完全3飞机参数详细设计-与部件.pptx

第三章 飞机总体参数详细设计 (部件设计3.1 3.1 设计的任务和步骤设计的任务和步骤 3.1.1 飞机总体参数详细设计的最优化准则飞机总体参数详细设计的最优化准则 设计的主要任务是保证飞机总体参数的最优化。复杂系统优化 局部最优的子系统 3.1.2飞机总体参数详细设计（部件设计）的主要任务 在飞机部件的设计过程中，要解决以下的问题：3.1 3.1 设计的任务和步骤设计的任务和步骤1.选择主要参数和几何尺寸的最优值；2.选择最优形状、最优外形；3.选择飞机部件的最优结构受力形式，满足强度、刚度等要求并使重量最轻4.选择最优材料和工艺过程，使在成批生产中保证外形 和表面质量的条件下使飞机部件生产成本最低；5.保证飞机部件使用维护方便，在飞机部件重要结构 和设备的检查和修理时，有自由接近的和进行必需的测量调整工作的可能性。根据飞机主要参数值和规定的战术（使用）技术性能选择飞机部件的主要参数和几何尺寸并使它们最优化。1.机翼：展弦比A、后掠角、根梢比、机翼根部和尖部翼型的相对厚度t/c、上反角w，几何扭转及气动扭转和增升装置选择；2.机身：最大横截面积SMf、长细比l/d、机身长度lf、机身头部和尾部的长细比；3.尾翼：尾翼的水平力臂和垂直力臂（LH T,LVT）、尾翼的面积SHT和SVT、舵面面积SHC和SVC、根梢比HT和VT、展弦比AHT和AVT；4.起落架和动力装置：起落架支柱和机轮尺寸、进气口和尾喷口的尺寸、发动机吊舱或起落架整流舱的最大截面积等。3.1 3.1 设计的任务和步骤设计的任务和步骤飞机部件（最优）形状的选择与以下的参数的选择有关：1.机翼和尾翼的翼型及其沿翼展方向的布置规律；2.机翼和尾翼相对于机身的位置，水平尾翼（HT）和垂直尾翼（VT）的相对位置；3.机身的横截面和机身头部与尾部的外形；4.起落架的位置，起落架收入机翼或机身内的可能性（以及有没有设专门的整流罩的要求）；5.发动机进气口、短舱、安装这些短舱的吊挂，以及喷口装置的形状。3.1 3.1 设计的任务和步骤设计的任务和步骤3.1.3 飞机部件设计的步骤飞机部件设计的步骤 下面给出对飞机各个部件的主要型式、尺寸、形状的选择步骤；这些部件的其它性能的选择（结构的、强度的和工艺的等）在专门的教材里进行研究。1.总体布局的选择：常规布局（指尾翼在机身后段）无尾式布局（指没有水平尾翼和鸭翼）鸭式布局 三翼面布局 3.1 3.1 设计的任务和步骤设计的任务和步骤2.机身方案的选择 乘员、旅客、行李、燃油、货物和其他有效载重的安排 座舱或飞行仪表板的设计 机身内部设计 窗户、门和紧急出口的设计 燃油、行李和货物的容积检查 3.1 3.1 设计的任务和步骤设计的任务和步骤3.推进装置类型的选择 增压式或非增压式活塞式发动机或者螺旋桨 涡轮螺旋桨 桨扇 涡轮喷气或涡轮风扇 冲压喷气或火箭 4.发动机或螺旋桨数目的选择 3.1 3.1 设计的任务和步骤设计的任务和步骤5.推进装置的布置 推进器：推进或拉进 发动机埋在机身内部或机翼里 发动机舱在机身上或机翼上 发动机和发动机舱的布置6.机翼和尾翼（尾翼或鸭翼）的设计参数选择 机翼面积 展弦比 后掠角（固定翼或可变后掠翼）相对厚度 相对厚度 翼型类型 根梢比 舵面的尺寸和布置 安装角（固定翼或可变后掠翼）上反角7.增升装置的类型、尺寸和布置的选择 机械式襟翼 后缘或前缘增升装置3.1 3.1 设计的任务和步骤设计的任务和步骤 8.