第一讲飞行器设计导论课件

大家好大家好1飞行器设计导论2气球升空n n风筝n n飞行的生物升力的产生3飞行器平台的种类旋翼飞行器 固定翼飞机飞艇4航空器轻于空气的航空器重于空气的航空器气球飞艇固定翼飞机旋翼飞行器朴翼机飞机滑翔机直升机组合旋翼机5固定翼飞机的分类6789按使用方式分类民用机军用机民航客机通用飞机战斗机轰炸机运输机。10民用飞机分类按飞机最大审定起飞重量分类小型和轻型飞机小型和轻型飞机 指飞机最大型号合格审定起飞重量为5700kg（12500lb）或以下的飞机，但对通勤类飞机，最大型号合格审定起飞重量可至8620kg（19000lb）。大型飞机大型飞机 指飞机最大型号合格审定起飞重量大于5700kg（12500lb）的飞机；又指座位设置（不包括驾驶员）在19座以上的飞机。11按按CCAR-23 部适航标准审定的飞机：部适航标准审定的飞机：（1）正常类飞机 指座位设置（不包括驾驶员）为9座或以下，最大型号合格审定起飞重量为5700kg或以下，用于非特技飞行的飞机。非特技飞行包括：a)正常飞行中遇到的各种机动b)失速（不包括尾冲失速）c)坡度不大于60度的缓8字飞行、急上升转弯和急转弯。（2）实用类飞机 指座位设置（不包括驾驶员）为9座或以下，最大型号合格审定起飞重量为5700kg或以下，用于有限特技飞行的飞机。有限特技飞行包括：a)尾旋b)坡度大于60度的缓8字飞行、急上升转弯和急转弯。（3）特技类飞机 指座位设置（不包括驾驶员）为9座或以下，最大型号合格审定起飞重量为5700kg或以下，除了由于所要求 的飞机试验。结果表明是必要的限制以外，在使用中不加限制的飞机。（4）通勤类飞机 指座位设置（不包括驾驶员）为19座或以下，最大型号合格审定起飞重量为8620kg或以下，用于正常类飞机所述非特技飞行的螺旋桨驱动的多发动机飞机。按按CCAR-23 部适航标准审定的飞机：部适航标准审定的飞机：指座位设置及最大型号合格审定起飞重量无限制。12按客座数与航程分类13对于货机，可分为四类：轻型货机：载货量小于20吨；小型货机：载货量小于40吨；中型货机：载货量小于4085吨；大型货机：载货量大于85吨；14民用飞机研制阶段和程序a)项目前期论证阶段；b)技术经济可行性论证阶段c)总体方案论证阶段d)型号研制阶段如果按民用飞机的全寿命周期考虑，还应包括生产阶段与营运阶段。15波音公司对商用飞机发展独特的程序16军用飞机研制流程论证阶段方案阶段工程研制阶段设计定型阶段生产定型阶段 每个阶段都有各自的依据、主要任务和目标、主要工作内容、质量控制要点和完成标志。17论证阶段论证阶段依据依据本阶段的主要依据，是使用部门根据未来战争要求和国务院、中央军委批准的武器装备研制中长期计划而提出的初步飞机战术技术及使用要求。这些要求主要包括：a)作战使命、任务、环境和对象；b)战术技术指标要求及综合后前保障要求；c)初步装备编制方案、计划装备数量、基地、位置和服役年限；d)采购经费及使用经费估算；e)研制进度和交付要求。主要任务和目标主要任务和目标论证阶段的主要任务是进行战术技术指标、总体技术方案论证及研制经费、研制周期、保障条件预测。