飞行器总体设计课件一

飞行器总体设计第1章绪论1.1飞机研制的一般过程1.2飞机设计要求1.3喷气式战斗机的发展1.4喷气干线运输机的发展1.5支线飞机、通用航空1.6无人飞行器1.7飞机总体设计的特点1.8飞机总体设计框架1.1飞机研制的一般过程1995年，总参谋部、国防科工委（现总装备部）等发布了《常规武器装备研制程序》，按其规定，新飞机的研制分成五个阶段：(1)论证阶段、(2)方案阶段、(3)工程研制阶段、(4)设计定型阶段、(5)生产定型阶段。1.1.1论证阶段任务：研究新飞机设计的可行性，包括技术可行性和经济可行性。主要工作内容：拟定新飞机的战术技术要求，新飞机的总体技术方案及研制经费、保障条件和对研制周期的预测，最后形成《某型飞机研制总要求》或《某型飞机战术技术要求》。在这一阶段为了验证技术方案的可行性，必要时还要对所用的关键新技术进行试验验证（如气动布局方案的风洞实验），以使方案的可行性论证有坚实的技术基础。1.1.2方案阶段任务：根据批准的《某型飞机战术技术要求》设计出可行的飞机总体技术方案。主要工作内容：★确定飞机布局形式、总体设计参数★选定动力装置、主要系统方案及主要设备★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、操稳计算，结构强度和刚度计算★提出对各分系统的技术要求★最终要制造出全尺寸的样机或绘制电子样机，进行人机接口、主要设备和通路布置的协调检查以及使用维护检查。样机在经过使用部门，特别是经空、地勤人员审查通过后，可以冻结新飞机的总体技术方案，开始转入工程研制。在方案阶段必须作方案验证性的风洞试验、结构和系统原理试验，使所有验证计算都建立在可靠的技术基础上。在确定总体技术方案的同时，也要对技术方案在经济和进度上做进一步分析和确定。对飞机而言，此阶段即为飞机总体设计阶段。1.1.3工程研制阶段任务：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。主要工作内容：设计人员进行部件和零构件详细设计；工艺人员制定飞机制造工艺总方案，并对详细设计的零、部件图纸进行工艺性审查。各分系统的设计要陆续提交设计部门进行分系统的验证，对液压、燃油、飞控、空调、电源、航空电子等分系统做全系统的地面模拟试验。在详细设计时可能还会对总体技术方案的细节做一些修改和调整，因此应根据更改后的方案，做全机模型的风洞校核试验，为试飞提供准确的气动力数据，然后作有飞行员参加的地面模拟器的飞行模拟试验。飞机部件及整机要做静力试验，以验证飞机的强度；起落架还要做动力试验。飞机总装完成以后在试飞前，要做全机地面共振试验，以确定飞机的颤振特性；还要做各系统及其综合的机上地面试验以及全机电磁兼容性等机上地面试验，为放飞前做最后的验证。飞机在工程研制阶段，即应拟定考核其能否满足原定战术技术要求的试飞大纲，并且应尽早培训空、地勤人员。最好在方案设计阶段就让他们参与进来，以熟悉新飞机的设计思想和特性，便于正确使用和处理新飞机在试飞中可能出现的问题；同时还应在该飞机的地面飞行模拟台进行重要飞行状态的飞行模拟试验，提前发现飞行品质问题和熟悉飞机的操纵性、稳定性和使用特点。在放飞前还应进行充分的地面滑行试验，以进一步验证在动态过程中机上各系统的工作情况，同时进一步对试飞测试系统作一定的检验。工程研制阶段的最终成果是试制出供地面和飞行试验用的原型机4~10架，并制定试飞大纲和准备好空、地勤人员使用原型机所需的技术文件，具有进行试飞所必需的外场保障设备。1.1.4设计定型阶段新飞机首飞成功后即应按试飞大纲要求，进行定型试飞。在开始定型试飞前应由研制单位负责，进行调整试飞（工厂试飞），以排除新飞机的一些初始性的重大故障，大致要飞到原设计飞行范围的80%左右，再开始正式的国家鉴定试飞，以检查新飞机能否达到设计要求。参与鉴定试飞用的原型机可按不同分工完成各自的试飞任务，以完成定型试飞大纲规定的所有任务。