飞行器总体设计.pdf

国防科工委十五重点教材 飞飞 机机 总总 体体 设设 计计 主编 李为吉 编者 李为吉 王正平 艾剑良 杨华保 前前 言言 本书是航空高等院校飞行器设计专业本科生的必修课教材，重点讲述了飞机总体设计的基本原理和方法。强调飞机总体设计的综合协调、折衷权衡、反复迭代等特点，通过几个循环，由简到繁完成飞机的总体设计，锻炼增强学生的综合分析和决策问题的能力。本书将飞机总体设计分为三个方面：方案设计、总体参数设计、决策和优化。首先研究飞机总体设计第一轮迭代设计流程，计算最重要的飞机总体参数：起飞重量、翼载荷和推重比，初步计算升阻特性，进行方案设计及初步分析。进而进行飞机总体参数详细设计，包括机翼、机身、尾翼、起落架等部件设计，验证方案设计的可行性，给出飞机三面图。本书还讨论飞机总体设计的一些重要内容：飞机操纵系统设计，分析现代告诉飞机的稳定性和操纵性，增稳和主动控制技术，电传操纵和综合飞行控制的基本概念；飞机寿命周期费用的概念和分析模型，飞机作战效能分析和评估方法。飞机设计是一个复杂的系统工程，涉及多个学科领域，必须建立综合设计思想，本书介绍了飞机多学科设计优化的基本原理、算法，面向系统设计的方法评价准则，多准则决策的层次结构和综合评价框架。本书吸收了国外一些成功的飞及设计经验数据、计算公式，对学生掌握飞机总体设计方法很有帮助。尽管与实际应用于工业界的方法相比，本书列出的设计与分析技术是简化了的，但课程内容安排符合学生认识规律。通过这门课的学习，使读者在定性分析能力、定量估算能力、综合运用能力等方面得到锻炼提高。本书是国防科工委十五重点教材。在普通高等教育九五国家级重点教材“现代飞机总体综合设计”一书基础上，经过几年教学实践，做了修改补充。保持并加强理论严谨、系统性强的特点，力图接近工程实际，对从事飞机设计的工程技术人员有参考价值，并便于读者自学。本书由西北工业大学航空学院李为吉、王正平、艾剑良、杨华保编写。全书由李为吉、王正平统稿。编者 2003 年 11 月 内容简介内容简介 本书对飞机总体设计的基本概念和方法作了系统简明的阐述，强调了飞机总体设计的综合协调、折衷权衡、反复迭代等特点。全书共六章，内容有：飞机初始总体参数与方案设计、飞机总体参数的详细设计、飞机操纵系统分析与设计、飞机费用与效能分析、飞机总体参数优化。本书是航空高等院校飞行器设计专业本科生的教材，也可供研究生和从事飞机设计工作的工程技术人员参考。主要符号表主要符号表 符号符号 定义定义 单位单位 A 机翼展弦比 m b 机翼翼展 m ba 副翼翼展 m bf 襟翼翼展 m bt 轮胎宽度 m c 机翼弦长 m c 襟翼放下时的机翼弦长 m c 前缘襟翼放下时的机翼弦长 m c 机翼平均气动弦长 m cf 襟翼弦长 m Cf 当量蒙皮摩擦阻力系数 CD 阻力系数 CD0 零升阻力系数 Cl 翼剖面升力系数 Cla 翼剖面升力线斜率 CLaf 襟翼放下时的翼剖面升力线斜率 CfL 由于襟翼弯曲引起的翼剖面升力线斜率 CL 机翼升力系数 Cm 俯仰力矩系数 D 阻力 N dp，Dp 螺旋桨的直径 m dt，Dt 轮胎直径 m df，Df 机身直径 m E 待机时间 h e 奥斯瓦尔德效率系数 f 当量废阻面积 m2 g 重力加速度 sm2 h 高度 m iw 机翼安装角 （o）K 后掠角修正系数 Kf 开裂式襟翼修正系数 K 尖削比修正系数 K 简单襟翼的修正系数 L 升力 N DL 升阻比 Lf 机身长度 m lm 主起落架到全机中心的距离 m ln 前起落架到全机中心的距离 m Ma 马赫数 n 过载 np 螺旋桨桨叶的数目 ns 支柱的数目 N 发动机的数目 P 功率、马力 hp Pbl 桨叶的单位面积功率 mhp2 Pn 前起落架支柱的载荷 N Pm 主起落架支柱的载荷 N q 动压 mN2 R 航程 m Re 雷诺数 S 机翼面积 m2 Swet 机翼浸湿面积 m2 Swf 襟翼翼面积 m2 t 时间 