主要工作内容主要工作内容a)战术技术要求论证b)技术可行性论证c)经济可行性论证1819飞行器设计阶段划分型式型式选择选择总总体布体布置方案置方案动动力装置力装置选选择择全机重量重心全机重量重心计计算和算和分配分配总总体参数体参数选择选择与确定与确定设计规设计规范与定型范与定型/适航适航标标准准选选取取各部件和分各部件和分系系统统方案方案设计设计有效性有效性评评价价技技术术要求可行要求可行性性/符合性符合性论证论证三面三面图总体布置体布置图重量重心重量重心报告告飞行性能行性能计算算报告告初步外初步外载荷荷计算算报告告部件和系部件和系统初步要求初步要求设计规范和范和标准准经济性分析性分析报告告初步初步设计设计阶阶段段详细设计详细设计阶阶段段概念概念设计设计（总总体体设计设计）20总体设计的主要内容1、确定飞行器总体使用技术要求/战术技术要求l任务使命（军用、民用，运输、通用，攻击，侦察，巡逻，反潜等）l主要战术技术指标及使用要求使用环境（温度、风速，昼间、夜间，平原，高海拔，沙丘等）典型任务剖面基本性能（悬停高度，爬升性能，前飞性能，航程，升限等）武器与火控系统可靠性、维修性指标等21基本参数基本参数乘员：0名长度：13.5m（44ft5in）翼展：35.4m（116ft2in）高度：4.6m（15ft2in）翼面积：m²（ft²）空重：3,850kg（8,490lb）载重：10,400kg（22,900lb）2发动机：1AE3007H涡轮扇叶发动机，31.4Kn（7,050lbf）性能性能最高速度：650km/h（404mp/h）航程：36（小时）实用升限：20,000m（65,000ft）美国美国RQ-4ARQ-4A全球鹰无人机全球鹰无人机22尺寸尺寸旋翼直径10.00米旋翼桨叶弦长0.26米涵道尾桨直径 0.75米涵道尾浆桨叶弦长0.06米机长(旋翼旋转)11.52米 机身长 9.60米机高(全高)3.4米座舱最大宽度 1.50米滑橇问距2.07米重量和载荷重量和载荷 标准空重960千克 最大使用载重755千克 最大起飞重量1800千克 桨盘载荷22.9千克力米2性能性能 不可超越速度(VNE)278千米小时 最大巡航速度226千米小时 最大爬升率(海半面)6.6米秒 实用升限 5189米 悬停升限有地效2819米 无地效2316米航程航程(无余油)731千米续航时间续航时间(以120千米小时)4小时10分EC-120B直升机直升机 技术指标技术指标23设计规范、定型/适航标准规范 内容：设计情况、安全系数、过载、重量、重心、飞行载荷、着陆载荷、强度和刚度、动力学特性、配平特性、操纵性和稳定性、飞行品质、结构试验、飞行试验等军用飞机、直升机设计定型由国家组织专门的定型委员会进行审查，主要依据是国军标的相关标准GJB4591-1992武装直升机通用使用要求GJB2777-1996 军用直升机验证要求GJB4046-2000(K)直升机桨叶设计要求等近二百多个标准民用飞机、直升机适航审定正常类、实用类、特技类和通勤类飞机适航规定CCAR-23部、运输类飞机适航标准CCAR-25部正常类旋翼航空器适航规定CCAR-27部、运输类旋翼航空器适航规定CCAR-29部24飞行器型式选择25上翻角(提高横向稳定性)2627驾驶舱28发动机位置2930起落架布局31尾翼形式A正常式B十字式CT字尾翼DV字尾翼EH型尾翼32动力装置选择一般原则发动机性能与直升机性能相匹配功率大、重量轻、体积小、油耗低、寿命长环境适应能力强，具有良好的低温、高原起动能力和飞行能力结构紧凑，便于外场维修可靠性、安全性高，耐久性好33总体气动布局方案u主机翼的外形方案34各部件与分系统方案u机翼u操纵系统 全机械式、液压助力式、电液伺服式、姿态增稳系统u传动系统 主减方案、离合器方案、安装型式u机身 构架式、薄壁式、整体壁板式u发动机安装u。