飞机设计依据

第二讲飞机设计依据内容提要•飞机设计的基本要求•飞机设计规范和适航性条例•评价飞机设计方案准则飞机设计的基本要求•飞机的类型和基本任务–类型•军用机：战斗机，轰炸机，…….•民用飞机：客机，货机，公务机，……–基本任务•飞行任务剖面图•有效载荷–民用飞机：旅客数；行李重量；货物重量–军用飞机：空勤人员；武器弹药；装备飞行任务剖面图军用飞机飞行任务剖面图飞行任务剖面图民机典型飞行剖面图飞行任务剖面图9min.Taxiout9分钟滑出Climbto1500ft.Accelto250KCAS爬升至1500英尺，加速至250节Takeoffto35ft起飞至35英尺Climbat250KCAS以250节爬升AcceltoClimdspeed加速至爬升速度StepCruise(35,000ft~39,000ft)阶梯巡航（35000英尺~39000英尺）Descentto10000ft下降至10000英尺Decelto250KCAS减速至250节Descentto1500ft下降至1500英尺Approach&Landing进场和着陆5min.Taxiin(FromReservefuel)5分钟滑入（使用备份燃油）StillAirRange静风航程BlockTime&Fuel轮档时间和燃油Cruise巡航*MissedApproach过失进场Climb爬升Descent下降Approach&Landing进场和着陆30min.Hold30分钟待机DiversionDistance备降段距离*CruiseDistance≥50%DiversionDistance巡航段距离不短于爬升段加上下降段Contingency(5%MissionFuel)应急用油（5%任务飞行用油）民机备用油规则飞机设计的基本要求（续）•飞行速度指标：最大速度，巡航速度，失速速度•飞行高度指标：巡航高度，升限•耐航性指标：航程，作战半径，最大续航时间•起飞着陆指标：起飞速度，起飞距离，速度着陆，着陆距离•机动性能指标–改变飞行高度能力：爬升率–改变飞行速度能力：加速性能–改变飞行方向能力：转弯半径飞行性能指标关于性能指标•航程–航程对飞机重量的确定有很大影响。–列出覆盖机场的距离，在此基础上确定航程。•巡航速度–对于短中程客机巡航速度一般不大于M0.8。–对于远程客机巡航速度一般大于0.84。•起飞距离–对于短中程客机，一般在1650－2250m。–对于大型客机（远程），一般在2400－3350m。•着陆距离–一般小于或等于起飞距离。飞机设计的基本要求（续）•舒适性指标–座椅排距–客舱过道宽度–座椅宽度–座舱噪声•环保指标–噪音水平–排放量•经济性指标–座公里油耗–直接使用成本•可靠性–签派可靠度•设计经济寿命–飞行小时–日历年环保要求将会日益重要•噪声问题–许多机场认为噪声是他们的最大问题。•排放要求–随着机对队数量日益增加，对机场污染和对气候的影响将成为重要问题。•未来民机的噪声和排放量要求会越来越严格–噪声水平和排放量已成为民机主要设计指标之一。型号合格证、生产许可证、适航证•为保证在社会上公共销售和使用的民机都达到标准。管理部门制定了对新设计的民机按“适航标准”进行审定。•型号合格证–对合格型号颁发型号合格证•生产许可证–对生产该机型的工厂审定其技术能力，保证所生产的飞机都达到原设计状态，对合格生产厂家颁发生产许可证。•适航证–对生产出的每架飞机，经检查后颁发适航证。飞机设计规范和适航性条例•什么是飞机设计规范和适航性条例？–是航空运输的最低安全标准。–在进行飞机设计时必须遵守的有关规定，是飞机设计的“法律”。–指令性规定涵盖：•设计情况、安全系数、过载系数、重量极限、重心位置、重量分配、操纵性、稳定性、配平、飞行载荷、飞行包线、突风载荷、起飞与着陆、强度和变形、结构试验、飞行试验、飞行品质、使用极限、起落装置、动力装置、飞机设备、操纵系统、安全措施等。适航性条例的特点•法规性–适航性条例是以法律条文的格式编写的，有相当部分的条款是原则性的、定性的要求，这与法律条文应具有的概括性和普适性是一致的。•务实性–航空器使用中的经验总结•例如，破损安全设计准则–新技术、新型号的发展•例如，电传操纵飞机•稳健性–适航标准只反映已被证实的、成熟的航空科技技术，而不反映最新的进展。•平衡性–在安全性、实用性和经济性之间取得平衡。–按适航标准设计的飞机具有满足“公众可以接受的安全水平”的安全性。与飞机相关的适航性条例•美国–联邦适航条例（FAR）Part25（重量大于12500lb)–联邦适航条例（FAR）Part23（重量小于12500lb)•欧洲–联合适航条例（JAR）Part25（重量大于5700kg)–联合适航条例（JAR）Part23（重量小于5700kg)•中国–CCAR25－中国民用航空规章第25部运输类飞机适航标准（重量大于5700kg)–CCAR23－中国民用航空规章第23部运输类飞机适航标准（重量小于5700kg)与总体设计密切相关一些条例•与机翼参数和发动机选择有关的要求–起飞距离与着陆距离–单发停车时爬升率•与尾翼参数设计有关的要求–稳定性与操纵性•与重量有关的要求–对载荷要求•与客舱布置有关的要求–应急出口的要求着陆性能要求评价飞机设计方案准则•重量准则–起飞重量WTO最小–W有效载荷/WTO最大•经济性准则–直接使用成本–全寿命周期成本•作战效能（军机）关于设计要求的一些说明•重要性–很大程度上决定了飞机的市场竞争力。–定义“什么样的飞机”也许比“如何设计飞机”更为重要。