第16讲 飞机重量和重心计算

1111 航空宇航学院 飞机重量和重心计算 2222 航空宇航学院 要求 设计 要求 布局型式选择布局型式选择 主要参数计算主要参数计算 发动机选择发动机选择 部件外形设计 机身 机翼 尾翼 起落架 进气道 部件外形设计 机身 机翼 尾翼 起落架 进气道 总体布局 三面图 部位安排图 结构布置图 总体布局 三面图 部位安排图 结构布置图 分析计算 重量计算 气动计算 性能计算 结构分析 分析计算 重量计算 气动计算 性能计算 结构分析 是否满足 设计要求？ 最优？ 是否满足 设计要求？ 最优？ 飞机总体设计框架 3333 航空宇航学院 The essence of aircraft design process • Generations of configuration, layout and geometry • Analysis of configuration, layout and geometry – Mass – Lift coefficient and Drag coefficient – Performance – Structure – Stability and control – Cost 4444 航空宇航学院 提要 • 重量的分组 • 飞机的过载 • 飞机结构重量估算 • 飞机重心的几个概念 • 各部件的重心位置估算 • 全机重量计算和重心定位 • 飞机重心位置的调整 • 飞机重量重心计算报告 5555 航空宇航学院 • 机翼结构 • 尾翼结构 • 机身结构 • 起落装置 • 操纵系统 • 推进系统 • 固定设备 • 不可用燃油 • 机组乘员 • 乘客 • 行李 • 货物 • 军用装载 • 使用燃油 空机重量 使用空重 {有效载荷 零 燃 油 重 量 全机重量 ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ √ √ √ √ √ √ √ 重量的分组 6666 航空宇航学院 飞机的过载 • 结构重量与飞机过载有关 • 几种飞机的使用过载： ƒ 战斗机： ny = 8 ~ 9 ƒ 教练机和攻击机： ny = 5 ~ 6 ƒ 轰炸机： ny = 3 ~ 4 ƒ 运输机和货机： ny = 1.5 ~ 2.5 ƒ 最大过载： nmax = 1.5 ny 7777 航空宇航学院 • 基本 以下公式为基本公式—只适于起落架可收，发动机 不安装在机翼上的情况： G G rs b b sw WSW tbnbKW s ref ⋅⋅⋅+⋅⋅= 30.055.0max75.0 )/ /()1(机翼 其中： bref = 1.905 bs为结构展长： 2/1cos/ χbbs = S — 机翼面积； WG — 零燃油重量； nMAX — 最大过载系数; tr — 根弦最大厚度 对于轻型飞机（Wto < 5670)：Kw = 4.90 × 10-3 对于运输飞机（Wto > 5670)：Kw = 6.67 × 10-3 机翼结构重量（运输机) 8888 航空宇航学院 From 《Synthesis of Subsonic Airplane Design》 ,Torenbeek,1982 机翼结构重量（续） • 如机翼上有扰流板和减速板，增加2%； • 当机翼安装2台或4台发动机时，分别减少5%或 10%； • 如果起落架不安装在机翼，减少5%。 • 讨论： ƒ bs↑ → W机翼↑ ƒ 可通过增加翼载来减缓由于bs↑ 带来的不利因素，故大型飞机 通常有较高的翼载 9999 航空宇航学院 0.813 0.584 0.033 0.28 0.915 max ,0.0034 {( ) ( / ) ( / ) }to ArW W n S b t c l= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅平尾 平 平 平 平 垂尾结构重量： 014.1484.0 4/1 363.01337.0217.0726.0 601.0089.1365.0 max 5.0 })()1()()/1( )()()()/1{(19.0 −− ++ ⋅⋅⋅+⋅= χλ η COSSSl MSnWbZW r Htoh 垂垂垂垂 垂垂垂 其中：S平—平尾面积（ft2)； S垂—垂尾面积（ft2)； l平—平尾尾力臂（ft)； l垂—垂尾尾力臂（ft)； tr,平—平尾根部最大厚度（ft)； b平—平尾展长（ft)； tr,垂—垂尾根部最大厚度（ft)； b垂—垂尾展长（ft)； 尾翼结构重量 平尾结构重量： 10101010 航空宇航学院 From 《Airplane Design》， Part 5 , Roskam. Zh = 0 尾翼结构重量（续） nMAX — 最大过载系数; χ1/4 — ¼弦线后掠角（度）； λ垂 — 垂尾展弦比； η垂 — 垂尾梯形比； Sr — 方向舵面积（ft) ； MH — 海平面最大马赫数； Wto — 起飞重量（磅）； W平、 W垂的单位为磅 Zh — 定义见图： 11111111 航空宇航学院 2.1 Ghb l DWf SVKW ff t ⋅⋅= +机身 (kg) From 《Synthesis of Subsonic Airplane Design》 ,Torenbeek,1982 机身结构重量 Kwf = 0.23 VD — 设计俯冲速度（km/h） lt — 机翼根弦1/4处至平尾根弦1/4处之间的距离 bf — 机身最大宽度（m）； SG — 机身壳体面积（m)； • 对于增压客舱，增加8%； • 后机身安装发动机，增加4%； • 主起落架在机身上，增加7%； • 若无主起落架支撑结构，也无机轮舱减少4%； • 对于货机，增加10%。 