第二章 飞机初始总体参数与方案设计.docx

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第二章飞机初始总体参数与方案设计

第二章飞机初始总体参数与方案设计

2.1方案设计的任务和过程

本章的目的是为了使航空专业的学生能熟悉飞机设计过程中所用的设计决策方法，了解飞机设计的任务来源与如何进行最初阶段的设计工作。

“初始总体参数的确定”和“方案设计”这两个词表示的便是这一阶段的设计。

初始设计阶段之后的情况很大程度上取决于初始设计阶段的结果和研制成本。

如果初始设计阶段的结果可以满足预定的设计要求，则可以进行飞机的详细设计，如果初始设计的结果中发现了某些问题（如某种技术上的不足，或缺乏数据库等），那么就要进一步的改进初始方案、研究解决问题的方案，直到问题被解决之后，形成最终设计任务书，进行飞机的全尺寸发展研制。

如果研制表明在可接受的周期和费用内不能解决这些问题，该设计项目将被取消。

方案设计的任务主要是确定如下飞机总体参数：

（1）起飞总重WTO；

（2）最大升力系数Clmax；

（3）零升阻力系数CD0；

（4）推重比T/W；

（5）翼载W/S。

本章中假设飞机的任务要求是已知的，任务书中定义的典型参数有：

（1）装载和装载类型；

（2）航程或待机要求；

（3）起飞着陆场长；

（4）爬升要求；

（5）机动要求；

（6）鉴定基准（例如：

实验、航标或军用标准）。

2.2重量估算

飞机必须在带有装载物的情况下达到航程、航时、速度和巡航速度的目标。

估算为了完成任务阶段的飞机最小重量和燃油重量是很重要的。

对一定的任务要求，本节提供了一种快速估计起飞总

重WTO、空重WE、任务油重WF的方法。

该方法适用于如下12种飞机：

（1）自制螺旋桨飞机；

（2）单发螺旋桨飞机；

（3）双发螺旋桨飞机；

（4）农业飞机；

（5）公务机；

（6）涡轮螺旋桨支线飞机；

（7）喷气运输机；

（8）军用教练机；

（9）战斗机；

（10）军用巡逻机，轰炸机和运输机；

（11）水陆两用飞机；

（12）超音速巡航飞机。

2.2.1方法的概述

可以将飞机起飞总重表示为如下几项：

WTO=WOE+WF+WPL（2.2.1）

其中：

WOE——飞机使用空重

WF——飞机任务油重

WPL——飞机有效装载重量

而WOE通常记为：

WOE=WE+Wtfo+Wcrew（2.2.2）

其中：

WE——空重；

Wtfo——死油重；

Wcrew——乘员重。

空重有时又可写成如下形式：

WE=WS+WFEQ+WEN（2.2.3）

其中：

WS——为飞机结构重量；

WFEQ——为固定设备重量；

WEN——动力装置重量。

设计起飞总重”是指飞机在设计确定任务开始时的总重量，它不一定与“最大起飞重量”相同。

许多军用飞机的装载可以超过其设计重量，但将损失包括机动性在内的主要性能。

除特殊说明外，起飞总重或WTO假定为设计重量。

固定设备重量可以包括航电设备、空调设备、特殊雷达设备、辅助动力装置（APU）、内部装置和内部装饰和其他用于完成该任务而带的设备的重量。

设计起飞重量包括空机重量和全部载重（如图2.2.1所示）。

图2.2.1飞机起飞重量分类

对于一般飞机，起飞总重可以表示为如下形式：

WTO=Wcrew+WF+WPL+WE（2.2.4）

也可以写为：

（2.2.5）

式中：

=me——空机重量系数；

=mf——燃油重量系数。

表2.2.1给出了常规起落飞机的结构、动力装置、设备及操纵和燃油的相对重量。

表2.2.1常规飞机的结构、动力装置、设备及操纵和燃油的相对重量

飞机种类

WS/WTO

WEN/WTO

WFEQ/WTO

WF/WTO

亚音速干线客机