s，min，h ct 相对厚度 T 推力 N v 绝对空速 hkm W 重量 N X 推力或功率 N 或 hp x，y，z 从参考点到某一部件重心的距离 m xv，xh，xc 从重心到某一翼面焦点的距离 m Yt 发动机航向力矩的力臂 m 希腊字母 迎角 （o）侧滑角 （o）根稍比 后掠角 （o）3.1415926 上反角 （o）大气密度 mkg3 大气密度比 fc 机身锥角 （o）横向地面间隙角 （o）纵向地面间隙角 （o）lof 纵向翻滚角 （o）下洗角 （o）t 扭转角 展向站位 m 横向翻滚角 （o）G 地面摩擦系数 压力比 航迹角 （o）温度比 e 升将多偏角 （o）r 方向舵偏角 （o）a 副翼偏角 （o）f 襟翼偏角 （o）目目 录录 第一章 绪言 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 2.2 重量估算 2.3 飞机升阻特性估算 2.4 确定推重比和翼载 2.5 总体布局形式的选择（方案设计）2.6 飞机气动布局的选择 2.7 隐身性能对飞机气动布局的影响 第三章 飞机总体参数详细设计（部件设计）3.1 设计的任务和步骤 3.2 机翼设计 3.3 机身设计 3.4 尾翼及其操纵面设计 3.5 推进系统的选择与设计 3.6 起落架设计 3.7 飞机初步设计实例 第四章 飞机操纵系统设计与分析 4.1 操纵系统的特性 4.2 现代高速飞机稳定性和操纵性的基本特点和操纵系统设计 4.3 飞机主动控制技术 4.4 电传操纵系统 4.5 综合飞行控制系统 第五章 飞机费用与效能分析 5.1 飞机寿命周期费用的概念和分析方法 5.2 研究发展试验与鉴定费用和生产费用分析兰德 DAPCA IV 模型 5.3 使用保障费用 5.4 飞机作战效能分析 5.5 多任务攻击机概念综合设计的基本原理 第六章 飞机总体参数优化 6.1 飞机总体参数的多学科设计优化 6.2 面向系统设计的方法 1第一章 绪言 第一章 绪言 飞机设计是一项复杂和周期很长的工作，在工业部门通常分成几个阶段进行。首先拟定设计要求，它是由使用方（军方或民航）负责。现代军用飞机根据国家的战略方针和将来面临的作战环境，经过分析提出作战技术要求。现代军用飞机从设计要求的制定到开始服役使用一般都需要 10 年以上的时间，要准确预计 10 年后的政治、经济、技术环境是相当困难的。一架军用机的全寿命费用达数百亿元的量级，因而军用飞机设计要求的研究和制定是一项非常重要和影响巨大的工作。军用飞机设计要求的研究和制定一般都由专门的机构和人员来进行。民用飞机主要强调安全性、经济性和舒适性，其设计要求一般由飞机公司提出初步设想，经过与可能用户的商讨，并经过市场调查和分析讨论后制定的。第二阶段是概念设计，它与设计要求阶段有重叠，因为有时要通过概念设计来使设计要求制定得更为合理和具体化。概念设计的目的是对飞机的气动布局、性能、重量水平、航空电子、武器、所需新技术、费用和市场前景等方面进行初步和方向性的探讨。概念设计中还有对设计要求中各项目的指标进行分析，适当降低那些对性能影响不大，但可能降低技术风险和发展费用的设计要求，有可能提出一套合理组合的设计要求。概念设计中设计师的经验和判断力起重要作用，往往采用经验或半经验的分析方法。第三阶段是初步设计，它包括两部分内容：方案设计和打样设计。方案设计，首先根据设计要求在概念设计的基础上，进行多种气动布局方案的对比和研究，以及机翼、机身、尾翼的形状、设计参数的确定。飞机的内部布置要同时进行。这时，各个专业都要介入，如结构的传力路线设计、新材料新工艺的选用、各系统的原理设计、全机重量重心估计、飞机性能计算和飞行品质分析，检查设计方案能否满足设计要求。飞机方案设计中充满着矛盾，要通过各种方案的研究来评价、折衷和综合，不断进行改进，直到获得一个满足要求的综合最佳方案。打样设计，在方案设计阶段主要是确定飞机总体布局，对结构和系统的考虑比较粗略，在详细设计之前，结构和系统还需要一个初步设计的过程，这个过程为打样设计。