上海充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 【飞行器设计】课程大作业报告：民用倾转旋翼机设计 第二章设计目标的确定 由第一章的分析可知，倾转旋翼机相比普通固定翼飞机有着可以垂直起降(VTOL)或 短距起降(STOL)的特点。同时，相比于直升机，则又具有航程远、速度快、机动性强等 特点。虽然，旋翼下产生的涡流造成的飞机性能的不稳定、涡轴发动机的保养和维修较为困 难等因素制约了这一类飞行器的发展，但在有了V-22“鱼鹰”和BA609等成功机型的前期 铺垫下，将倾转旋翼机的概念运用到我国民用航空中来，依旧具有着很大的吸引力。 2.1初步市场分析 本次设计的主要针对市场为我国公务机市场。然而，目前我国的机场数目和机场的规格 等方面的限制是我国商用公务机发展的重要制约因素。另一方面，对机场要求不高的普通民 用直升机由于其载客量较小，难以进一步推广。因而，倾转旋翼公务机的出现可以一举解决 这两个问题。 其次，由于我国绝大多数城市在进行城市规划时，基本把机场规划在离城市较远的城市 边缘郊区地带，因此在相距1100公里左右的两个城市之间（如伦敦到法兰克福，北京到上 海等)，倾转旋翼机公务机是目前可以想见的最快的交通方式。 此外，轻型的公务机研制更容易。 最后，10人座左右的公务机可以经过简单改装后作为通用飞机，执行一些救灾、海岛 科考等任务。对后续研究载客量更多的民用“鱼鹰”可以起到奠基作用。 2.2设计目标 针对上述简要的市场分析，本次民用倾转旋翼机的设计目标为：(1)主要针对小型民用 公务机市场：(2)搭载乘客数量约为10（乘客）+2（机组人员）人：(3)能够进行近地垂 直起降：(4)航程至少达到1300千米：(5)巡航速度至少达到500公里/小时。 其中，有关搭载人数和航程的确定，具体说明如下： 2.2.1搭载人数 根据《简式飞机鉴赏指南》的“公务机”条目，目前市场上的绝大多数公务机的载客 量在5至15人之间，故而，本次设计的乘客搭载人数确定为12人，这样，飞机设计中的冗 余量可以适当加大，便于后期的调整。 第6页共57页
【飞行器设计】课程大作业报告：民用倾转旋翼机设计 第 6 页 共 57 页 第二章 设计目标的确定 由第一章的分析可知，倾转旋翼机相比普通固定翼飞机有着可以垂直起降（VTOL）或 短距起降（STOL）的特点。同时，相比于直升机，则又具有航程远、速度快、机动性强等 特点。虽然，旋翼下产生的涡流造成的飞机性能的不稳定、涡轴发动机的保养和维修较为困 难等因素制约了这一类飞行器的发展，但在有了 V-22“鱼鹰”和 BA609 等成功机型的前期 铺垫下，将倾转旋翼机的概念运用到我国民用航空中来，依旧具有着很大的吸引力。 2.1 初步市场分析 本次设计的主要针对市场为我国公务机市场。然而，目前我国的机场数目和机场的规格 等方面的限制是我国商用公务机发展的重要制约因素。另一方面，对机场要求不高的普通民 用直升机由于其载客量较小，难以进一步推广。因而，倾转旋翼公务机的出现可以一举解决 这两个问题。 其次，由于我国绝大多数城市在进行城市规划时，基本把机场规划在离城市较远的城市 边缘郊区地带，因此在相距 1100 公里左右的两个城市之间（如伦敦到法兰克福，北京到上 海等），倾转旋翼机公务机是目前可以想见的最快的交通方式。 此外，轻型的公务机研制更容易。 最后，10 人座左右的公务机可以经过简单改装后作为通用飞机，执行一些救灾、海岛 科考等任务。对后续研究载客量更多的民用“鱼鹰”可以起到奠基作用。 2.2 设计目标 针对上述简要的市场分析，本次民用倾转旋翼机的设计目标为：（1）主要针对小型民用 公务机市场；（2）搭载乘客数量约为 10（乘客）+2（机组人员）人；（3）能够进行近地垂 直起降；（4）航程至少达到 1300 千米；（5）巡航速度至少达到 500 公里/小时。[4] 其中，有关搭载人数和航程的确定，具体说明如下： 2.2.1 搭载人数 根据《简式飞机鉴赏指南》[5]的“公务机”条目，目前市场上的绝大多数公务机的载客 量在 5 至 15 人之间，故而，本次设计的乘客搭载人数确定为 12 人，这样，飞机设计中的冗 余量可以适当加大，便于后期的调整