35全机重量重心计算重量分类总重：总重：总载荷+空机重量总载荷：总载荷：燃油+有效载荷有效载荷：有效载荷：任务载荷+成员/装置36重心布置总体布置使用重心范围设计重心范围平衡限制疲劳强度限制纵向稳定性限制序号序号名称名称GixiGixiyiGiyi1总重2有效载荷3任务载重4燃油5滑油GiGixiGiyi37重量分析方法基于强度计算的分析方法数字建模-强度分析-构建数字样机-确定部件重量基于统计分析的重量分析方法根据使用条件相似的已有直升机的统计资料，利用统计回归方法确定直升机重量复合分析方法子样的收集和选取部件重量公式建立回归方法计算回归系数38主要参数分析和选择u 起飞总重有效载荷 ，由使用技术要求确定；重量效率 ，由统计数据确定。活塞式大约在0.3，涡轮轴式大约在0.4燃油相对重量 ，在给定航程条件下：，其中A：活塞式22.75，涡轮轴34.5给定续航时间条件下：，其中B：活塞式0.007，涡轮轴0.010539设计有效性评价功能有效性准则重量效率(飞机总载荷与总重之比）生产率（单位时间直升机完成的作业量）米里准则（直升机有效载荷全部换成燃油所能飞行的航程）40生产有效性准则劳动量材料利用系数K=零阶重量/毛坯重量使用有效性准则技术维护工时比每飞行小时的技术维护量 每飞行小时的技术维护量=技术维护总人时数/飞行小时 经济有效性准则研制成本单机成本使用成本41国民经济有效性技术发展远景，技术效果和成产率新机设计、制造和投入使用的周期工业生产的可能性，技术和生产工艺发展的远景新机生产规模和劳动量新机的通用性与发展前景结构材料的资源和远景工业部门人力和物力的合理使用全寿命周期成本（Life-cycleCost)42飞机总体参数优化总体参数优化数学模型总体参数优化设计的基本要素设计变量（起飞总重G、桨盘载荷p、旋翼桨尖速度R、旋翼实度、桨叶片数K、发动机功率N）目标函数（重量效率、米里准则、生产率、有效载荷、航程、航时、军用直升机使用效能等）约束条件（等式约束、不等式约束）43飞行器总体设计的最终成果三面图三面图总体布置图总体布置图重量重心报告重量重心报告飞行性能计算报告飞行性能计算报告初步外载荷计算报告初步外载荷计算报告部件和系统初步要求部件和系统初步要求设计规范和标准设计规范和标准经济性分析报告经济性分析报告44飞行器初步设计初步设计阶段初步设计阶段,不同领域的专业设计人员都将开始工作。包括机体结构、不同领域的专业设计人员都将开始工作。包括机体结构、起落架、控制系统等。一些初期的测试与详细分析工作也将开始，包括气动、起落架、控制系统等。一些初期的测试与详细分析工作也将开始，包括气动、动力、强度和操纵稳定性。动力、强度和操纵稳定性。初步设计阶段一个很重要的工作是初步设计阶段一个很重要的工作是“放样放样”。“放样放样”是根据理论外形是根据理论外形曲面获得内部不同部分结构外形数据的工作。其最终目的是给下面详细设计曲面获得内部不同部分结构外形数据的工作。其最终目的是给下面详细设计零部件提供准确的界面数据。零部件提供准确的界面数据。45飞行器详细设计详细设计阶段是对每一件需要加工的零件以及组装起来的部件进行设计。详细设计阶段是对每一件需要加工的零件以及组装起来的部件进行设计。例如：翼盒在初步设计阶段是被当作一个整体看待的，但到了详细设计阶段，例如：翼盒在初步设计阶段是被当作一个整体看待的，但到了详细设计阶段，翼盒被分为单独的翼肋、桁条、蒙皮等。