第一讲-飞行器设计导论

飞行器设计导论气球升空风筝飞行的生物升力的产生飞行器平台的种类旋翼飞行器固定翼飞机飞艇航空器轻于空气的航空器重于空气的航空器气球飞艇固定翼飞机旋翼飞行器朴翼机飞机滑翔机直升机组合旋翼机固定翼飞机的分类按使用方式分类民用机军用机民航客机通用飞机战斗机轰炸机运输机。。。。。。民用飞机分类按飞机最大审定起飞重量分类小型和轻型飞机指飞机最大型号合格审定起飞重量为5700kg（12500lb）或以下的飞机，但对通勤类飞机，最大型号合格审定起飞重量可至8620kg（19000lb）。大型飞机指飞机最大型号合格审定起飞重量大于5700kg（12500lb）的飞机；又指座位设置（不包括驾驶员）在19座以上的飞机。按CCAR-23部适航标准审定的飞机：（1）正常类飞机指座位设置（不包括驾驶员）为9座或以下，最大型号合格审定起飞重量为5700kg或以下，用于非特技飞行的飞机。非特技飞行包括：正常飞行中遇到的各种机动失速（不包括尾冲失速）坡度不大于60度的缓8字飞行、急上升转弯和急转弯。（2）实用类飞机指座位设置（不包括驾驶员）为9座或以下，最大型号合格审定起飞重量为5700kg或以下，用于有限特技飞行的飞机。有限特技飞行包括：尾旋坡度大于60度的缓8字飞行、急上升转弯和急转弯。（3）特技类飞机指座位设置（不包括驾驶员）为9座或以下，最大型号合格审定起飞重量为5700kg或以下，除了由于所要求的飞机试验。结果表明是必要的限制以外，在使用中不加限制的飞机。（4）通勤类飞机指座位设置（不包括驾驶员）为19座或以下，最大型号合格审定起飞重量为8620kg或以下，用于正常类飞机所述非特技飞行的螺旋桨驱动的多发动机飞机。按CCAR-23部适航标准审定的飞机：指座位设置及最大型号合格审定起飞重量无限制。按客座数与航程分类对于货机，可分为四类：轻型货机：载货量小于20吨；小型货机：载货量小于40吨；中型货机：载货量小于40~85吨；大型货机：载货量大于85吨；民用飞机研制阶段和程序项目前期论证阶段；技术经济可行性论证阶段总体方案论证阶段型号研制阶段如果按民用飞机的全寿命周期考虑，还应包括生产阶段与营运阶段。波音公司对商用飞机发展独特的程序军用飞机研制流程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每个阶段都有各自的依据、主要任务和目标、主要工作内容、质量控制要点和完成标志。论证阶段

依据本阶段的主要依据，是使用部门根据未来战争要求和国务院、中央军委批准的武器装备研制中长期计划而提出的初步飞机战术技术及使用要求。这些要求主要包括：作战使命、任务、环境和对象；战术技术指标要求及综合后前保障要求；初步装备编制方案、计划装备数量、基地、位置和服役年限；采购经费及使用经费估算；研制进度和交付要求。主要任务和目标论证阶段的主要任务是进行战术技术指标、总体技术方案论证及研制经费、研制周期、保障条件预测。主要工作内容战术技术要求论证技术可行性论证经济可行性论证飞行器设计阶段划分型式选择总体布置方案动力装置选择全机重量重心计算和分配总体参数选择与确定设计规范与定型/适航标准选取各部件和分系统方案设计有效性评价技术要求可行性/符合性论证三面图总体布置图重量重心报告飞行性能计算报告初步外载荷计算报告部件和系统初步要求设计规范和标准经济性分析报告初步设计阶段详细设计阶段概念设计（总体设计）总体设计的主要内容1、确定飞行器总体使用技术要求/战术技术要求任务使命（军用、民用，运输、通用，攻击，侦察，巡逻，反潜等）主要战术技术指标及使用要求使用环境（温度、风速，昼间、夜间，平原，高海拔，沙丘等）典型任务剖面基本性能（悬停高度，爬升性能，前飞性能，航程，升限等）武器与火控系统可靠性、维修性指标等基本参数乘员：0名长度：13.5m（44ft5in）翼展：35.4m（116ft2in）高度：4.6m（15ft2in）翼面积：m²（ft²）空重：3,850kg（8,490lb）载重：10,400kg（22,900lb）[2]发动机：1×AE3007H涡轮扇叶发动机，31.4Kn（7,050lbf）性能最高速度：650km/h（404mp/h）航程：36（小时）实用升限：20,000m（65,000ft）美国RQ-4A全球鹰无人机尺寸