上海充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 【飞行器设计】课程大作业报告：民用倾转旋翼机设计 2.2.2 航程确定 根据资料阿，1500公里的航程即可满足我国大约65%的城市间的往来。如：在我国， 北京至上海航线的距离为1065km:北京至重庆的距离为1465km:上海至广州的距离为 1213k:上海至澳门的距离为1276km。同时，国际航线中，由英国伦敦至德国柏林的航线 长度也仅为1094km。 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 我国城市对航线距离分布 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 航程/km 图4我国主要城市对航线里程分布（摘自参考文献6） 故而，我们确定的至少1300公里的航程可以大致满足普通公务机的实际需要，它的选 取是合理的。 2.3设计原则 本次设计，由于小组成员均为第一次进行实际飞行器的设计，故而确立了以下四条基本 原则： (1)扬长避短：即尽可能发挥倾转旋翼机兼具直升机和螺桨飞机性能的长处尽量尝试 消除由于设计导致的飞机安全性、飞行速度慢等不利于民用航空飞行的短处。 (2)循序渐进：设计从借鉴比较容易起步的机型（如V-22“鱼鹰”、BA609等）着手， 待达到基本设计目标后再对若干细节问题进行修正、完善和改进。 (3)厚积薄发：在设计过程中，必须大量阅读各种文献资料，吸纳前人在倾转旋翼机 上已经取得的研究成果，不做重复劳动。 (4)小组讨论：充分发挥小组成员间的团队协作精神，设计需经过大家商讨，最终确 定方案。 第7页共57页
【飞行器设计】课程大作业报告：民用倾转旋翼机设计 第 7 页 共 57 页 2.2.2 航程确定 根据资料[6]，1500 公里的航程即可满足我国大约 65%的城市间的往来。如：在我国， 北京至上海航线的距离为 1065km；北京至重庆的距离为 1465km；上海至广州的距离为 1213km；上海至澳门的距离为 1276km。同时，国际航线中，由英国伦敦至德国柏林的航线 长度也仅为 1094km。 图 4 我国主要城市对航线里程分布（摘自参考文献[6]） 故而，我们确定的至少 1300 公里的航程可以大致满足普通公务机的实际需要，它的选 取是合理的。 2.3 设计原则 本次设计，由于小组成员均为第一次进行实际飞行器的设计，故而确立了以下四条基本 原则： （1）扬长避短：即尽可能发挥倾转旋翼机兼具直升机和螺桨飞机性能的长处尽量尝试 消除由于设计导致的飞机安全性、飞行速度慢等不利于民用航空飞行的短处。 （2）循序渐进：设计从借鉴比较容易起步的机型（如 V-22“鱼鹰”、BA609 等）着手， 待达到基本设计目标后再对若干细节问题进行修正、完善和改进。 （3）厚积薄发：在设计过程中，必须大量阅读各种文献资料，吸纳前人在倾转旋翼机 上已经取得的研究成果，不做重复劳动。 （4）小组讨论：充分发挥小组成员间的团队协作精神，设计需经过大家商讨，最终确 定方案