翼盒被分为单独的翼肋、桁条、蒙皮等。详细设计阶段另一项重要的工作是工艺设计，工艺员必须考虑所设计的详细设计阶段另一项重要的工作是工艺设计，工艺员必须考虑所设计的零件如何去加工，以及这些零件如何组装成部件。零件如何去加工，以及这些零件如何组装成部件。46概念设计初步设计47细节设计各个零部件详细尺寸48飞行剖面49飞行器机动飞行5051盘旋跃升52垂直面8字翻滚53飞行器性能l升限能飞多高？l航程能飞多远？l续航时间能飞多久？l最大飞行速度能飞多快？l任务载重能装多少东西？l 起起飞飞滑跑距离滑跑距离l 最大起最大起飞飞重量重量l 抗抗风风能力能力 54n n升限飞行器保持平飞时，最大的飞行高度n n航程飞行器不经过空中加油，保留最小燃油储量下，最大飞行距离n n续航时间飞行器不经过空中加油，保留最小燃油储量下，所能持续飞行的时间55n n任务载重保证一定性能条件下，能够装载任务载荷的最大重量。往往与航程、航时组合起来。n n最大飞行速度飞行器能够在飞行中达到的最大速度。56n n最小飞行速度保持飞机平飞的最小飞行速度。对应飞机最大升力系数。n翼载飞行器重量与机翼面积的比值。57585960航空科学与工程学院试验研究试验研究背景介绍背景介绍v通用航空，是指除军事、警务、海关缉私飞行和公共航空运输飞行以外的航空活动，包括从事工业、农业、林业、渔业、矿业、建筑业的作业飞行和医疗卫生、抢险救灾、气象探测、海洋监测、科学实验、遥感测绘、教育训练、文化体育、旅游观光等方面的飞行活动。v通用航空具有机动灵活、快速高效等特点，作业项目覆盖了农、林、牧、渔、工业、建筑、科研、交通、娱乐等多个行业。通用航空的具体内容包罗万象，我们熟知的通用航空有以下几种：航空摄影、医疗救护、气象探测、空中巡查、人工降水等。其他类型包括海洋监测，陆地及海上石油服务，飞机播种，空中施肥等。另外公务机飞机和私人飞机都属于通用航空范畴之内。通用飞机市场调研通用飞机市场调研61航空科学与工程学院试验研究试验研究通用航空应用范围近年来，随着大陆经济的持续、快速发展，市场化进程的逐步推进，通用航空市场结构发生了较大的变化。以政府部门或国有企业为主要服务对象的通航作业份额开始下降自发的市场需求在逐年增长，主要的经营项目有石油服务、公务飞行、医疗救护、培训飞行等等。随着国内企、事业单位购置自用公务机（含直升机）数量的不断增加，航空器代管市场在逐渐扩大。对直升机摆渡乘客、直升机医疗救护以及对小型飞机用于近距离城市之间的旅客穿梭飞行的需求也正在凸现。国民经济发展到一定水平后，通用航空的市场将越来越大、市场支付能力也将逐步提高。62航空科学与工程学院通用航空的行业应用情况海岸巡查及内核航道巡查海岸巡查及内核航道巡查农业使用的技术要求农业使用的技术要求航空摄影航空摄影人工影响天气人工影响天气电力线路巡查电力线路巡查油气管线巡视油气管线巡视行业应用现行业应用现状状航空探矿航空探矿森林防护巡查森林防护巡查私人交通私人交通观光旅游观光旅游飞行执照培训飞行执照培训63航空科学与工程学院试验研究试验研究农业使用的技术要求农业作业内容包括空中喷洒、空中除草、飞机播种、空中施肥等国内的农业作业量很可观，平原地区农业适宜固定翼飞机大范围快速作业；飞播牧草作业有很大的土地面积，并且需要重复播种农业作业对飞行器性能的需求l为了作业经济性，要求有效载荷大l必须要有专用的喷洒设备l作业高度较低（35米），作业速度低（100180km/h）l起落性能要好，较短的滑跑距离（最长不超