起落架类型和布置的选择 固定式或可收放 后三点式、前三点式或自行车式 支柱和轮胎的数目 机轮收放位置 起落架收起的可行性 9.飞机上使用的各主要系统的选择 飞控系统，主系统和备用系统 辅助动力装置 燃油系统 液压系统供氧系统 环境控制系统 防冰、除冰系统 喷洒系统（指农用飞机）导航系统 电传控制系统3.1 3.1 设计的任务和步骤设计的任务和步骤10.结构布置、结构类型和生产细目的选择 金属、复合材料 主要飞机部件的结构布置 起落架结构 生产和制造的流程11.确定研究、发展、制造和使用的费用 潜在利润的估算（民用飞机）任务效能的估算（军用飞机）全寿命周期费用估算（包括民机和军机）3.2 3.2 机翼设计机翼设计 以下是机翼平面设计和横向操纵面形状位置设计的过程。以下是机翼平面设计和横向操纵面形状位置设计的过程。第第1步步：考虑对机翼布局起主要影响的因素，确定布局是下列形式之一：（1）常规布局（指尾翼后置）（4）鸭翼 （2）飞翼（指无平尾或鸭翼）（5）三翼面 （3）串列式机翼 （6）连接式机翼 第第2步：步：确定机翼总的结构布局：（1）悬臂式机翼 （2）支撑式机翼 第第3步步:机翼/机身总体布置的确定：（1）上单翼 （2）中单翼 （3）下单翼3.2 3.2 机翼设计机翼设计下面这些机翼/机身布局的比较只有在其它条件均相同时才是正确的。数字1表示首选，数字3表示最不合适。*表示在很大程度上取决于机翼通过机身的位置*表示如果起落架收入机身内，那么起落架重量将不再是一个必需的因素。在这种情况下,起落架经常需要减震器外形整流，而这又会引起附加阻力。3.2 3.2 机翼设计机翼设计第第4步步:选择机翼1/4弦线后掠角和机翼相对厚度 后掠角的类型有以下几种：（1）零度后掠或平直翼 （2）后掠（也叫正后掠）（3）前掠（也叫负后掠）（4）变后掠（对称变后掠）（5）斜掠（不对称变后掠）3.2 3.2 机翼设计机翼设计第第5 5步步：选择翼型 第第6 6步：步：确定机翼尖削比W并绘制机翼平面尺寸图。第第7 7步：步：列出最大升力系数。第第8 8步：步：确定横向操纵面的形状、尺寸及位置。第第9 9步：步：在6步绘制的机翼平面图上标出前后翼梁轴线第第1010步：步：机翼油箱容积的计算第第1111步：步：确定机翼上反角第第1313步：步：将各步的决定和清晰的尺寸图归入一份简短的文档。第第12步：步：确定机翼安装角及机翼扭转角t3.2 3.2 机翼设计机翼设计参数计算参数计算 3.2.1 机翼的展弦比机翼的展弦比机翼的几何展弦比是无因次的几何参数，并由下式确定：Ab2/S其中b机翼的翼展，米；S机翼面积，米2。在确定机翼的气动力特性时,不用几何展弦比，而用有效展弦比。3.2.2 机翼的平均相对厚度机翼的平均相对厚度机翼的平均相对厚度由下式确定：t/c SMW/S=SMW其中：SMW机翼最大截面积，米2。3.2 3.2 机翼设计机翼设计3.2.3 中弧面的形状中弧面的形状 机翼中弧面的形状同样也是机翼的几何特性。它的定义是由翼型上、下轮廓构成机翼的上、下表面法向坐标之和的一半（机翼展向为Z坐标）：3.2.4 机翼的容积机翼的容积 机翼的容积是机翼很重要的几何特性，它可以用于放置燃油。对于有直母线的机翼，在前后缘之间整个机翼的最大理论容积（米）可以按下式计算：3.2 3.2 机翼设计机翼设计3.2.5 中等展弦比和大展弦比机翼的气动力特性中等展弦比和大展弦比机翼的气动力特性 1 1、机翼升力特性（、机翼升力特性（C CLL值的确定）值的确定）中等展弦比和大展弦比机翼在低亚音速无紊流流动时的升力特性用升力系数和迎角的关系，以及升力系数对迎角的导数来评定：2 2、机翼的最大升力特性、机翼的最大升力特性 机翼的最大升力特性，以CLmax的大小来评定，它决定于翼型沿翼展的分布，机翼的扭转和平面形状，也就是决定于它的气动布局型式。