旋翼直径

10.00米

旋翼桨叶弦长

0.26米

涵道尾桨直径 0.75米

涵道尾浆桨叶弦长 0.06米

机长(旋翼旋转) 11.52米机身长

9.60米

机高(全高) 3.4米

座舱最大宽度1.50米

滑橇问距

2.07米重量和载荷

标准空重

960千克最大使用载重

755千克最大起飞重量1800千克桨盘载荷

22.9千克力／米2性能

不可超越速度(VNE) 278千米／小时

最大巡航速度

226千米／小时

最大爬升率(海半面)

6.6米／秒

实用升限

5189米

悬停升限

有地效

2819米

无地效

2316米航程(无余油) 731千米续航时间(以120千米／小时) 4小时10分EC-120B直升机技术指标设计规范、定型/适航标准规范

内容：设计情况、安全系数、过载、重量、重心、飞行载荷、着陆载荷、强度和刚度、动力学特性、配平特性、操纵性和稳定性、飞行品质、结构试验、飞行试验等军用飞机、直升机设计定型

由国家组织专门的定型委员会进行审查，主要依据是国军标的相关标准GJB4591-1992 武装直升机通用使用要求GJB2777-1996 军用直升机验证要求

GJB4046-2000(K)直升机桨叶设计要求

…等近二百多个标准民用飞机、直升机适航审定《正常类、实用类、特技类和通勤类飞机适航规定》CCAR-23部、《运输类飞机适航标准》CCAR-25部

《正常类旋翼航空器适航规定》CCAR-27部、

《运输类旋翼航空器适航规定》CCAR-29部飞行器型式选择上翻角(提高横向稳定性)

驾驶舱发动机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型尾翼动力装置选择一般原则发动机性能与直升机性能相匹配功率大、重量轻、体积小、油耗低、寿命长环境适应能力强，具有良好的低温、高原起动能力和飞行能力结构紧凑，便于外场维修可靠性、安全性高，耐久性好总体气动布局方案主机翼的外形方案各部件与分系统方案机翼操纵系统全机械式、液压助力式、电液伺服式、姿态增稳系统传动系统主减方案、离合器方案、安装型式机身构架式、薄壁式、整体壁板式发动机安装。。。全机重量重心计算重量分类

总重：

总载荷+空机重量

总载荷：

燃油+有效载荷

有效载荷：

任务载荷+成员/装置重心布置总体布置使用重心范围设计重心范围平衡限制疲劳强度限制纵向稳定性限制序号名称GixiGixiyiGiyi1总重2有效载荷3任务载重4燃油5滑油…∑GiGixiGiyi重量分析方法基于强度计算的分析方法数字建模->强度分析->构建数字样机->确定部件重量基于统计分析的重量分析方法根据使用条件相似的已有直升机的统计资料，利用统计回归方法确定直升机重量复合分析方法子样的收集和选取部件重量公式建立回归方法计算回归系数主要参数分析和选择起飞总重有效载荷，由使用技术要求确定；重量效率，由统计数据确定。活塞式大约在0.3，涡轮轴式大约在0.4燃油相对重量，

在给定航程条件下：，其中A：活塞式2~2.75，涡轮轴3~4.5

给定续航时间条件下：，其中B：活塞式0.007，涡轮轴0.0105设计有效性评价功能有效性准则重量效率(飞机总载荷与总重之比）

生产率（单位时间直升机完成的作业量）

米里准则（直升机有效载荷全部换成燃油所能飞行的航程）生产有效性准则劳动量材料利用系数 K=零阶重量/毛坯重量使用有效性准则技术维护工时比每飞行小时的技术维护量每飞行小时的技术维护量=技术维护总人时数/飞行小时经济有效性准则研制成本单机成本使用成本国民经济有效性技术发展远景，技术效果和成产率新机设计、制造和投入使用的周期工业生产的可能性，技术和生产工艺发展的远景新机生产规模和劳动量新机的通用性与发展前景结构材料的资源和远景工业部门人力和物力的合理使用全寿命周期成本（Life-cycleCost)飞机总体参数优化总体参数优化数学模型总体参数优化设计的基本要素设计变量（起飞总重G、桨盘载荷p、旋翼桨尖速度ΩR、旋翼实度σ、桨叶片数K、发动机功率N）目标函数（重量效率、米里准则、生产率、有效载荷、航程、航时、军用直升机使用效能等）约束条件（等式约束、不等式约束）飞行器总体设计的最终成果三面图总体布置图重量重心报告飞行性能计算报告初步外载荷计算报告部件和系统初步要求设计规范和标准经济性分析报告飞行器初步设计初步设计阶段,不同领域的专业设计人员都将开始工作。包括机体结构、起落架、控制系统等。一些初期的测试与详细分析工作也将开始，包括气动、动力、强度和操纵稳定性。初步设计阶段一个很重要的工作是“放样”。“放样”是根据理论外形曲面获得内部不同部分结构外形数据的工作。其最终目的是给下面详细设计零部件提供准确的界面数据。飞行器详细设计详细设计阶段是对每一件需要加工的零件以及组装起来的部件进行设计。例如：翼盒在初步设计阶段是被当作一个整体看待的，但到了详细设计阶段，翼盒被分为单独的翼肋、桁条、蒙皮等。详细设计阶段另一项重要的工作是工艺设计，工艺员必须考虑所设计的零件如何去加工，以及这些零件如何组装成部件。概念设计初步设计细节设计