轻型

0.30~0.32

0.12~0.14

0.12~0.14

0.18~0.22

中型

0.28~0.30

0.10~0.12

0.10~0.12

0.26~0.30

重型

0.25~0.27

0.08~0.10

0.09~0.11

0.35~0.40

超音速飞机

0.20~0.24

0.08~0.10

0.07~0.09

0.45~0.52

地方航线的多用途飞机

0.29~0.31

0.14~0.16

0.12~0.14

0.12~0.18

运动飞机及特技飞行飞机

0.32~0.34

0.26~0.30

0.06~0.07

0.10~0.15

农业飞机及专业飞机

0.24~0.30

0.12~0.15

0.12~0.15

0.08~0.12

轻型水上飞机

0.34~0.38

0.12~0.15

0.12~0.15

0.10~0.20

动力滑翔飞机

0.48~0.52

0.08~0.10

0.06~0.08

0.08~0.12

歼击机

0.28~0.32

0.18~0.22

0.12~0.14

0.25~0.30

轰炸机

轻型

0.26~0.28

0.10~0.12

0.10~0.12

0.35~0.40

中型

0.22~0.24

0.08~0.10

0.07~0.10

0.45~0.50

重型

0.18~0.20

0.06~0.08

0.06~0.08

0.55~0.60

军用运输机及货机

轻型

0.30~0.32

0.12~0.14

0.16~0.18

0.20~0.25

中型

0.26~0.28

0.10~0.12

0.12~0.14

0.25~0.30

重型

0.28~0.32

0.08~0.10

0.06~0.08

0.30~0.35

此时有两点值得注意：

（1）.从最底层考虑，估算需要的燃油重量WF是不难的；

（2）.统计数据表明，对先前提及的12种飞机，log10WTO和log10WE之间存在线性关系。

基于这两点，求WTO、WE和WF将包含以下7个步骤：

第一步：

确定任务装载重量WPL

第二步：

猜测一个起飞重量值WTOguess

第三步：

确定任务油重WF

第四步：

确定WOE的试探值：

WOEtent=WToguess-WF–WPL（2.2.6）

第五步：

求WE的试探值：

WEtent=WOEtent-Wtfo–Wcrew（2.2.7）

Wtfo大约为WTO的0.5%或更多，通常可以忽略不计。

Wcrew数值根据设计要求或使用要求决定。

第六步：

按2.2.5节中的方法求WE的许可值。

第七步：

比较WEtent和第五、第六步得来的的值，然后改变WTOguess的值，重复3～6步，一直迭代下去，直到WEtent和WE的差值小于指定的误差值。

在这一阶段，误差值通常取0.5%。

2.2.2确定飞机装载重量WPL，和人员重量Wcrew

飞机装载重量WPL通常已在任务要求中给出。

WPL包括以下各项的一部分：

（1）乘员和行李

（2）货物

（3）军用装载，如：

弹药、炸弹、导弹和各种外挂物。

对于作短程飞行的旅客机，每个旅客重35kg，带行李10kg，对远程飞行每个旅客带行李15kg。

机组人员重量Wcrew是由如下方式确定的：

旅客机：

机组人员包括驾驶舱内的乘员和飞机乘务人员，人员数目还取决于旅客总数。

对机组成员，一般重量为80kg，所带行李10kg。

军用飞机：

对军机飞行员，重量取为100kg，因为他们带有附加设备。

2.2.3对起飞总重量WTO的估计

WTOguess的初始值通常是按具有类似任务和类型的飞机重量类比而来，如果无法类比，则任意给一个猜测值。