过400米），最好能田间起降l飞行环境较复杂，驾驶员要有广的视界l防毒和抗腐蚀要求64航空科学与工程学院试验研究试验研究海岸巡查及内河航道巡查海岸线执法巡查任务，内河航道的执法巡查、监测任务中国海岸线总长3.2万公里，其中大陆海岸线1.8万公里，数量巨大，船只与陆地交通工具效率很低内河航道的巡查作业量缺口也很大，截止2014年我国内河航道通航里程13万公里，每年仅江苏省航道巡航里程高达50万公里，巡航费用数亿元海岸线及航道巡查作业对飞行器性能的需求l巡查任务对飞机长航程的需求，长距离的巡查要求飞机有良好的巡航经济性能l定点巡查作业对飞机的续航时间提出了较高的要求l巡查作业需要携带成像设备如光电吊舱、高光谱雷达等l海岸线巡查作业飞机在海洋环境中服役，所以需要机体有抗腐蚀、老化的要求l国内目前海监装备的飞机是Y-12IV型飞机65航空科学与工程学院试验研究试验研究航空摄影主要分为单片摄影、航线摄影和面积摄影航空摄影的作业量占到轻型飞机各种作业量的67%航空摄影作业对飞行器性能的需求l续航时间要长，在4h以上l单次作业效率要高，单次作业面积达到50-100km，飞机航程在200400kml机体振动小、稳定性好，抗风性能好l为了在作业场所周边起降，起飞条件要求低，在复杂路况能起降l操控精准、安全稳定、最大限度保障安全l飞机挂载航拍航测设备预留窗口或乘员手持设备航摄仪典型航摄线路66航空科学与工程学院试验研究试验研究航空探矿航空探矿多在一些人员难以到达进行地质勘探的地点作业航空探矿占到轻型飞机各种作业飞行量的2%左右，随着企业在资源勘探方面的需求增多，这一类应用需求也随之增加航空摄影作业对飞行器性能的需求l航程在500km以上，续航在5小时以上l载重量220kg（1名乘员，80L油，探矿设备）l低速性能好，飞行速度在150200km/h为宜l低空和超低空性能好，以适应复杂的山区、丘陵地形的条件l需要吊挂专用探矿设备探探矿性性质平均每公里成本（元）平均每公里成本（元）一类区二类区三类区四类区五类区综合探矿系统17501925210024502975航空重力12251400161021002625航电840980112015401820航空放射性探测583.3700816.710731400航磁466.7583.3700933116667航空科学与工程学院试验研究试验研究人工影响天气航空探矿多在一些人员难以到达进行地质勘探的地点作业航空探矿占到轻型飞机各种作业飞行量的2%左右，随着企业在资源勘探方面的需求增多，这一类应用需求也随之增加人工影响天气作业对飞行器性能的需求：l飞机升限较高，一般要求800010000米l承担大范围、跨区域作业的飞机载重能力应为46吨，小范围、季节性的作业飞机载重能力一般不低于2吨l飞机航速一般要求200500km/hl续航能力一般应达到1000km以上，巡航时间24hl播撒装置和多种探测设备l国内用于人工影响天气的飞机有运12，夏延，安26等68航空科学与工程学院试验研究试验研究油气管线巡视油气管线常规巡检可用固定翼提升巡检效率，作为替代人工巡检的方式作业量：截止2015年底中国陆上原油管道2.3万公里，成品油管道2.1万公里，天然气管道7.6万公里油气管线巡视作业对飞行器性能的需求：l油气管线一般较长，因此飞机的航程要求也较高，为500700kml油气管线会经过山区，所以飞机升限有一定要求，3000m以上较为合适l巡视作业中拍摄图像的需求，巡航速度在130160km/h为宜