各个零部件详细尺寸飞行剖面飞行器机动飞行盘旋跃升垂直面8字翻滚飞行器性能升限

能飞多高？航程

能飞多远？续航时间

能飞多久？最大飞行速度

能飞多快？任务载重

能装多少东西？起飞滑跑距离最大起飞重量抗风能力…升限

飞行器保持平飞时，最大的飞行高度航程

飞行器不经过空中加油，保留最小燃油储量下，最大飞行距离续航时间

飞行器不经过空中加油，保留最小燃油储量下，所能持续飞行的时间任务载重

保证一定性能条件下，能够装载任务载荷的最大重量。往往与航程、航时组合起来。最大飞行速度

飞行器能够在飞行中达到的最大速度。最小飞行速度

保持飞机平飞的最小飞行速度。对应飞机最大升力系数。翼载

飞行器重量与机翼面积的比值。航空科学与工程学院试验研究背景介绍通用航空，是指除军事、警务、海关缉私飞行和公共航空运输飞行以外的航空活动，包括从事工业、农业、林业、渔业、矿业、建筑业的作业飞行和医疗卫生、抢险救灾、气象探测、海洋监测、科学实验、遥感测绘、教育训练、文化体育、旅游观光等方面的飞行活动。通用航空具有机动灵活、快速高效等特点，作业项目覆盖了农、林、牧、渔、工业、建筑、科研、交通、娱乐等多个行业。通用航空的具体内容包罗万象，我们熟知的通用航空有以下几种：航空摄影、医疗救护、气象探测、空中巡查、人工降水等。其他类型包括海洋监测，陆地及海上石油服务，飞机播种，空中施肥等。另外公务机飞机和私人飞机都属于通用航空范畴之内。通用飞机市场调研航空科学与工程学院试验研究通用航空应用范围近年来，随着大陆经济的持续、快速发展，市场化进程的逐步推进，通用航空市场结构发生了较大的变化。以政府部门或国有企业为主要服务对象的通航作业份额开始下降自发的市场需求在逐年增长，主要的经营项目有石油服务、公务飞行、医疗救护、培训飞行等等。随着国内企、事业单位购置自用公务机（含直升机）数量的不断增加，航空器代管市场在逐渐扩大。对直升机摆渡乘客、直升机医疗救护以及对小型飞机用于近距离城市之间的旅客穿梭飞行的需求也正在凸现。国民经济发展到一定水平后，通用航空的市场将越来越大、市场支付能力也将逐步提高。航空科学与工程学院通用航空的行业应用情况海岸巡查及内核航道巡查农业使用的技术要求航空摄影人工影响天气电力线路巡查油气管线巡视行业应用现状航空探矿森林防护巡查私人交通观光旅游飞行执照培训航空科学与工程学院试验研究农业使用的技术要求农业作业内容包括空中喷洒、空中除草、飞机播种、空中施肥等国内的农业作业量很可观，平原地区农业适宜固定翼飞机大范围快速作业；飞播牧草作业有很大的土地面积，并且需要重复播种农业作业对飞行器性能的需求为了作业经济性，要求有效载荷大必须要有专用的喷洒设备作业高度较低（3~5米），作业速度低（100~180km/h）起落性能要好，较短的滑跑距离（最长不超过400米），最好能田间起降飞行环境较复杂，驾驶员要有广的视界防毒和抗腐蚀要求航空科学与工程学院试验研究海岸巡查及内河航道巡查海岸线执法巡查任务，内河航道的执法巡查、监测任务中国海岸线总长3.2万公里，其中大陆海岸线1.8万公里，数量巨大，船只与陆地交通工具效率很低内河航道的巡查作业量缺口也很大，截止2014年我国内河航道通航里程13万公里，每年仅江苏省航道巡航里程高达50万公里，巡航费用数亿元海岸线及航道巡查作业对飞行器性能的需求巡查任务对飞机长航程的需求，长距离的巡查要求飞机有良好的巡航经济性能定点巡查作业对飞机的续航时间提出了较高的要求巡查作业需要携带成像设备如光电吊舱、高光谱雷达等海岸线巡查作业飞机在海洋环境中服役，所以需要机体有抗腐蚀、老化的要求国内目前海监装备的飞机是Y-12IV型飞机航空科学与工程学院试验研究航空摄影主要分为单片摄影、航线摄影和面积摄影航空摄影的作业量占到轻型飞机各种作业量的6~7%航空摄影作业对飞行器性能的需求续航时间要长，在4h以上单次作业效率要高，单次作业面积达到50-