飞行器设计报告

1、飞行器设计分析与仿真课程设计报告学 院：机械电子工程学院、空天院学生姓名: 许子卿 李军辉学生学号：201322080433 2013221903112014年4月23日飞行器设计分析与仿真实现课程总结姓名：许子卿 学号：201322080433学院：机械电子工程学院一般意义上，飞行器包括人造卫星、宇宙飞船、空间站、深空探测器运载火 箭、航天飞机等空间飞行器及导弹。本课程仅就飞机作为研究对象来展开。飞机按功能分类可以分为军用飞机和民用飞机。军用飞机具有完成空中拦 截、侦察、轰炸、攻击、预警、反潜、电子干扰、军事运输、空降等任务。显然 其种类按功能分类可分为歼击机、侦察机、轰炸机、攻击机、预警机

2、、反潜机、 电子干扰机、运输机等。民用飞机客分为、通用航空飞机。航线飞机/民用运输 机指的是用于商业飞行的客机和货机；通用航空飞机是指使用民用航空器从事公 共航空运输以外的民用航空活动。飞机还可以按照构造型式分类：按机翼型式中又可以按照机翼数量和位置、 机翼平面形状分类；按尾翼型式和位置可分为平尾、V型尾翼、垂尾；按动力装 置分类可分为螺旋桨式和喷气式；按机身型式分类可分为单机身飞机和双尾撑飞 机；按发动机位置可分为翼内、翼上、翼下、翼下吊舱、机身尾吊、机身内。通过一学期的课程学习，我对飞机研制的整个流程有了初步了解和认识。在 飞机的研制中有以下几个步骤：1、首先，第一步要确定飞机的任务和用途

3、。民用飞机通常由航空公司提出 其需求；军用飞机会遵循军方给出的一个需求方案说明书（RFP）来完成设计任 务，以上这些是飞机设计的基本依据，决定了飞机的主要性能指标、主要使用条 件和机载设备等。飞机是一个整体系统，所有必需对各部分做全面充分的考虑。所以在设计过 程中先要进行总体设计然后再进行结构设计。在这个阶段需要给出飞机的三视 图。2、对飞机进行总体设计，其中需要估算主要参数中的飞机总重、发动机推 力和翼载荷；设计飞机的基本外形和尺寸，机翼、尾翼、机身；对飞机进行初步 部位安排，包括飞机的内部布置及主要受力构件安排与协调。3、对飞机进行结构设计，这是设计中重要的一个环节。设计者根据结构设 计的

4、原始条件和基本要求，提出方案及进行具体的部件和零构件设计进行强度计 算和必要的试验，最后完成绘出结构图纸，完成相应的技术文件。原始条件包括： 结构的外载以及对结构受力特性的要求；飞机结构的协调关系；结构的使用条件； 结构的生产条件。基本要求有气动性能和设计一体化要求、最小重量要求、使用 维护要求、工艺要求、经济性要求。值得注意的是，这里面涉及到一个至关重要 的概念一最小重量，减重是飞行器设计人员的重要使命，因此产生了一个有意思 的口号：“为减轻飞机的每一克重量而奋斗”。4、飞机制造工厂根据飞机设计单位提供的设计图纸和技术资料进行试制和 安装。5、最后进入飞机的试飞阶段。该阶段是整个飞机设计过程

5、中的最重要的阶 段，就像编程中调试是最重要的一步医一样。在这个阶段，设计人员可以从各种 试验中找出不足，以进一步的提高飞机的性能和安全性。在试飞之前需要做一些 地面测试，比如全集静强度试验、地面操作试验起落架试验等。其中风洞实验是 必不可少的一个环节，它能测定飞机的气动布局是否合理。因此有这么一说，与 其说飞机是设计出来的，不如说飞机是试飞出来的。总之，通过学习本课程，我掌握了利用Advanced Aircraft Analysis 2.5设计飞 行器参数的方法，并且详细学习并掌握了飞机机翼的各个参数以及它们所决定的 飞行性能。而且在课余时间查阅大量资料，了解了飞机的飞行原理、发展历史以 及一