机翼的气动布局应该考虑到机翼的流场特点。对于后掠机翼特点有：图3.3.2上给出了由同类翼型组成的梯形后掠机翼的CL实际值沿展向的分布。3.2 3.2 机翼设计机翼设计图3.2.3上给出了展向环量分布与机翼根梢比、后掠角的关系。3.2 3.2 机翼设计机翼设计在图3.2.4上表示了后掠机翼纵向力矩随迎角的变化。图3.2.4在Cm()f(CL)关系中“勺形区”的形成3.2 3.2 机翼设计机翼设计3 3、提高后掠机翼升力特性的措施、提高后掠机翼升力特性的措施为了提高后掠机翼的CLmax值和对应于Cm()或CL()的非线性关系开始时的CL容许值（为了减小“勺形”区范围并把它向较大值移动），在机翼气动力布局上可以采用以下方法：图3.2.5 后掠机翼在弦平面内弯曲时其剖面迎角的变化3.2 3.2 机翼设计机翼设计 在后掠机翼上设置隔板的型式如下图3.2.64、机翼阻力、机翼阻力由飞机空气动力学教程可知，机翼总的迎面阻力可用飞机极曲线方程给出：3.2 3.2 机翼设计机翼设计5 5、机翼的力矩特性、机翼的力矩特性机翼的纵向力矩系数Cm取决于机翼的气动布局和飞行状态（CL和Ma数）。在第一次近似中，Cm=Cm0+CmCLCL，其中零力矩Cm0取决于机翼的气动扭转和几何扭转，也和飞行Ma数有关。机翼的纵向静稳定性CmCL=xcg-xac，除了xcg以外还取决于机翼焦点位置xac，后者取决于机翼平面形状和Ma数。6 6、机翼设计开始阶段机翼参数的选择、机翼设计开始阶段机翼参数的选择 机翼几何参数的选择是在实现给定的战术技术要求或使用技术要求的条件下，在飞机所有参数优化的过程中，折中气动、重量及容积等特性的基础上进行的。3.2 3.2 机翼设计机翼设计3.2 3.2 机翼设计机翼设计3.2.63.2.6 小展弦比（小展弦比（A3A3）机翼的气动力特性）机翼的气动力特性1 1、小展弦比机翼的流场特点和升力特性、小展弦比机翼的流场特点和升力特性特点:从下表面通过侧边或前缘（大后掠角）向上表面形成激烈的空气溢流。对于各种展弦比机翼的CL-关系如下图3.2.7所示：3.2 3.2 机翼设计机翼设计2 2、小展弦比机翼的阻力和力矩特性、小展弦比机翼的阻力和力矩特性 小展弦比机翼的零升阻力按照中等和大展弦比机翼在亚音速的那些公式计算。小展弦比（A3）机翼的漩涡诱导阻力可按下式决定：3.2.73.2.7 机翼的气动弹性机翼的气动弹性3.2.83.2.8 机翼的增升装置和副翼机翼的增升装置和副翼 1 1、机翼后缘的增升装置机翼后缘的增升装置 为了解决在起飞、着陆和在强扰流中飞行时增大机翼的CL和Clmax，采用各种类型的沿机翼后缘的增升装置，其中最常用的如图下图3.2.8所示。图3.2.8 各种类型的机翼增升装置 a开裂式襟翼；b简单襟翼；c开缝襟翼；d后退开裂式襟翼；e单缝后退襟翼；f多缝后退襟翼 3.2 3.2 机翼设计机翼设计图3.2.9 各种类型的机翼增升装置的CL-关系 1无襟翼；2带前缘缝翼；3带开裂式襟翼；4带多缝后退襟翼；5带前后缘后退襟翼。3.2 3.2 机翼设计机翼设计2、前缘增升装置、前缘增升装置前缘增升装置的作用是消除或延缓大迎角时流经机翼的空气分离，从而增大值。在翼尖布置前缘缝翼，分离的延缓可保证提高侧向稳定性和操纵性，以及改善大迎角时的副翼效率。