-0.148=0.8624C=0.0001111s

L/D=16

W6/W5=e-0.0083=0.99177)著陸W7/W6=0.995

W7/W0=0.97×0.985×0.8624×0.9277×0.8624×0.9917×0.995＝0.6505Wf/W0=1.06(1-0.6505)＝0.3705

We/W0=0.93W0-0.07W0假設(shè)值WE/W0W0計算值50000530005400055000550070.43610.43430.43370.43320.43325583455326551665500955008第54頁/共63頁555.權(quán)衡分析(航程)航程權(quán)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

W0假設(shè)值WE/W0W0計算值50000400004190041800417800.43610.44290.44150.44160.44164090441996417634177441777W0假設(shè)值WE/W0W0計算值50000800007700076500764500.43610.42190.42310.42330.42338402675713763177642276432第55頁/共63頁565.