6、些经典机型。在此，也感谢航空航天学院能够开展这门课程，为我们这些别 的学院的学生提供了学习飞行器知识的机会，也感谢徐老师半个学期认真严谨地 为我们授课。谢谢您！飞行器设计分析与仿真实现课程总结姓名：李军辉学号：201322190311学院：空天院不知不觉间飞行器设计分析与仿真实现这门课程就要结束了，我感觉自己还 是有不少的收获的。小时候就对飞机很好奇，很向往能亲自见它一见，看它如何构造，如何飞行， 并且知道它的构造原理及飞行原理。但那时由于条件有限，知识也不到位，所以 一直以来接触这方面的知识很少。如今学习了这门课程，我对飞行器的设计分析 与仿真有了初步的了解，知道了其设计的大概流程，同时也增

7、长了不少见识。大多数飞机由五个主要部分组成：机翼、机身、尾翼、起落装置和动力装置。 机翼的主要功用是为飞机提供升力，以支持飞机在空中飞行，也起一定的稳定和 操纵作用。机身的主要功用是装载乘员、旅客、武器、货物和各种设备；还可将 飞机的其它部件如尾翼、机翼及发动机等连接成一个整体。尾翼的主要功用是用 来操纵飞机俯仰和偏转，以及保证飞机能平稳地飞行。起落装置又称起落架，是 用来支撑飞机并使它能在地面和其他水平面起落和停放。它是用于起飞与着陆滑 跑、地面滑行和停放时支撑飞机。动力装置主要用来产生拉力或推力，使飞机前 进。其次还可以为飞机上的用电设备提供电力，为空调设备等用气设备提供气源。 现代飞机的

8、动力装置主要包括涡轮发动机和活塞发动机两种，应用较广泛的动力 装置有四种：航空活塞式发动机加螺旋桨推进器；涡轮喷射发动机；涡轮螺旋桨 发动机；涡轮风扇发动机。飞机是一个复杂的工程系统，具有研制周期长、费用高等特点，飞机的研制 包括5个阶段：论证阶段、方案阶段、工程研制阶段、设计定型阶段、生产定型 阶段。论证阶段主要是研究新飞机设计的可行性，包括技术可行性和经济可行性。 方案阶段主要是设计出可行的飞机总体技术方案。方案阶段的主要工作任务有： 确定飞机布局形式、总体设计参数，选定动力装置，确定机体主要结构材料和工 艺分离面等；形成飞机的总体布置图、三面图、结构受力系统图，进行重心定位、 性能和操稳

9、性能分析、结构强度和刚度分析等。工程研制阶段就是根据方案阶段 确定的飞机总体技术方案，进行飞机的详细设计、试制、地面试验、试飞准备等。飞行器设计是一个跨学科的工程，它涉及到空气动力学，自动控制学，材料 学，飞行力学，电学等各个学科，正由于涉及到这么多学科的知识，飞行器的设 计分析往往不是一个人完成的，而是一个团队去共同协作完成的。飞行器的设计固然需要一定的时间与大量的计算，从飞行器的设计过程可以 看到，要想使一个系统能稳定安全地运行，系统中每一个元素都需要能够协调工 作，并不是说只要每一个零部件都达到完美的工作状态，这个系统的性能就能有 完美的效果。生活同样如此，科研与娱乐都很重要，但如果只是

10、关心其中一项， 固然会对另一个有影响。而如果我们能在两者之间做一个协调，使科研与娱乐达 到一个平衡的状态，想必这一定会对我们的科研与生活带来惊喜！我和队友许子 卿就采用飞行器设计分析软件Advanced aircraft analysis v2.5对飞行器几何结构 进行了初步的分析，也得出了初步的结果。此外，此门课程老师为人很平和，也很负责，主动和同学们进行交流，美中 不足的是此门课程在教室里上，很多人没带电脑，所以效果不是很好，我自己本 人的电脑由于在装Advanced aircraft analysis v2.5帮助系统出了问题，无法进行 安装，又由于缺少相关的知识，不到直接查询帮助，导致