机翼前缘增升装置的型式有：带特别形状缝翼的前缘缝翼、克鲁格襟翼和可偏转的机翼前缘。3.2 3.2 机翼设计机翼设计3.3 3.3 机身设计机身设计这一节的目的是为座舱和机身的方案设计提供具体的方法，以满足任务规范中有关乘员、旅客和装载的要求。3.3.13.3.1 机身设计的要求与过程机身设计的要求与过程 按照用途和功能特征，机身是飞机最复杂的部件之一。它的用途是多种多样的，装载有效载重、乘员、设备、装备，动力装置和燃料，并把飞机的重要部件联成一个整体，包括机翼、尾翼、起落架和发动机。这种功能上的复杂性决定了在设计过程中不论是选择机身参数、尺寸和形状，还是确定作用在它上面的外载荷都有一定的难度。机身不仅承受其载重的重力，而且还承受从飞机各部件传到机身上的载荷。机身主要参数的确定应该和飞机其它部件的参数计算同时进行。这些计算可以用迭代循环的方式进行，这种循环的简图如下图。3.3 3.3 机身设计机身设计3.3.23.3.2 机身参数的确定机身参数的确定机身的尺寸可以作为它的参数（上图所示），它们是：长度lf、直径df、最大横截面积SMf，以及无因次的长细比，包括kflf/df机身长细比，kfhlfh/df头部长细比，kftlft/df尾部长细比。当截面不是圆形时，它的特征尺寸是最大宽度B，最大高度H，还经常按机身的最大截面积来决定等效直径,即 机身的几何参数 3.3 3.3 机身设计机身设计下表：机身长细比数据下表：机身长细比数据 在统计的基础上导出了机身参数间关系的近似公式：其中：b和A机翼的展长和展弦比；其中：形状系数k，对于亚音速飞机k0.750.80；对于超音速飞机k 0.700.75；3.3 3.3 机身设计机身设计机身容积:机身表面面积 3.3.33.3.3 机身横截面的形状机身横截面的形状用地板梁连接的双圆弧形成的机身横截面，地板梁在气密压差作用下承受拉伸（飞机DC9）或压缩（安24）3.3 3.3 机身设计机身设计机身横截面的分布3.3.43.3.4 机身头部和尾部外形的特点机身头部和尾部外形的特点 飞行员视野、头部形状与风挡玻璃的协调 3.3 3.3 机身设计机身设计 3.4 3.4 尾翼及其操纵面的设计尾翼及其操纵面的设计3.4.13.4.1 尾翼初步设计尾翼初步设计1 1、初步确定尾翼及操纵面的位置和尺寸的步骤、初步确定尾翼及操纵面的位置和尺寸的步骤 第第1 1步：步：作为一般原则，平尾不应直接放在推进器滑流中。第第2 2步：步：确定尾翼的位置。第第3 3步：步：确定尾翼尺寸。第第4 4步：步：确定尾翼的平面几何形状。第第5 5步：步：绘制尾翼平面形状尺寸图。第第6 6步：步：确定纵向和航向操纵面的尺寸和位置。第第7 7步：步：简明地用报告说明第1到第6步，并给出标注有尺寸的图。3.4 3.4 尾翼及其操纵面的设计尾翼及其操纵面的设计2 2、纵向静稳定性估算（纵向、纵向静稳定性估算（纵向X-X-图法）：图法）：下图给出了一些例子的纵向站位图，注意图中的两个X分别代表:（1）Xc.g.代表当平尾(鸭翼)改变位置时，重心c.g相对机翼平均气动力弦前后移动的距离。（2）Xa.c.代表当平尾(鸭翼)改变位置时，焦点a.c.相对机翼平均气动力弦前后移动的距离。3 3、航向静稳定性估算（航向、航向静稳定性估算（航向X-X-图法）：图法）：下图给出了一个X-图的例子。3.4.23.4.2 尾翼外形的选择尾翼外形的选择3.4.33.4.3 操纵面外形及参数的选择操纵面外形及参数的选择3.4 3.4 尾翼及其操纵面的设计尾翼及其操纵面的设计