•如何确定设计要求–实际需要•军机：通常由军方提出•民机：市场调研与预测；意向客户；竞争机型分析–可能性•技术方面•经费方面•进度方面本课程的设计项目•250至300座级客机概念设计•150座级客机概念设计•支线客机概念设计•公务机概念设计•4座轻型通用航空飞机概念设计•军用机概念设计•无人机概念设计设计要求的例子（150座）•来源–2008－2009AIAA的飞机设计竞赛项目–面向大学生•目标–替代737NG和A320的下一代客机•题目–Advanced,EnvironmentallyCompatible,150SeatCommercialTransport设计要求的例子（续）•Capacity–150seats–dualclass(~12seats,36”pitchfirstclass,~138seats@32”seatpitcheconomyclass).–Capabilityforseatingoneclass,30”pitchseatingwithoutexitlimitations.•Cargocapacity–7.5ft3/passenger,bulkloaded.•Maximumpayloadcapability–carryfull,singleclass30”pitchpassengercapacity,at185lbs/passenger,plusfullcargoholdat8lbs/ft3.设计要求的例子（续）•MaximumLandingWeight(MLW)–MaximumZeroFuelWeight,plusfuelreservesformaximumrangemissionatthatpayload.•MaximumRange:–2800nmwithtypicalmissionreserveswithfulldualclasspassengerload,assuming225lbs/passenger.•TypicalMission(average)Ranges:–500nmfor50%ofmissions,1000nmfor40%ofmissions,2000nmfor10%ofmissions.•CruisespeedRequirement:.–0.78Mach(LongRangeCruise–LRC).–Objective:.80Mach(LRC).设计要求的例子（续）•InitialCruiseAltitudeCapabilityatMTOW:–35,000’ISA+15Cdegrees•Maximumoperatingaltitude–43,000’•Maximumlandingspeed(atMaximumLandingWeight):–135knots•TakeoffFieldLength(TOFL),MTOW–7000’sealevel,86degF•CommunityNoise–ICAOChapter4levelminus20dbcumulative•FuelburnblockFuel/seat（500nmmission）–41lbs/seat.–Objective:38lbs/seat.设计要求的例子（续）•Operatingcosts–8%orbetter(reduction）perseatoperatingcosteconomics(Crew,Maintenance,FeesandFuel–at$2.50/USgal)thancurrent,comparablysizedcommercialtransportsintypicalUSmajorairlinetypeoperation.–objective10%orbetter•Airplaneacquisitioncost–shallbecommensuratewithcurrent150seatcategorytransports.300座大型客机的基本要求•有效载荷–二级布置，330人（每人重75kg）–每人行李总重：20kg（经济舱）；30kg（其它舱）•飞行性能指标–巡航速度：M0.84–飞行高度：35000英尺－41000英尺–航程：9000（km）–备用油规则：5%任务飞行用油+1,500英尺待机30分钟用油+200海里备降用油。–起飞场长：小于2500（m）–着陆场长：小于1850（m）–进场速度：小于250（km/h）110座支线客机的基本要求•有效载荷–全经济舱布置110人（每人重75kg）–每人行李总重：20kg•飞行性能指标–巡航速度：M0.78–飞行高度：35000英尺－39000英尺–航程：2300（km），45分钟待机，5％燃油备份–备用油规则：5%任务飞行用油+1,500英尺待机30分钟用油+200海里备降用油。–起飞场长：小于1700（m）–着陆场长：小于1550（m）–进场速度：小于220（km/h）公务机设计的基本要求•类型–国内使用的喷气式公务机。•有效载重–旅客6－10名，行李20kg/人。•飞行性能：–巡航速度：0.7-0.82M–最大航程：4000－5000km–起飞场长：小于1400－1600m–着陆场长：小于1200－1500m–进场速度：小于230km/h4-5座轻型通用航空飞机•竞争机型：–Cessna-172；CessnaTTX–西锐20；西锐22–钻石DA40；DA42–TecnamP2010设计小组•每个设计小组由4～6人组成。•每个小组共同确定设计项目。•每个小组选出一个小组长，负责组织会议和协调设计任务。•每个小组应定期讨论设计项目进展情况，讨论有关问题，安排下一步的工作。客机制造商•大型客机：–美国波音（Boeing）–欧洲空中客车(Airbus)–中国商用飞机有限责任公司（COMAC）•支线客机–巴西航空工业公司(Embraer)–加拿大庞巴迪公司（Bombardier）–中航集团西安飞机工业(集团)有限责任公司–中国商用飞机有限责任公司（COMAC）公务机制造商•CessnaAircraft•Learjet(partofBombardier)•Gulfstream•RaytheonAircraft(Beech)•PiperAircraft•DassaultAviation