11、开始的设计不是很理想。 后来在重装系统后得到了改善。总之，这门课程是一个很不错的课程，虽然学完这门课仍然无法设计飞行器， 但至少增长了见识，扩充了自己这方面的知识。同时也体会到飞行器设计的不易， 对于激励自己以后的学习科研起到了促进作用。机翼外形参数的分析机翼是飞机的一个重要部件，其主要功用是产生升力，以支持飞机在空中飞 行。同时，机翼也起一定的稳定和操纵作用。在机翼上一般安装有飞机的主操作 舵面：副翼，还有辅助操纵机构襟翼、缝翼等。另外，机翼上还可安装发动机、 起落架等飞机设备，机翼的主要内部空间经密封后，作为存储燃油的油箱之用。 本文根据设计的需要，对机翼的外形参数做了一个简单、浅显的分析

12、。本文拟设计一款重型轰炸机，初步命名为JY-2014A。参考美国和俄罗斯两 款经典的轰炸机 B-52和Tu-22，最大起飞重量 TO max 分别为220000kg和 124000kg。JY-2014A的to max初步确定为200000kg，最大巡航速度不超过 0.9Ma。关于机翼的确定是本文的重点。JY-2014A型机是一款重型轰炸机，其主要 特点就是起飞载荷大，亚音速飞行。出于这两点考虑，机翼可以采用前掠式机翼。 前掠翼的外形特点是，其前缘和后缘均向前掠。如图1所示。图1-前掠翼试验机X-29与后掠翼相比，前掠翼主要有四大优势：一、结构优势。前掠翼结构可以保障机翼与机身之间更好地连接，并

13、且合理 地分配机翼和前起落翼所承受的压力。这些优势用其它方法很难达到或者不可能 达到，它大大提高了飞机在机动时、尤其是在低速机动时的气动性能。此外，前 掠翼的结构设计，还可使飞机的内容积增大，为设置内部武器舱创造了条件，同 时也大大提高了飞机的隐身性能。二、机动优势。前掠翼技术可使飞机在亚音速飞行时具有非常好的气动性能， 从而大大提高其在仰角状态下的机动性。若前掠翼布局与推力矢量控制系统综合 使用，还可使其在空战中更具优势，其近距空战机动能力将成倍地提高。三、起降优势。与相同的翼面积的后掠翼飞机相比，前掠翼飞机的升力更大， 载重量增加30%，因而可缩小飞机机翼，降低飞机的迎面阻力和飞机结构重量

14、； 减少飞机配平阻力，加大飞机的亚音速航程；改善飞机低速操纵性能，缩短起飞 着陆滑跑距离。据美国专家计算，F-16战斗机若使用前掠翼结构，可提高转变 角速度14%，提高作战半径34%，并将起飞着陆距离缩短35%。四、可控优势。使用前掠翼结构可以提高飞机低速度飞行时的可控性，并能 在所有飞行状态下提高空气动力效能，降低失速速度，保证飞机不易进入螺旋， 从而使飞机的安全可靠性大大提高。但是，前掠翼也有很明显的缺点：前掠翼的严重问题是在结构方面，沿结构 曲线方向的弯曲变形会使外翼沿气流方向增大迎角，增加外翼部分升力，进一步 增加机翼的弯曲变形。在足够大的速度下，这种现象会形成恶性循环，直到使机 翼弯