2.2.4任务油重的确定

在2.2.1节中，第一步曾表明确定WF是不难的，本节将提供求WF的方法：

任务油重WF可被写为：

WF=WFused+WFres（2.2.8）

其中：

WFused——任务期间耗去的燃油重量

WFres——执行任务所必须的余油

任务余油量通常按下列方式规定：

（1）作为消耗燃油的一部分

（2）使飞机可以抵达另外机场的附加航程需要

（3）满足待机时间要求的油量

为了确定执行飞行任务时耗去的油量，通常采用燃油系数法，即飞行任务被分成若干段（见图2.2.2）。

每一段的油耗按简单计算公式或由经验确定。

给定某一飞机的任务剖面，把任务剖面分成许多任务段，每一段给予编号并给出起始重量和结束重量。

每个任务段燃油系数是段末重量与本段开始时的重量之比。

下一步是为每一任务段的燃油系数分配一个数，这可以按如下方法进行：

图2.2.2典型飞机任务剖面

第一步：

发动机启动和暖机

起始重量为WTO，终止重量为W1，本段燃油系数为W1/WTO。

该系数的参考数据约为0.99～0.998。

第二段：

滑跑

开始重量为W1，终止重量为W2，燃油系数为W2/W1。

该系数的参考数据约为0.99～0.998。

第三段：

起飞

开始重量为W2，终止重量为W3，本段燃油系数为W3/W2。

该系数的参考数据约为0.99～0.998。

第四段：

爬升到巡航高度并加速到巡航速度

开始重量为W3，终止重量为W4，本段燃油系数W4/W3的参考数据约为0.98～0.995。

第五段：

巡航

起始重量为W4，终止重量为W5，本段燃油系数W5/W4的参考数据约为0.863～0.99。

第六段：

待机

起始重量W5，终止重量为W6，本段燃油系数W6/W5的各种飞机参考数据约为0.99～0.995。

第七段：

下降

开始重量为W6，终止重量为W7。

该系数的参考数据约为0.985～0.995。

第八段：

着陆、滑行和关机

起始重量为W7，终止重量W8，该系数的参考数据约为0.99～0.998。

这样即可求出任务燃油系数Mff：

Mff=（W1/WTO）Πi=1,7（Wi+1/Wi）（2.2.9）

式中

WTO——起飞总重

Wi——发动机启动和暖机阶段末的飞机重量

Wi、Wi+1——飞行剖面中每一个任务段的起始和终止重量

任务中使用的燃油，WFused为：

WFused=（1-Mff）WTO（2.2.10）

任务燃油重量，WF最终为：

WF=（1-Mff）WTO+WFres（2.2.11）

2.2.6空机重量的估算

空机重量系数me可以根据图2.2.3所示的经验曲线，按统计规律估算。

空机重量系数大约在0.3～0.7之间变化，并随飞机总重增加而递减。

图2.2.3空机重量系数与飞机起飞总重的关系

由图可见，飞机类型的影响也很大。

飞船的空机重量系数最大，远程军用飞机的空机重量系数最小。

飞船之所以重，是因为它需要携带相当于整个船体重量的附加重量。

还应注意到，不同类型的飞机所对应的空机重量系数随飞机重量变化的曲线斜率也不同。

空机重量系数原则上是随飞机尺寸而变化的，但对有些电子设备重量是不变的。

也可以把这些设备的重量统计到空机重量中去，这只适用于20世纪80年代以前的飞机。

对于新一代飞机，在使用这些统计数据时要考虑增加WPL而减小WE。

总的趋势是飞机总重越小，装载的能力就越小。

2.2.7确定起飞重量

将空机重量系数和燃油重量系数代入式（2.2.5）中，得到关于起飞重量的迭代关系式，对该式进行迭代，就可求得起飞重量。

也就是先假定一个起飞重量，计算统计空机重量系数，再计算起飞总重，如果结果与假定值不一致，则取两数之间的某一个值作为下一个假定值，重新进行计算，直到WEtent和WE的差值小于指定的误差值。