100km²，飞机航程在200~400km机体振动小、稳定性好，抗风性能好为了在作业场所周边起降，起飞条件要求低，在复杂路况能起降操控精准、安全稳定、最大限度保障安全飞机挂载航拍航测设备预留窗口或乘员手持设备航摄仪典型航摄线路航空科学与工程学院试验研究航空探矿航空探矿多在一些人员难以到达进行地质勘探的地点作业航空探矿占到轻型飞机各种作业飞行量的2%左右，随着企业在资源勘探方面的需求增多，这一类应用需求也随之增加航空摄影作业对飞行器性能的需求航程在500km以上，续航在5小时以上载重量220kg（1名乘员，80L油，探矿设备）低速性能好，飞行速度在150~200km/h为宜低空和超低空性能好，以适应复杂的山区、丘陵地形的条件需要吊挂专用探矿设备探矿性质平均每公里成本（元）一类区二类区三类区四类区五类区综合探矿系统17501925210024502975航空重力12251400161021002625航电840980112015401820航空放射性探测583.3700816.710731400航磁466.7583.37009331166航空科学与工程学院试验研究人工影响天气航空探矿多在一些人员难以到达进行地质勘探的地点作业航空探矿占到轻型飞机各种作业飞行量的2%左右，随着企业在资源勘探方面的需求增多，这一类应用需求也随之增加人工影响天气作业对飞行器性能的需求：飞机升限较高，一般要求8000~10000米承担大范围、跨区域作业的飞机载重能力应为4~6吨，小范围、季节性的作业飞机载重能力一般不低于2吨飞机航速一般要求200~500km/h续航能力一般应达到1000km以上，巡航时间2~4h播撒装置和多种探测设备国内用于人工影响天气的飞机有运12，夏延，安26等航空科学与工程学院试验研究油气管线巡视油气管线常规巡检可用固定翼提升巡检效率，作为替代人工巡检的方式作业量：截止2015年底中国陆上原油管道2.3万公里，成品油管道2.1万公里，天然气管道7.6万公里油气管线巡视作业对飞行器性能的需求：油气管线一般较长，因此飞机的航程要求也较高，为500~700km油气管线会经过山区，所以飞机升限有一定要求，3000m以上较为合适巡视作业中拍摄图像的需求，巡航速度在130~160km/h为宜巡视巡检设备，如机载光电吊舱、高清摄像机、照相机等森林防护森林防护在山区人不能及的林区巡逻侦查，或者对森林火场进行侦查轻小型飞机不具备灭火能力，只能用于侦查和巡逻作业森林防护作业对飞行器性能的需求：山区作业对飞机升限的要求，一般要求2000米以上我国西南林区的地形地势比较复杂，山中作业的风切变、山高林密的特点对安全飞行有威胁国内用于航空护林的飞机有运12，以及多种大中型直升机等航空科学与工程学院试验研究电力线路巡检输电线路的整体普查作业适合固定翼飞机，替代人工巡检提高效率作业量：国内的电力巡检作业多引进了直升机和多旋翼无人机；固定翼飞机主要为整体普查电力线路巡检作业对飞行器性能的需求：作业速度低，现有固定翼无人机的巡线作业速度约70km/h左右载荷能力主要为机载成像设备和通信设备低空飞行和贴线飞行的安全性要求电力巡检作业应携带可见光成像设备、红外、紫外成像设备目前用于电力巡检的固定翼无人机均为小型载荷的，弹射起飞的无人机航空科学与工程学院试验研究私人交通小型通用飞机受有效载荷的限制，携带燃油有限，所以适合一些短途出行美国所有的通用飞机中，以交通为主的飞机所占比超过80%，随着国内的地面交通堵塞的加剧和低空空域的开放，私人交通的飞机需求很有潜力私人交通对飞行器的性能需求：载人飞行，有效载荷应大于200kg舒适性与安全性航程应不小于1200km应用一些先进的操控技术，提升安全性观光旅游观光旅游主要有：飞行体验、空中观光和高端旅游需求以新疆开放首条低空旅游航线为例：从富蕴至喀纳斯乘坐汽车需8小时，而开通航线后乘坐通航飞机只需70分钟就可以到喀纳斯看星空私人