在作调整试飞过程中，新飞机肯定会出现各种故障，必要时应对飞机作局部的修改。在定型试飞过程中还会有故障，当然比调整试飞中出现的要少的多，而且更改大多是机内系统，涉及飞机外形的改动极少。定型试飞通常需要上千个起落。试飞科目全部完成后，由试飞鉴定部门和飞行员写出正式报告，上报国家航空产品定型委员会批准后，方可进入小批量生产。一般情况下，到了设计定型阶段，飞机作大的更改是不允许的。1.1.5生产定型阶段经过设计定型后，新飞机可能还会有一定的更改，特别是工艺性的改进。改进后的飞机即进入小批量生产。首批生产的飞机也应经鉴定试飞，主要检查工艺质量，通过后即可进入成批生产。批生产的飞机，在大量使用中还会出现新的问题，积累到一定程度，可再作一次改进。改进飞机的设计属于另一循环。当今作战飞机往往有20~30年/4000~6000飞行小时的寿命，运输机有20~30年/40000~60000飞行小时的寿命。在其整个寿命期内，机上设备和发动机的更换是必然的，这往往称为寿命中期改进。1.2飞机设计要求飞机设计要求的分类：战术技术要求——军机使用技术要求——民机飞机设计要求的提出：由用户提出（军机）由设计/研制单位提出由用户和设计单位共同提出由用户提出的要求，设计/研制单位要进行分析/论证——战术技术要求分析/论证。飞机设计要求通常没有固定的格式，其基本内容应包括以下几个方面：(1)飞机的类型和基本任务(2)飞机的有效载荷(3)飞机的飞行性能指标(4)其他方面的要求：电子对抗、隐身、使用维护性、使用周期、研制进度/经费、使用经济性，……。有时这些要求可能会起到决定性的作用。下面简单讨论飞机设计要求中的战术技术要求。1.2.1战术技术要求及其论证军用飞机的研制是一个大型、复杂的系统工程，需要多个工业部门密切协作。战术技术要求是军用飞机型号研制的重要技术文件，其既是型号研制的依据，又是该型号国家定型验收的依据。使用部门（军方）根据武器发展规划，负责战术技术要求的提出与论证。军方设有专职机构从事战术技术要求的研究工作。提出战术技术要求的依据通常有四个方面：(1)对未来战斗的设想和本国的战略战术思想；(2)空军在未来战争中的任务和战术使用原则；(3)部队的使用经验和失败教训；(4)技术上实现的可能性。新机的战术技术要求，包括的主要内容是：(1)新机的使用及作战对象；(2)性能指标和作战使用方案；(3)主要配套设备及其要求；(4)使用维护及可靠性要求；(5)部队使用、训练模拟器材和地面专用设备的要求；(6)研制周期的要求；(7)装备寿命的要求；(8)装备数量的要求；(9)其它特殊要求。在论证阶段，工业部门应协同使用部门，同时开展新机的技术、经济可行性论证工作，其主要内容包括：(1)根据技术储备情况，选择具体技术途径，论证实现战术技术要求的可能性；(2)进行气动布局和动力装置的选型；(3)进行各系统技术论证，提出飞机配套方案设想；(4)提出为满足战术技术要求的关键技术和关键新成品、新材料、新工艺等项目；(5)估计研制周期和进行研制进度安排；(6)测算研制费用、装备费用、单机成本和售价；(7)通过各种方案的性能、关键技术、进度和经费等的综合分析，选出较佳的方案，协同使用部门提出战术技术要求和技术经济可行性论证报告。战术技术要求论证必须着眼于全局，对国内外技术、经济水平的现状与发展、军用飞机的装备与发展、敌我作战环境等多方面进行充分研究和分析，是一个精密筹划、精心运筹的过程。正确处理好现实与未来、应用与开拓的关系，对军机的研制与发展具有十分重要的意义。在设计新机时，战术技术要求的论证和确定，直接影响着新机的前途和使用效能。新机的战术技术要求不仅取决于本国的战略战术思想和技术发展，也受敌方战略战术的影响。制定战术技术要求的基本问题是如何正确处理需要与可能的关系，即新机的战术技术要求既要满足适用性、先进性和系统性的要求，又要符合合理性、现实性和经济性的要求。