l巡视巡检设备，如机载光电吊舱、高清摄像机、照相机等森林防护森林防护在山区人不能及的林区巡逻侦查，或者对森林火场进行侦查轻小型飞机不具备灭火能力，只能用于侦查和巡逻作业轻小型飞机不具备灭火能力，只能用于侦查和巡逻作业森林防护作业对飞行器性能的需求：l山区作业对飞机升限的要求，一般要求2000米以上l我国西南林区的地形地势比较复杂，山中作业的风切变、山高林密的特点对安全飞行有威胁l国内用于航空护林的飞机有运12，以及多种大中型直升机等69航空科学与工程学院试验研究试验研究电力线路巡检输电线路的整体普查作业适合固定翼飞机，替代人工巡检提高效率作业量：国内的电力巡检作业多引进了直升机和多旋翼无人机；固定翼飞机主要为整体普查电力线路巡检作业对飞行器性能的需求：l作业速度低，现有固定翼无人机的巡线作业速度约70km/h左右l载荷能力主要为机载成像设备和通信设备l低空飞行和贴线飞行的安全性要求l电力巡检作业应携带可见光成像设备、红外、紫外成像设备l目前用于电力巡检的固定翼无人机均为小型载荷的，弹射起飞的无人机70航空科学与工程学院试验研究试验研究私人交通小型通用飞机受有效载荷的限制，携带燃油有限，所以适合一些短途出行美国所有的通用飞机中，以交通为主的飞机所占比超过80%，随着国内的地面交通堵塞的加剧和低空空域的开放，私人交通的飞机需求很有潜力私人交通对飞行器的性能需求：l载人飞行，有效载荷应大于200kgl舒适性与安全性l航程应不小于1200kml应用一些先进的操控技术，提升安全性观光旅游观光旅游主要有：飞行体验、空中观光和高端旅游需求以新疆开放首条低空旅游航线为例：从富蕴至喀纳斯乘坐汽车需8小时，而开通航线后乘坐通航飞机只需70分钟就可以到喀纳斯看星空私人交通对飞行器的性能需求：l载人飞行，有效载荷应大于200kgl舒适性与安全性l航程应不小于700km71航空科学与工程学院试验研究试验研究飞行执照培训考取飞行执照的培训飞机，有单飞和带飞两种情况目前私照的飞行训练时间要求40h，至少20h带飞，10h单飞飞行执照培训对飞行器的性能需求：l载人飞行，有效载荷应大于200kgl舒适性、安全性以及好的操纵性能l需完成特定的飞行任务及转场等，航程应不小于1200kmlCessna172广泛应用在执照培训飞行作业中72轻型运动型飞机对应用的适用性考量综合考虑以上11种应用场景，可以看出轻型运动型飞机适合的应用主要集中在巡查监测以及驾驶培训方面。轻型运动型飞机携带的设备尺寸重量，飞行速度区间、飞行高度和经济性都完全符合巡查监测要求。轻型运动型飞机使用经济性佳，十分适合驾驶培训这类累计飞行时间较长的应用场景。而对于一些需要大载重量，超低速探查，高空作业等应用领域，轻型运动型飞机并不适合，比如喷洒农药，人工降雨，电网排查巡线等。航空科学与工程学院73参数的提出总重600kg升限大于4000m山区巡查失速速度75km/h电网巡线最大速度210km/h巡航速度170km/h应落于常态使用范围内抗风性10m/s海巡 航拍起飞距离150m航拍 探矿 农药着陆距离200m爬升率5m/s飞行员视野好 农药 航拍 预留风阻小，可长距离（1200km）长时间（5h）飞行动力912s100HP飞行稳定性好重心位置拥有较好的安装扩展能力，侧方、下方能有多个开口位置方便安装仪器设备。航空科学与工程学院74设计三种型式飞机设计三种型式飞机1、前拉式下单翼2、前拉式上单翼3、推进式上单翼 CTLSICONA5DiamondDA-20C175