在这一阶段，误差值通常取0.5%。

2.3飞机升阻特性估算

2.3.1确定最大升力系数

最大升力系数取决于机翼的几何形状、翼型、襟翼几何形状及其展长、前缘缝翼及缝翼几何形状，Re数、表面光洁度以及来自飞机其它部件的影响，如：

机身、发动机短舱或挂架的干扰。

平尾提供的配平力将增加或减小最大升力，这取决于配平力的方向。

如果螺旋桨洗流或喷气洗流冲击到机翼或襟翼上，那么在发动机工作条件下，也会对最大升力产生重要影响。

大多数飞机在起飞和着陆时，使用不同的襟翼状态。

在着陆过程中，襟翼偏转到最大位置，以提供最大的升力和阻力。

不过，起飞用的最大襟翼偏角可能会引起比快速加速和爬升时所期望的阻力还要大。

因此，这时的襟翼将使用大约一半的最大偏角，这样一来，着陆时的最大升力系数将比起飞时的大。

一般地，起飞最大升力系数大约是着陆最大升力系数的80％。

表2.3.1列出了不同飞机的典型CLmax值。

表2.3.1最大升力系数典型值

序号

飞机类型

CLmax

CLmaxTO

CLmaxL

1

自制螺旋桨飞机

1.2-1.8

1.2-1.8

1.2-2.0

2

单发螺旋桨飞机

1.3-1.9

1.3-1.9

1.6-2.3

3

双发螺旋桨飞机

1.2-1.8

1.4-2.0

1.6-2.5

4

农业飞机

1.3-1.9

1.3-1.9

1.3-1.9

5

公务机

1.4-1.8

1.6-2.2

1.6-2.6

6

涡轮螺旋桨支线飞机

1.5-1.9

1.7-2.1

1.9-3.3

7

喷气运输机

1.2-1.8

1.6-2.2

1.8-2.8

8

军用教练机

1.2-1.8

1.4-2.0

1.6-2.2

9

战斗机

1.2-1.8

1.4-2.0

1.6-2.6

10

军用巡逻机，轰炸机和运输机

1.2-1.8

1.6-2.2

1.8-3.0

11

水陆两用飞机

1.2-1.8

1.6-2.2

1.8-3.4

12

超音速巡航飞机

1.2-1.8

1.6-2.0

1.8-2.2

CLmax的详细求解方法可以查阅相关资料，在初始设计阶段，表2.3.1所列值已经足以“选择”满足任务要求和与襟翼参数相对应的CLmax。

为了获得较好的最大升力系数的初始估算值，需要求助于实验结果和经验数据。

图2.3.1给出了几类飞机最大升力系数随后掠角的变化曲线，要记住的是，用于起飞襟翼偏角状态的最大升力系数，大约是着陆最大升力系数的80％。

图2.3.1最大升力系数随后掠角的变化曲线

2.3.2确定零升阻力系数

机翼上的阻力有许多种，根据阻力的起因以及是否与升力有关，可以把阻力分为零升阻力（与升力无紧密联系的阻力）和诱导阻力（与升力密切相关的阻力）。

其中零升阻力包括摩擦阻力和压差阻力，一架精心设计的飞机在亚音速巡航时的零升阻力大部分为蒙皮摩擦阻力，再加上小部分的分离压差阻力，对于不同类型的飞机，分离压差阻力都占蒙皮摩擦阻力的一定百分比，由此引出“当量蒙皮摩擦阻力系数（Cfe）的概念”，它包括蒙皮摩擦阻力和分离阻力。

