飞机总体设计-2第二讲-设计的依据与参数选择

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,飞机设计的依据,主要设计参数选择,部件及分系统设计,飞机总体布置和几何建模,飞机性能综合分析评估,总体布局设计,经济性、环保性分析,多学科设计优化(MOD),配平型式选择,机舱与装载布置,机翼参数选择,推进系统设计,尾翼参数选择,起落架布置,权衡分析,结构布局及重量,本讲内容在设计流程中的位置,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,2,3,2.1.1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,4,2.1.1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,5,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,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,简单剖面：起飞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,作战剖面：起飞爬升巡航待机下降投弹爬升巡航待机下降着陆,8,2.1.1飞机的设计要求,飞机设计要求的基本内容（续）任务剖面,9,2.1.1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,10,2.1.1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,11,2.1.1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、使用寿命研制周期和费用经济性指标制造成本直接运营成本（Directoperatingcosts，DOC）环保性指标,12,2.1.2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,13,2.1.2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）,14,2.1.3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,15,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,16,2.1.4设计要求示例,类型与用途作为与先进战术战斗机（AdvancedTacticalFighter，ATF）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：AircraftEngineDesign,1987(2ndEdition,2002),17,2.1.4设计要求示例,任务剖面,14个任务段,20个任务段！,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,任务剖面,21,2.1.4设计要求示例,性能要求,22,2.1.4设计要求示例,有效载荷飞行员1名武器AMRAAM2326lb/枚AIM-9L2191lb/枚25mm机炮1270lb炮弹500550lb,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,24,2.2.1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,25,“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,26,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,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,27,概念构思的体现概念草图（ConceptualSketch）,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,28,2.2.1概念构思与概念草图,概念草图,29,来源：KirschbaumsAircraftDesignHandbook,AircraftDesignAidandLayoutGuide,2.2.1概念构思与概念草图,概念草图,30,T1“潮汐猎人”（330501）,T9（330504）,2.2.1概念构思与概念草图,DT02“火蜥蜴”（100510）,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,31,2.2.1概念构思与概念草图,32,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概念构思与概念草图,33,符号与单位说明,2.2.1概念构思与概念草图,34,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,35,飞机相对重量因数统计表（战斗机）,2.2.2初步参数选择,36,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,37,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,38,2.2.2初步参数选择,空机重量估计,39,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0.95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-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：,40,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：,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暖机、起飞、爬升和着陆忽略下降段,42,2.2.2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,43,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！,44,2.2.2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个机翼设计参数：展弦比=翼展的平方机翼参考面积,45,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,46,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,47,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%,48,2.2.2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，则重量比,49,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：,50,2.2.2初步参数选择,一级近似法（First-orderdesignmethod）!,51,迭代通常只须几次就可以收敛,We/W0=AW0CKvs,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,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,54,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,56,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,57,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,58,更深入的参