2013-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122.1.1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32.1.1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4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52.1.1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－着陆62.1.1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－着陆72.1.1飞机的设计要求飞机设计要求的基本内容（续）任务剖面82.1.1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92.1.1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102.1.1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112.1.2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122.1.2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）132.1.3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14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maxmaxmaxmaxqqq对应于某高度下的最大速度“裕度”maxqmaxq2.1.3飞机的总体技术指标212152.1.4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)162.1.4设计要求示例任务剖面14个任务段20个任务段！172.1.4设计要求示例任务剖面序号任务段名称任务段数据1起飞起飞时间=3min、起飞滑跑距离=304.80m、最小失速速度=53.34m/s、机场海拔高度=609.60m、跑道摩阻系数=0.052水平加速所在高度=609.60m、起始速度=0.18Ma、终止速度=0.70Ma、水平加速允许时间=30.42s、军用推力状态3加速爬升起始高度=609.60m、终止高度=13106.4m、起始速度=0.70Ma、终止速度=0.90Ma、军用推力状态4巡航巡航高度=13106.4m、巡航速度=0.90Ma、巡航距离=277.8km5下降起始高度=13106.4m、终止高度=9144.0m6巡逻待机待机高度=9144.0m、待机速度=0.68Ma、待机时间=0.33h182.1.4设计要求示例任务剖面7水平加速所在高度=9144.0m、起始速度=0.68Ma、终止速度=1.50Ma、水平加速允许时间=50s、最大推力状态8巡航巡航高度=9144.0m、巡航速度=1.5Ma、巡航距离=185.2km9格斗盘旋盘旋高度=9144.0m、盘旋速度=1.6Ma、盘旋圈数=110格斗盘旋盘旋高度=9144.0m、盘旋速度=0.9Ma、盘旋圈数=211水平加速所在高度=9144.0m、起始速度=0.8Ma、终止速度=1.60Ma、水平加速允许时间=50s、最大推力状态12投放有效载荷投放的有效载荷的重量=295.74kg（2枚AMRAAM导弹）13投放有效载荷投放的有效载荷的重量=298.0kg（2枚AIM-9L导弹和1/2的炮弹）192.1.4设计要求示例任务剖面14巡航巡航高度=9144.0m、巡航速度=1.5Ma、巡航距离=46.3km15减速爬升起始高度=9144.0m、终止高度=13106.4m、起始速度=1.5Ma、终止速度=0.9Ma、军用推力状态16巡航巡航高度=13106.4m、巡航速度=0.9Ma、巡航距离=277.8km17下降起始高度=13106.4m、终止高度=3048.0m18巡逻待机待机高度=3048.0m、待机速度=0.3Ma、待机时间=0.33h19下降起始高度=3048.0m、终止高度=1000.0m20着陆进场高度=1000.0m、着陆接地速度=70m/s、着陆滑跑距离=304.8m、机场海拔高度=609.6m、跑道摩阻系数=0.4202.1.4设计要求示例性能要求起飞距离1500ft着陆距离1500ft最大速度2.0Ma/40kft超音速巡航要求1.5Ma/30kft加速性能0.8-1.6Ma/30kftt≤50s持续盘旋过载n≥5at0.9/30kftn≥5at1.6Ma/30kft212.1.4设计要求示例有效载荷飞行员1名武器•AMRAAM×2326lb/枚•AIM-9L×2191lb/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232.2.1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…24“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25飞机的技术说明书简氏飞机年鉴（Jane‘sAllTheWorld’sAircraft）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26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272.2.1概念构思与概念草图概念草图28来源：Kirschbaum’sAircraftDesignHandbook,AircraftDesignAidandLayoutGuide2.2.1概念构思与概念草图概念草图29T1“潮汐猎人”（330501）T9（330504）2.2.1概念构思与概念草图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302.2.1概念构思与概念草图31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32符号与单位说明参数《飞机总体设计》AircraftDesign:AConceptualApproach(mks)重量m(kg)W(kg)推力F(N)T(kg)重力G(N)推重比F0/G0T/W0翼载荷m0/S(kg/m2)W0/S(kg/m2)升阻比K=CL/CDL/D2.2.1概念构思与概念草图33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34飞机正常起飞重量，吨14吨21吨27.1吨（F-22）设备重量，吨3／0.2154.5／0.2154.25／0.169结构重量，吨4.5／0.326.5／0.317.2／0.28动力装置重量，吨2.7／0.1954.1／0.1953.6／0.14燃油重量，吨3.8／0.275.9／0.289.98／0.39推重比1.08~1.180.96~1.191.17飞机相对重量因数统计表（战斗机）2.2.2初步参数选择35飞机种类结构重量动力装置固定设备燃油亚声速干线客机轻型0.30~0.320.12~0.140.12~0.140.18~0.22中型0.28~0.300.10~0.120.10~0.120.26~0.30重型0.25~0.270.08~0.100.09~0.110.35~0.40超声速客机0.20~0.240.08~0.100.07~0.090.45~0.52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0crewpayloadfuelempty()()()()(/)(/)fe0crewpayload0000fe000crewpayload00crewpayload0f0e036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372.2.2初步参数选择空机重量估计We/W0=AW0CKvsA{A-公制}C双发涡轮螺桨飞机0.96{0.92}-0.05喷气式教练机1.59{1.47}-0.10喷气式战斗机2.34{2.11}-0.13军用货机／轰炸机0.93{0.88}-0.07喷气式运输机1.02{0.97}-0.0638Kvs=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：ii-1WW39i+1iWW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：73567124oo123456402.2.2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41任务段(Wi/