第二章飞机初始总体参数与方案设计 21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 寸发展硏制。如果硏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Wo (2)最大升力系数CLmx; (3)零升阻力系数CD (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) 22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Wm、空重W、任务油重W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
- - 3 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。 221方法的概述 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Wv假定为设计重量 可以将飞机起飞总重表示为如下几项: WIoWoE+WE+WPL (2.2.1) 其中: Wc一飞机使用空重 W——飞机任务油重 飞机有效装载重量 而W通常记为: WoE =WEtWifo+W (2.2.2) 其中: 空重 W一死油重 Wc乘员重 空重有时又可写成如下形式: WE= Ws t WeeR t Wen (2.2.3) 其中: Ws一为飞机结构重量 Wm—一为固定设备重量 WB——动力装置重量。 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
- - 4 (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 “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。 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。 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) 飞机起飞重量 空机重量 总载重 飞机结构重量设备及操纵重量装备及服务 有效载重 设施载重 动力装置重量 燃油 空机及装备重量 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: 也可以写为: M (2.2.5) m.一一空机重量系数 m-一燃油重量系数 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
- - 5 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： 1 crew PL TO F E TO TO W W W W W W W + = − − （2.2.5） 式中： E TO W W = me ——空机重量系数； F TO W W = 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。 飞机起飞重量 空机重量 总载重 飞机结构重量 设备及操纵重量 动力装置重量 装备及服务 设施载重 有效载重 燃油 空机及装备重量
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/w WE/W1 亚音速 轻型 0300.320.12~0.140.12~0140.180.22 线客机 中性 028-0.300.10-0.20.10-0.12026-0.30 重型 0.25~0.27008-0.100090.110.350.40 超音速飞机 0.20~0.240.08-0.10007~0090.450.52 地方航线的多用途飞机 029~0310140.160.12-0140.12~0.18 运动飞机及特技飞行飞机0320340260.30006-007010015 农业飞机及专业飞机 0.24-0.300.12-0.150.12-0.150.080.12 轻型水上飞机 0.34-0.380.120.150.12-0.150.10-0.20 动力滑翔飞机 0480.52008~0.10006~0080.08-0.12 歼击机 0.28-0.320.18-0.22 轰炸机 轻型 026-0.280.10-0.20.10-0.12035-040 中性 0.22~0.24008-0.10007-0.10045~0.50 重型 018020006008006-008055060 军用运输轻型 0.30~0.320120.140.16-018020-025 机及货机 中性 0260280.10~0.1202-0140250.30 0.28-0.32008-0.10006-0.080.30-0.35 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W是不难的 (2).统计数据表明,对先前提及的12种飞机,l0goWm和1og1W之间存在线性关系。 基于这两点,求Wm、W和W将包含以下7个步骤: 第一步:确定任务装载重量W 第二步:猜测一个起飞重量值Wo 第三步:确定任务油重W 第四步:确定W的试探值 Woe tent =WTo guess -WE-WR (2.2.6 第五步:求W的试探值: We tent=Woe tent -Wefo -Weres (2.2.7) W4o大约为Wm的0.5%或更多,通常可以忽略不计。Wa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W的许可值 第七步:比较Wt和第五、第六步得来的的值,然后改变Wos的值,重复3~6步,一直迭代 下去,直到Wtt和W的差值小于指定的误差值。在这一阶段,误差值通常取0.5% 222确定飞机装载重量WP,和人员重量Wrw 飞机装载重量W通常已在任务要求中给出。W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W是由如下方式确定的:
- - 6 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 轻型 0.30~0.32 0.12~0.14 0.12~0.14 0.18~0.22 中性 0.28~0.30 0.10~0.12 0.10~0.12 0.26~0.30 亚音速干 线客机 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 轻型 0.26~0.28 0.10~0.12 0.10~0.12 0.35~0.40 中性 0.22~0.24 0.08~0.10 0.07~0.10 0.45~0.50 轰炸机 重型 0.18~0.20 0.06~0.08 0.06~0.08 0.55~0.60 轻型 0.30~0.32 0.12~0.14 0.16~0.18 0.20~0.25 中性 0.26~0.28 0.10~0.12 0.12~0.14 0.25~0.30 军用运输 机及货机 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 WTO guess 第三步：确定任务油重 WF 第四步：确定 WOE 的试探值： WOE tent=WTo guess - WF - WPL （2.2.6） 第五步：求 WE的试探值： WE tent=WOE tent - 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 WE tent和第五、第六步得来的的值，然后改变 WTO guess 的值，重复 3～6 步，一直迭代 下去，直到 WE tent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W0的估计 Wros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 个猜测值 2.24任务油重的确定 在2.2.1节中,第一步曾表明确定W是不难的,本节将提供求W的方法: 任务油重W可被写为:W=Wsd+W (2.2.8) 其中 WFs一任务期间耗去的燃油重量 WFr—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 5巡航 发动机启动和暖机 6待机 爬升并加速 下降 滑跑 着陆、滑行和关机 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Wo,终止重量为W1,本段燃油系数为W/Wn。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
- - 7 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 = WF used +WF res (2.2.8) 其中： WF used——任务期间耗去的燃油重量 WF res——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： 5 巡航 发动机启动和暖机 6 待机 4 爬升并加速 7 下降 滑跑 起飞 着陆、滑行和关机 1 2 3 8 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