式（2.3.1）给出用当量蒙皮摩擦阻力系数法估算零升阻力的公式，公式中的当量蒙皮摩擦阻力系数Cfe可从表（2.3.2）中查取。

式中：

S浸湿——飞机浸湿面积；

S参考——飞机参考面积。

表2.3.1当量蒙皮摩擦阻力系数

这里引入了浸湿面积的概念，所谓浸湿面积，即飞机总的外露表面积，可以看作是把飞机浸入水中会变湿的那部分表面积。

要估算阻力必须计算浸湿面积，因为它对摩擦阻力影响最大。

机身的浸湿面积可以用飞机的俯视图和侧视图来估算。

对于一般飞机方程式（2.3.2）给出了合理的近似。

S浸湿≈3.4[（S侧+S俯）/2]（2.3.2）

其中：

S侧－侧视图中飞机的平面面积；

S俯－俯视图中飞机的平面面积。

机翼和尾翼的浸湿面积可根据其平面形状估算，如图2.3.2所示，浸湿面积由实际视图外露平面形状面积（S外露）乘以一个根据机翼和尾翼相对厚度确定的因子得到。

图2.3.2机翼/尾翼浸湿面积估算图

2.3.2中阴影部分为外露平面形状面积，虚线所示为机翼/尾翼真实平面形状面积。

如果机翼或尾翼象一张纸那样薄，则浸湿面积将精确地等于实际平面形状面积的二倍（即上和下）。

有限厚度的影响将增大浸湿面积，可近似的由式（2.3.3）或（2.3.4）估算。

要注意，实际外露平面形状面积是投影（俯视）面积除以上反角的余弦值。

如果t/c<0.05S浸湿＝2.003S外露（2.3.3）

如果t/c>0.05S浸湿＝S外露[1.977+0.52（t/c）]（2.3.4）

对于起飞与着陆，襟翼与起落架对零升阻力的影响比较大，应予以考虑。

襟翼与起落架产生附加零升阻力的值主要同它们的尺寸、类型有关，其典型值可参照表2.3.3选取。

表2.3.3ΔCDO的典型值

襟翼、起落架形式

ΔCDO

e

干净

0

0.80-0.85

起飞放下襟翼

0.010-0.020

0.75-0.80

着陆放下襟翼

0.055-0.075

0.70-0.75

放下起落架

0.015-0.025

采用哪个值取决于飞机的襟翼、起落架型式。

开裂式襟翼阻力比富勒襟翼大；全翼展襟翼阻力大于部分翼展襟翼；装在机翼上的起落架阻力大；上单翼飞机大于下单翼。

2.3.3典型的飞机极曲线

亚音速时，设极曲线为抛物线，则飞机的阻力系数为：

（2.3.5）

或者：

（2.3.6）

其中：

——诱导阻力因子；

A－机翼展弦比；

e－奥斯瓦尔德系数。

典型的奥斯瓦尔德系数（e）在0.7与0.85之间，可以用下面的公式估算e值：

直机翼飞机e＝1.78（1－0.045A0.68）－0.46（2.3.7）

后掠翼飞机e＝4.61（1－0.045A0.68）（cosΛLE）0.15－3.1（2.3.8）

其中：

ΛLE——机翼前缘后掠角。

升阻比L/D是所设计方案总气动效率的量度，在亚音速状态下，升阻比L/D直接取决于两个设计因素：

机翼翼展和浸湿面积。

下面给出了一个计算最大升阻比的公式，可以用于升阻比L/D的估算。

（L/D）max=0.5（πAe/CD0）1/2（2.3.9）

以下列出了亚音速及超音速飞机典型极曲线的计算和图表，这些数据可以用于方案论证。

所提供的亚音速飞机的极曲线公式如下（襟翼及起落架收上）：

（2.3.10）

其中：

CL0－对应于CDmin的升力系数。

如CL0＝0，则CDmin=CD0。

对第一次近似，

式中：

——机翼在紊流中的摩擦系数；

——机翼在层流中的摩擦系数；

VC——巡航速度；

SE——所有发动机短舱的横截面面积；

ST－尾翼面积；

CDE－发动机短舱的阻力系数；

kf－机身的长细比。

发动机短舱的阻力系数决定于涡轮风扇发动机的涵道比（确切地说是决定于短舱形状），如表2.3.4所示：

表2.3.4CDE与涵道比的关系

涵道比

0

2

4

6

CDE

0.1

0.1

0.085

0.065

图2.3.3装两台涡轮风扇发动机的亚音速飞机的极曲线

S=32㎡；A＝9；Λ1/4＝20°；＝0.14；＝0.10；df＝2m；机翼增升装置：

前缘缝翼及双缝富勒襟翼；1——无增升装置的CLα；2——起飞时（前缘缝翼不打开，襟翼偏转20°）的CLα；3——着陆时（前缘缝翼打开，襟翼偏转40°）的Cα；4——无增升装置（起落架收起）时的