1.2.2战术技术要求的内容战术技术要求的具体内容为：(一)使用要求(1)使用任务：包括作战、训练、值班等；(2)作战环境：可能的敌方空中力量，可能的敌方地面、海上武装；(3)使用方式：对空、对地的攻击与防御以及训练；(4)使用环境：我方的机种配备与协同；可能使用的场站环境及条件；后勤保证条件及要求；维护与检修条件和要求等。(二)作战效能要求(1)武器装备要求(2)机载电子设备及电子对抗要求(3)使用条件要求：空-空、空-海、空-地作战剖面及航程、外挂要求，训练飞行要求等；(4)使用限制条件要求：飞行包线限制条件；机动性、操稳特性限制要求；寿命要求；强度、刚度、重量要求；可靠性、维修性、出勤率要求；地面配套设备及零备件要求；单价及使用寿命的费用要求等。(三)主要性能指标要求基本状态飞机起飞重量，最大使用表速、M数，实用升限，最大上升率，规定高度、速度范围内的加速时间，最大稳定和瞬时盘旋率，过失速机动能力，最大使用过载，基本及最大航程，起飞速度及滑跑距离，着陆速度及滑跑距离，最大外挂重量等。(四)研制的主要地面试验(1)结构静强度、动强度、疲劳试验(2)新研制飞机的主要系统试验：如飞行模拟、系统、电网、燃油、生命保障、新成品等(3)电子、火控系统试验(4)材料、工艺技术研究与试验(五)飞行试验(1)主要试飞验证项目(2)定型试飞项目及要求(3)试飞进度及架数(六)研制中的标准和规范(七)研制进度、考核点及经费(八)战效比及费效比概算分析1.3喷气式战斗机的发展1.3.1战斗机的发展和作战思想的演变一战初期：交战双方都试图以盘旋来进入有利的攻击位置；后期：“谁有高度优势谁就能控制战斗”成为至理名言。二战战斗机的盘旋角速度下降，垂直机动空战显得更为有利，因此飞机的速度性能比机动性能更受到重视；单机空战的四要素：高度、速度、机动、火力；飞机编队作战的规模相当大。战后喷气式发动机用于战斗机，发展出了第一代喷气式战斗机。朝鲜战争技术上的飞速进步并没有对战斗机的空战产生根本性的影响，战术虽有发展但仍保留了二战后期的基本特点，只是对飞行员的要求提高了；空战的明显变化是作战高度提高了。朝鲜战争结束后，有关专家对空战理论和战斗机的发展形成以下观点：①认为飞机的最大速度是决定空中优势的主要因素，为了使飞机具有高速性能，可以牺牲爬升性能和盘旋性能等；②主张研制多用途战斗机，飞机要兼有空战和对地攻击能力，实质上是倾向于研制战斗轰炸机；③忽视航炮的作用，认为既然有了空-空导弹，航炮在空战中已经无法发挥作用了；④有人主张废弃编队空战，截击机的战术是利用速度优势追赶目标，并用空-空导弹歼灭目标，不需要进行高过载机动，并力求一次攻击结束战斗；⑤不重视飞行员在空战中的作用，认为飞行员不需要学会正确判断空战情况，而是由地面指挥所来替他们下决心。这些观点左右了第2代战斗机的设计。越战及其他局部战争第2代战斗机在这些局部战争中经受了考验，证明他们并不能满足实战要求：高空大速度并不是决定空战胜负的最重要指标，空战的高度/速度范围不是扩大了，而是缩小了；大部分空战仍是双方在目视的近距离范围进行的，而且航炮在空战中也发挥了重要的作用；大多数战斗机还是编队空战。根据越战等的经验，研制了第3代战斗机：强调格斗空战能力和全天候作战能力；十分重视飞机在亚跨音速范围内的机动；机载电子设备和武器系统的性能水平有突破性的提高。实践证明，第3代战斗机的设计是比较成功的。第四代战斗机是在第三代战斗机的基础上，进一步提出可靠性、维修性、作战效能等更高的要求。1.3.2喷气式战斗机的分代及主要特征第一代：20世纪40年代末50年代初开始服役，最大飞行速度M0.6~1.3；采用后掠机翼；装涡轮喷气发动机；装航炮和空空火箭，后期型挂装第一代空空导弹；装光学-机电式瞄准具；后期型装第一代雷达。典型型号：F-86、F-100，米格-15、米格-19。第二代：20世纪50年代末60年代初开始服役，最大飞行速度M2~2.5；采用小展弦比薄机翼、三角翼或变后掠机翼；飞机的推重比提高；挂装第二代空空导弹和航炮；装第二代雷达，有的飞机装具有拦射能力的火控系统。典型型号：F