上海充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 【飞行器设计】课程大作业报告：民用倾转旋翼机设计 2.4设计命名 考虑到本次设计的飞机是一款小型民用公务机，其设计灵感来源于V-22“鱼鹰”运输 机，故而将其命名为“翠鸟(Kingfisher)”。 图5翠鸟示意图（来源于“百度百科”） 翠鸟体型大多数矮小短胖，只有麻雀大小，体长大约15cm。与我们设计的“小型”相 对应。而翠鸟的飞行灵活，小巧动人，也与我们的设计有诸多相似之处。 第8页共57页
【飞行器设计】课程大作业报告：民用倾转旋翼机设计 第 8 页 共 57 页 2.4 设计命名 考虑到本次设计的飞机是一款小型民用公务机，其设计灵感来源于 V-22“鱼鹰”运输 机，故而将其命名为“翠鸟（Kingfisher）”。 图 5 翠鸟示意图（来源于“百度百科”） 翠鸟体型大多数矮小短胖，只有麻雀大小，体长大约 15cm。与我们设计的“小型”相 对应。而翠鸟的飞行灵活，小巧动人，也与我们的设计有诸多相似之处
上海充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 【飞行器设计】课程大作业报告：民用倾转旋翼机设计 第三章设计总体布局 对于任何一架飞机而言，进行飞机总体布局设计的重要性在于：飞机总体布局对飞机的 飞行性能和运营成本起到决定性作用。总体布局的选择要服务于飞行任务和设计要求，应从 气动、结构、动力装置、飞控、载荷，以及可靠性和维修性等多方面考虑进行总体布局的权 衡和优化]。限于现有条件，本文主要考虑气动、结构、动力装置和载荷等因素。本章将 对飞机各部件（机翼、机身、起落架、尾翼等）进行概念性设计和位置部署。对于本设计的 另一个重要组成部分一一螺旋桨和发动机，将在第六章中另行讨论。 图6参考布局(V-22”鱼鹰”布局)（引自参考文献7） 飞机布局设计可以有多种方案。在布局选择中，既要参考历史上类似的机型，又应充分 考虑新技术的发展，并发挥设计人员的创造性。对于本文所设计的民用倾转旋翼机，比较成 熟的既有机型并不多：美国贝尔公司和波音公司联合研发的V-22“鱼鹰”倾转旋翼机（军 用运输机)和美国贝尔公司和意大利阿古斯塔公司联合研发的BA-609倾转旋翼机（民用通 第9页共57页
【飞行器设计】课程大作业报告：民用倾转旋翼机设计 第 9 页 共 57 页 第三章 设计总体布局 对于任何一架飞机而言，进行飞机总体布局设计的重要性在于：飞机总体布局对飞机的 飞行性能和运营成本起到决定性作用。总体布局的选择要服务于飞行任务和设计要求，应从 气动、结构、动力装置、飞控、载荷，以及可靠性和维修性等多方面考虑进行总体布局的权 衡和优化[7]。限于现有条件，本文主要考虑气动、结构、动力装置和载荷等因素。本章将 对飞机各部件（机翼、机身、起落架、尾翼等）进行概念性设计和位置部署。对于本设计的 另一个重要组成部分——螺旋桨和发动机，将在第六章中另行讨论。 图 6 参考布局（V-22”鱼鹰”布局）（引自参考文献[7]） 飞机布局设计可以有多种方案。在布局选择中，既要参考历史上类似的机型，又应充分 考虑新技术的发展，并发挥设计人员的创造性。对于本文所设计的民用倾转旋翼机，比较成 熟的既有机型并不多：美国贝尔公司和波音公司联合研发的 V-22“鱼鹰”倾转旋翼机（军 用运输机）和美国贝尔公司和意大利阿古斯塔公司联合研发的 BA-609 倾转旋翼机（民用通
上濟通大￥ SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 【飞行器设计】课程大作业报告：民用倾转旋翼机设计 用飞机)。这两种飞机除了尾翼外布局基本一致，且是常规布局，因此将其布局作为本文设 计的参考布局（下文简记为参考布局，详见图6）。 结合本文设计中所明确的提高航程、航速等经济性目标，本文设计的布局做了一些气动 方面的改进（下文简记为改进布局）。具体细节将在下面详述。 3.1 机翼布局 3.1.1 机翼与机身的相对安装位置 可用的布局包括上单翼、中单翼、下单翼。