；5——起飞时（起落架放下）的

；6——着陆时（起落架放下）的

；7——离地时的升力系数；8——着陆时的升力系数。

图2.3.4超音速飞机的极曲线

图2.3.5超音速飞机的CD0随飞行M数变化的曲线

2.4确定推重比和翼载

推重比（T/W）和翼载（W/S）是影响飞机飞行性能的两个最重要的参数，这些参数的优化是初始设计布局完成后所要进行的主要分析、设计工作。

然而，在初始设计布局之前，要进行基本可信的翼载和推重比估算，否则优化后的飞机可能与初始布局的飞机相差很远，必须重新设计。

2.4.1确定推重比

T/W直接影响飞机的性能。

一架飞机的T/W越高，加速就越快，爬升也就越迅速，能够达到的最大速度也越高，转弯角速度也越大。

另一方面，发动机越大，执行全部任务中的油耗也越多，从而使完成设计任务的飞机的起飞总重增加。

T/W不是一个常数。

在飞行过程中，随着燃油消耗，飞机重量在减小。

另外，发动机的推力也随高度和速度变化。

每当设计师们提到飞机的推重比时，通常指的是在海平面静止状态（零速度）和标准大气条件下，而且是在设计起飞重量和最大油门状态下的推重比。

另一个常被提到的推重比是战斗机在格斗条件下的推重比。

1.推重比的折算

在确定参数的过程中，应该注意避免混淆起飞推重比和其它条件下的推重比。

如果所需的推重比是在其它条件下得到的，必须将它折算到起飞条件下去，以便于选择发动机的数量和大小。

例如，在设计过程中得到了巡航状态的推重比（T/W）巡航，就可以用式（2.4.1）进行折算：

如果可能的话，起飞与巡航条件下的推力比值，应该从实际发动机数据中得到，否则可采用类似发动机的数据，或者某些其它来源的数据。

2.推重比的统计估算值

表2.4.1给出了不同类型飞机的推重比（T/W）的典型值，这些值都是海平面和零速度（“静态”）状态下的最大功率时的值。

表2.4.1推重比的统计值

飞机类型

典型装机推重比

喷气教练机

0.4

喷气战斗机（空中格斗机）

0.9

喷气战斗机（其它）

0.6

军用运输/轰炸机

0.25

喷气运输机

0.25

注意，现代空中格斗战斗机的T/W值接近1.0，这表明推力近似等于重量。

在格斗条件下，当燃油消耗一部分后，飞机的推重比超过1.0，这时飞机甚至能垂直向上加速。

应特别指出的是，能进行格斗的喷气式战斗机的T/W是特指发动机开加力时的值，而其它喷气飞机的T/W，一般是不开加力的值。

推重比与最大速度密切相关，在后面的设计过程中，在最大设计速度情况下，气动阻力的计算将与其它准则一起用于确定所需要的T/W，表2.4.2给出了基于最大马赫数或最大速度的曲线拟合方程，可用于估算推重比（T/W）的初始值。

表2.4.2推重比与最大马赫数的关系

a

c

喷气教练机

0.488

0.728

喷气战斗机（空中格斗机）

0.648

0.594

喷气战斗机（其它）

0.514

0.141

军用运输/轰炸机

0.244

0.341

喷气运输机

0.267

0.363

3.根据保证平飞状态的统计确定推重比

飞机在巡航状态时，处于水平匀速飞行中。

此时，飞机的重量等于作用在飞机上的升力；推力等于阻力。

因此，推重比等于升阻比L/D的倒数，即：

L/D可通过多种方法计算，对于螺旋桨飞机，巡航L/D和最大L/D相同；对于喷气式飞机，巡航L/D是最大L/D的86.6％。

求出巡航段推重比，然后根据式2.4.1就可以求出起飞时的推重比。

4.根据爬升性能确定推重比

爬升段的推重比可用式（2.4.3）来推算，该式给出推重比的范围，在设计中，必须使爬升推重比不能小于该式所求得的值。

（2.3.3）

式中，G代表爬升梯度；CD0是零升阻力系数，对于喷气式飞机