在打样设计阶段要进行下列工作：（1）气动分析和风洞试验，进行全机载荷计算，性能和飞行剖面计算，操纵性和稳定性分析和气动弹性分析等。制造不同的模型，进行高低速风洞试验，提供原始气动力数据。（2）结构打样设计。对主要受力部件进行初步设计和分析，选择合理的结构形式、新材料、新工艺和重量估算。（3）系统打样设计。对所有系统进行原理设计，确定主要附件和系统的功能和功率。对管道、电缆进行初步设计和通路协调。（4）全机布置协调。一般是在全尺寸图纸上进行，画出全套协调图。随着计算机技术的发展，全机布置协调，运动机构及间隙检查，可在计算机屏幕上进行。（5）样机审查。在打样设计后期要制造全尺寸样机，用户在全尺寸飞机和真实座舱环境中检查是否符合使用要求。在样机审查批准以后，冻结设计状态，详细设计才能开始。第四阶段是详细设计，其主要任务是：进行结构和系统的详细设计和分析，包括所有零部件设计，提供零件图、装配图、总图。进行详细的重量估算和强度校核和最后的飞机性能计算。进行工艺设计，制定飞机制造工艺方案，向制造部门提供生产图纸。进行结构的静强度、动强度和寿命试验。对系统进行地面台架模拟试验，进行飞机维修性、生存力分析和研制费用、经济性评估。第五阶段为原型机试制。为加快研制速度，现代飞机都制造多架原型机进行试飞。第六阶段为试飞。在试飞结束获得设计定型或型号合格证后才能进入第七阶段。2第七阶段为成批生产。第八阶段为使用和改进改型。对已投入使用的飞机进行改进改型，扩大它的功能和延长使用寿命，世界各国都很重视这一途径。为了使航空高等院校学生掌握飞机设计的基本概念、原理和方法，从飞机总体设计和飞机结构设计两个方面，分别以两本教材加以介绍。飞机总体设计是在使用方提出特定设计要求的条件下，选择并确定飞机布局形式和总体设计参数，经过计算、分析、修正，使所设计出来的飞机以优良的性能，最大限度的满足使用方的要求。飞机总体设计是反复迭代逐渐逼近的过程，满足设计要求，可以有多种可行的方案，确定总体设计参数和进行分析，也有不同的工作量和精度的方法。飞机总体设计涉及到多种学科领域，如空气动力学、结构强度、航空发动机、自动控制、电子技术、材料及工艺等，特别需要各方面的综合协调。本书作为航空高等院校本科生教材，强调培养学生的综合和决策问题的能力，内容安排上也是由简到繁，通过几个循环完成飞机的总体设计。本书将飞机总体设计分为三个方面：方案设计、总体参数设计、决策与优化。将飞机升阻特性和飞行性能计算与分析的内容有机的融入到方案设计和总体参数设计的章节中。第二章讨论飞机方案设计，提出飞机总体设计的第一轮迭代设计流程，其中包括总体布局及初步分析，起飞重量、翼载和推重比的计算，升阻特性初步计算，以及各种矛盾因素权衡处理方法。第三章讨论飞机总体参数设计，介绍机翼、机身和尾翼几何参数选择，内部布置，推进装置与机体一体化设计，起落架设计等。通过总体参数设计，进一步研究总体方案的可行性，进行方案决策。结合实例，给出了飞机初步设计三面图。第四章讨论飞机操纵系统的特点和基本组成，给出设计要求，分析现代高速飞机的稳定性和操纵性，增稳和主动控制技术。介绍电传操纵和综合飞行控制的基本概念。我们还介绍了下列内容：第五章，飞机费用和效能分析。这是不同于飞机性能准则的另一个决定设计方案取舍的重要方面。它包括了飞机寿命周期费用的组成和分析方法，研究、发展、试验、鉴定、生产费用和使用保障费用分析模型，民用航空运营问题。军用飞机完成预定作战任务能力的大小，可通过作战效能进行综合评估。本章还介绍了飞机作战效能分析的概念和评估方法，综合效能和费用的效费比分析方法。现代飞机设计是一个复杂的系统工程，涉及到多个学科领域，各学科构成的子系统相互交叉影响。飞机设计必须建立综合设计的思想，提高综合设计的手段。第六章，飞机总体参数优化，详细介绍了飞机多学科设计优化方法的基本原理，常用算法及分析比较，近似技术、计算流程，这里有我们的研究成果和对某通用航空飞