15、曲折断。这个现象称弯扭发散。开始弯扭发散的速度称弯扭发散（临界）速 度。为了提高前掠翼的弯扭发散速度，需增加机翼抗弯刚度，这就会导致机翼结 构重量的增加，以致完全抵消采用前掠翼带来的好处。由于本文中的JY-2014A是低速飞机，最大飞行速度0.9马赫，所以在某种 程度上可以不考虑机翼气动发散的问题。而且早在1945年2月，德国容克斯公 司就研制出了一种名为Ju-287的前掠翼四发喷气轰炸机，并且成功进行首飞。 这架飞机使用了前掠角为15的机翼，开创了前掠翼飞行器的先河。20世纪70 年代末，美国航空业曾按美国空军的意愿研究制造了一种叫“X-29A”的试验飞 机，该机采用鸭式气动布局，装备了 3

16、5度的前掠翼。1984年12月14日，X- 29A进行了首次试飞，截止1991年，两架技术验证机总共飞行了 616次。俄罗 斯的苏-47金雕战斗机可以说是前掠翼飞机的典型代表，虽然没有装配部队服役， 但是这款前掠翼飞机各项参数都已经比较成熟。综上所述，前掠翼方案是可行 的，可以为JY-2014A重型轰炸机提供巨大的升力和良好的机动性，再配以水平 尾翼和垂直尾翼来辅助控制飞机稳定性和飞行方向。下面，我们利用飞行器设计辅助软件Advanced Aircraft Analysis 2.5,来对本 文中的JY-2014A的机翼、尾翼进行设计分析。首先，打开软件，新建一个项目，然后点主选栏Geometr

17、y图标，点击Wing 栏目，选择Straight Tapered,弹出下面的菜单栏：该对话窗口里面是飞机主翼的一些主要参数，一共12个参数，其中，输入 参数4个，输出参数8个，根据4个输入参数便可计算出剩余的8个输出参数。 下面进行详细说明。这四个栏里面，都是机翼的输入参数，用户可以自行选择输入参数，其余的 各个栏都是一样的。点击第一种组合，弹出如下的对话框，这些变量是机翼的详 细参数，如图2所示：图2-机翼参数1其中，上方的输入参数栏有4个变量，相当于自变量。下方的输出参数栏有 八个参数，这8个参数相当于自变量的函数。对于一个从未接触过飞行器设计工作的初学者来说，Advanced Aircr

18、aftAnalysis 2.5软件最棒的一点就是它提供了非常详细的帮助功能。如果对其中的 任何一个参数有疑问的话，点击旁边的？I图标，电脑就会告诉你这个参数所表示 的含义。点击？I之后，将会出现飞机的侧视图和俯视图，这些参数在图里面显示 的非常清楚。如图3所示：Definition of Geometric Parameters图3-机翼参数图其中，机翼参数栏里面的第一个参数匕表示飞机翼展长度。美国B-52轰炸 机最大起飞重量是220000kg，翼展为56.4m，JY-2014A最大起飞重量为2000000kg，翼展可取50m。第二个参数。表示根弦长，取10m。第三个参数匕 ww表示梢弦长，c

19、 /c表示根梢比，用门表示。参考经验数据，许多低速飞机的门为 ww2.2左右，在此，取门=2。故c =5m。第四个参数七 表示 皿 弦后掠角，因为 ww我们选择了前掠翼，所以该值应该为负，根据前掠翼飞机的经验参数，取A =-18。这四个变量确定之后，点击计算图标，下方的八个输出参数就被计 c /4 w算出来了，如图4所示。图4机翼后掠角辅助图见图5。Definition of Sweep Angles图5根据图3和图5,我们可以详细知道这些参数的含义。第一个输出参数可是 机翼面积，根据上面的数据计算，七=375m2。第二个人是梢根比，即1/门，为0.5。第三个参数j表示翼根到平均弦的长度，为11.11m。第四个参数A表mgcwLEw示翼前缘后掠角，为-15.4。第五个参数AR =史，即展弦比，此处为6.67。第 w Sw六个参数弓表示平均弦长，此处为7.78m。第七个参数xmw平均弦长前点距离翼根的垂直距离，如图6所示，图6此处，x =-3.05m。根据图5可知，第八个参数A 表示机翼后