其各自特点如表1所示。 表1上单翼、中单翼、下单翼性能比较 上单翼 中单翼 下单翼 翼-身干扰阻力 中 小 大 结构布置难易/重量 易/轻 难/重 较易/较轻 机身容积利用率/机身高度 好/低 差/适中 较好/高 中央翼盒能否贯穿机身 可以 不可以 可以 翼吊发动机寿命/维修性 长/难 较长/较易 短/易 机翼上安装起落架 难/重 较易/较轻 易/轻 对操稳特性影响 相当于机翼上反 相当于机翼下反 对于倾转旋翼机，如果旋翼能够倾转的话，发动机就必须安装在机翼上并随之旋转，为 了使发动机能够在旋转时有足够的空间，及旋翼不能离地面太近以避免强烈的涡环效应，应 采用上单翼。同时上单翼作为运输机的常用布局，也有装载货物方便，稳定性好，发动机寿 命长等优点。参考布局中即以上单翼为机翼安装位置。从之前所述来看，也没有改进的余地。 因此本文的改进布局也采用上单翼。 3.1.2机翼的平面形状 机翼的平面形状包括机翼形状、前（后）掠角等。 根据设计目标，飞行速度始终为亚音速（马赫数小于0.5）。不需要三角翼、后掠翼等为 超音速设计的布局。另外，巡航状态是螺旋桨转子轴向指向大致水平的方向，为了使螺旋桨 桨叶有足够的旋转空间，前（后）掠角必须控制在一个很小的范围内。参考布局中，采用了 平直机翼和一个很小的前掠角。为了使初步设计时计算方便，本文设计中所采用的布局（即 改进布局)采用平直机翼，并且没有前（后）掠角。 对于参考布局来说，为了使旋翼有足够的空间，机翼展长必须大于螺旋桨直径，发动机 则被部署在机翼的两端。但这种布局并没有充分利用旋翼机所实际占用的空间。下面介绍一 第10页共57页
【飞行器设计】课程大作业报告：民用倾转旋翼机设计 第 10 页 共 57 页 用飞机）。这两种飞机除了尾翼外布局基本一致，且是常规布局，因此将其布局作为本文设 计的参考布局（下文简记为参考布局，详见图 6）。 结合本文设计中所明确的提高航程、航速等经济性目标，本文设计的布局做了一些气动 方面的改进（下文简记为改进布局）。具体细节将在下面详述。 3.1 机翼布局 3.1.1 机翼与机身的相对安装位置 可用的布局包括上单翼、中单翼、下单翼。其各自特点如表 1 所示。[7] 表 1 上单翼、中单翼、下单翼性能比较 上单翼 中单翼 下单翼 翼-身干扰阻力 中 小 大 结构布置难易/重量 易/轻 难/重 较易/较轻 机身容积利用率/机身高度 好/低 差/适中 较好/高 中央翼盒能否贯穿机身 可以 不可以 可以 翼吊发动机寿命/维修性 长/难 较长/较易 短/易 机翼上安装起落架 难/重 较易/较轻 易/轻 对操稳特性影响 相当于机翼上反 相当于机翼下反 对于倾转旋翼机，如果旋翼能够倾转的话，发动机就必须安装在机翼上并随之旋转，为 了使发动机能够在旋转时有足够的空间，及旋翼不能离地面太近以避免强烈的涡环效应，应 采用上单翼。同时上单翼作为运输机的常用布局，也有装载货物方便，稳定性好，发动机寿 命长等优点。参考布局中即以上单翼为机翼安装位置。从之前所述来看，也没有改进的余地。 因此本文的改进布局也采用上单翼。 3.1.2 机翼的平面形状 机翼的平面形状包括机翼形状、前（后）掠角等。 根据设计目标，飞行速度始终为亚音速（马赫数小于 0.5）。不需要三角翼、后掠翼等为 超音速设计的布局。另外，巡航状态是螺旋桨转子轴向指向大致水平的方向，为了使螺旋桨 桨叶有足够的旋转空间，前（后）掠角必须控制在一个很小的范围内。参考布局中，采用了 平直机翼和一个很小的前掠角。为了使初步设计时计算方便，本文设计中所采用的布局（即 改进布局）采用平直机翼，并且没有前（后）掠角。 对于参考布局来说，为了使旋翼有足够的空间，机翼展长必须大于螺旋桨直径，发动机 则被部署在机翼的两端。但这种布局并没有充分利用旋翼机所实际占用的空间。下面介绍一