12121212 航空宇航学院 toWW ⋅= 04.0起落装置 From 《Introduction to Aircraft Design: Synthesis and Analysis》, Kroo 起落装置重量 起落装置重量包括： ƒ 主结构（支柱和撑杆） ƒ 机轮、 刹车装置、 轮胎、 导管和冷气装置； ƒ 收放机构、阻尼器、操纵器件、机轮小车等。 13131313 航空宇航学院 )(768.0)( 3/2 kgWKW toSC ⋅⋅=操纵 控制面操纵系统的重量 • 设有双重操纵机构的轻型飞机：KSC=0.23 • 用于手操纵的运输机和教练机： KSC=0.44 • 运输机，动力操纵系统，仅有后缘襟翼： KSC=0.64 • 有前缘襟翼时，增加20%。 14141414 航空宇航学院 发动机推进系统 WW ⋅= 6.1 推进系统重量 推进系统重量包括： ƒ 发动机 ƒ 安装发动机的结构 ƒ 短舱 ƒ 操纵发动机的附件（起动和控制系统等） ƒ 反推力装置 ƒ 燃油系统 15151515 航空宇航学院 toWW ⋅= 11.0固定设备 固定设备重量 • 包括： ƒ 辅助动力装置（APU） ƒ 仪、 导航、 电子设备 ƒ 液压、 冷气、 电气 ƒ 装饰和设备 ƒ 空调和防冰 ƒ 其它…… 16161616 航空宇航学院 飞机重心的几个概念 • 飞机重心位置 - 正常使用重心 指飞机在正常飞行过程中，经常保持的重心位置。 - 使用重心前限 指飞机在飞行过程中，重心可能的最前位置。 - 使用重心后限 指飞机在飞行过程中，重心可能的最后位置 17171717 航空宇航学院 、 • 飞机重心的前、后限 - 中立重心位置 纵向静稳定度为零时的重心位置 - 后限位置 * 最低纵向静稳定度由设计规范或适航性条例规定： 运输机: 5-10%; 战斗机: 5% 或为放宽静稳定 * 应保证每增加单位过载杆力增量的最小值不应过小 - 重心前限位置 飞机操纵所允许的飞机重心最前的位置 * 着陆时全动水平尾翼应有四分之一的备用偏度 * 起飞滑跑时：抬前轮的速度不应超过0.85倍的离地速度 * 要求每增加单位过载的杆力增量的最大值不应超过4kg 飞机重心的几个概念 18181818 航空宇航学院 歼-6重心范围; ——起落架放下；――起落架收起 19191919 航空宇航学院 L/2 0.4L/2 (38~40%)cA (40~42%)cA 35%半展长 各部件的重心位置估算 • 机翼 ƒ 直机翼 ƒ 后掠角和三角翼 20202020 航空宇航学院 (45~50%)cA 38%半展长 各部件的重心位置估算（续） • 平尾 • 垂尾 21212121 航空宇航学院 各部件的重心位置估算（续） • 机身 ƒ 螺浆单发 拉进式: ０.32 ~ 0.35 L身 推进式: ０.45 ~ 0.48 L身 ƒ 螺浆双发： 拉进式: ０.38 ~ 0.40 L身 推进式: ０.45 ~ 0.48 L身 ƒ 喷气运输机： 发动机安装在机翼上： ０.42 ~ 0.45 L身 发动机安装在机身后部：０.47 ~ 0.50 L身 ƒ 战斗机： 发动机安装在机身内： 0.45 L身 22222222 航空宇航学院 各部件的重心位置估算 • 起落装置 ¾与全机重心重合 • 动力装置 ¾由发动机重心位置来确定 • 固定设备 ¾与全机重心重合 • 燃油 ¾根据油箱布置的位置 ¾计算油箱的体积和重量，燃油密度ρ＝0.8g/cm3 • 有效载荷（乘客和行李、 货物或武器弹药） ¾由载荷的布置来确定 23232323 航空宇航学院 ∑∑= i i G mg mgx x )( )( ∑∑= i i G mg mgy y )( )( ％100×−= A AG G c xxx 重心在平均空气动力翼弦的位置： 全机重量计算和重心定位 24242424 航空宇航学院 ∑ imgx)( ∑ img)( ∑ imgy)( 部件、载重 mgx(10N·m) x(m) mg(10N) y(m) mgy(10N·m) 第 总 合 Ⅰ结构 机翼 机身 平尾 垂尾 前起落架（收上） 主起落架支柱 Ⅱ动力装置 中部的发动机 两侧的发动机 中部发动机短舱 两侧发动机短舱 燃油系统 Ⅲ设备和操纵系统 Ⅳ装备 飞行员 随机工程师 服务员 专用设备 Ⅴ燃油 第一组 第二组 第三组 Ⅵ载重 乘员 行李 飞机质心定位细目表 25252525 航空宇航学院 • 移动机翼： to i A i G W W c xx ⋅Δ=Δ 机翼 机翼 x W W c x toA G Δ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −=Δ )1(1 飞机重心位置的调整 • 调整装载： 26262626 航空宇航学院 飞机重量重心计算报告 • 计算各重量组的重量 • 计算全机重量 • 计算各部件重心 • 全机重量重心细目表 飞机重量和重心计算 飞机总体设计框架 The essence of aircraft design process 内容提要 重量的分组 飞机的过载 机翼结构重量（运输机) 机翼结构重量（续） 尾翼结构重量 尾翼结构重量（续） 机身结构重量 起落装置重量 控制面操纵系统的重量 推进系统重量 固定设备重量 飞机重心的几个概念 飞机重心的几个概念 各部件的重心位置估算 各部件的重心位置估算（续） 各部件的重心位置估算（续） 各部件的重心位置估算 全机重量计算和重心定位 飞机重心位置的调整 飞机重量重心计算报告