顧超 劉福佳

摘要：隨著復(fù)合材料的迅速發(fā)展，飛機(jī)采用復(fù)合材料可以降低20%～30%的重量，因此，目前多數(shù)輕型飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開始使用復(fù)合材料。文章結(jié)合某輕型雙座復(fù)合材料電動飛機(jī)的重量數(shù)據(jù)，對傳統(tǒng)的通用飛機(jī)估算方法進(jìn)行了修正，給出了在總體方案設(shè)計(jì)階段輕型復(fù)合材料飛機(jī)的全機(jī)重量及飛機(jī)的各部分重量的估算方法，通過算例對其進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；全機(jī)重量；飛機(jī)重量估算方法；輕型飛機(jī)；重量數(shù)據(jù) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：V221 文章編號：1009-2374（2016）06-0023-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.06.012

在進(jìn)行飛機(jī)總體方案設(shè)計(jì)時，開始不可能精確地求出飛機(jī)的全機(jī)重量值，而只能進(jìn)行初步的估算。飛機(jī)重量的估算方法有許多種，簡繁和準(zhǔn)確程度也很不一樣，但在飛機(jī)總體設(shè)計(jì)階段所使用的方法，在原理上都是利用統(tǒng)計(jì)資料和一些近似計(jì)算公式，按逐步逼近的方法求解全機(jī)重量的近似值。

在飛機(jī)初步設(shè)計(jì)階段，飛機(jī)的重量對飛機(jī)設(shè)計(jì)的影響比其他任何設(shè)計(jì)參數(shù)都大。在飛機(jī)初步方案設(shè)計(jì)階段，對各部件、各系統(tǒng)的重量和重心計(jì)算是比較困難的，將這些重量和重心求出來以后，進(jìn)一步計(jì)算全機(jī)的重量和重心就比較容易了。因此，對飛機(jī)各部分重量的估算在飛機(jī)初步設(shè)計(jì)階段起著關(guān)鍵的作用。

本文通過對傳統(tǒng)的飛機(jī)估算方法的研究，結(jié)合某輕型復(fù)合材料電動飛機(jī)的重量數(shù)據(jù)，給出在總體方案設(shè)計(jì)階段輕型復(fù)合材料電動飛機(jī)的全機(jī)重量及飛機(jī)的各部分重量的估算方法。

1 飛機(jī)重量的分類

飛機(jī)的構(gòu)造復(fù)雜，由眾多零構(gòu)件和各種設(shè)備組成。對飛機(jī)重量進(jìn)行精確的計(jì)算，理應(yīng)從每一個零件和每一種設(shè)備入手，但在總體方案設(shè)計(jì)階段，這是根本不可能的，也是不必要的。為了分析研究和計(jì)算的方便，通常是將飛機(jī)的重量劃分成若干個組成部分或者叫做分類。這種劃分可粗可細(xì)，但在飛機(jī)總體方案設(shè)計(jì)階段，比較典型的分法，如圖1所示：

圖1 飛機(jī)重量分類圖

飛機(jī)的全機(jī)重量通常是指飛機(jī)的正常起飛重量，是飛機(jī)各部分重量的代數(shù)和。如果飛機(jī)各部分重量是已知的，則可以很容易地直接算出全機(jī)的重量，但實(shí)際上這是不可能的，因?yàn)轱w機(jī)各部分的重量取決于全機(jī)重量的大小，不知道全機(jī)重量就無法確定其各組成部分的重量，而各部分的重量就無法確定其各組成部分的重量，各部分的重量未定時也就無法用上式對全機(jī)重量進(jìn)行計(jì)算。換言之，就是因?yàn)轱w機(jī)的全機(jī)重量與飛機(jī)各部分的重量互為因果，故無法直接進(jìn)行計(jì)算，這一點(diǎn)正是在飛機(jī)設(shè)計(jì)工作中進(jìn)行重量計(jì)算的難點(diǎn)。

因此，為了節(jié)省設(shè)計(jì)時間，開始通常不得不用粗略的計(jì)算方法和公式對飛機(jī)各部分的重量進(jìn)行估算，初步求出飛機(jī)的全機(jī)重量，然后再用逐次逼近的迭代方法來求解飛機(jī)的全機(jī)重量。

2 輕型復(fù)合材料飛機(jī)全機(jī)重量近似計(jì)算

由于輕型飛機(jī)的結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)組成相對簡單，因此復(fù)合材料輕型電動飛機(jī)的全機(jī)重量主要包括結(jié)構(gòu)重量、電動力系統(tǒng)重量、航電儀表系統(tǒng)重量、操縱系統(tǒng)重量、有效載荷。

2.1 結(jié)構(gòu)重量估算

飛機(jī)結(jié)構(gòu)估算主要包括對機(jī)身結(jié)構(gòu)估算、機(jī)翼結(jié)構(gòu)估算、尾翼結(jié)構(gòu)估算、起落架結(jié)構(gòu)估算，即：

2.1.1 機(jī)身結(jié)構(gòu)重量估算。機(jī)身結(jié)構(gòu)估算公式如下：

式中：L為座艙長度；BF為機(jī)身寬度；H為機(jī)身高度；VD為飛機(jī)的俯沖速度。

2.1.2 機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量估算。機(jī)翼結(jié)構(gòu)估算公式如下：

式中：b為機(jī)翼展長；S為機(jī)翼面積；δ為機(jī)翼1/4弦線后掠角；λ為機(jī)翼梢根比；τ為翼型厚度；M為飛機(jī)最大起飛重量；N為法向設(shè)計(jì)過載系數(shù)的1.5倍；VD為飛機(jī)的設(shè)計(jì)俯沖速度。

2.1.3 尾翼結(jié)構(gòu)重量估算。尾翼的結(jié)構(gòu)重量大概為最大起飛重量的1.7%，因此尾翼結(jié)構(gòu)估算公式如下：

2.1.4 起落架結(jié)構(gòu)重量估算。起落架的結(jié)構(gòu)重量大概為最大起飛重量的7%，因此，起落架結(jié)構(gòu)估算公式如下：

2.2 動力系統(tǒng)重量估算

2.2.1 電動力系統(tǒng)重量估算。輕型電動飛機(jī)的電動力系統(tǒng)主要包括螺旋槳、電機(jī)、電池組、控制器、BMS、綜合顯示器及其他附件重量，其重量可以根據(jù)所選的型號給出的具體重量進(jìn)行計(jì)算。結(jié)合某型電動飛機(jī)的實(shí)際電動力系統(tǒng)所占全機(jī)重量的比例，給出電動力系統(tǒng)的估算公式如下：

2.2.2 燃油飛機(jī)動力系統(tǒng)重量估算。輕型燃油飛機(jī)的動力系統(tǒng)主要包括螺旋槳、發(fā)動機(jī)、燃油系統(tǒng)等重量，其重量可以根據(jù)所選的型號給出的具體重量進(jìn)行計(jì)算。燃油飛機(jī)動力系統(tǒng)的估算公式如下：

2.3 航電儀表系統(tǒng)重量估算

輕型飛機(jī)的航電儀表系統(tǒng)較為簡單，主要包括電臺、電纜、空速表、高度表、升降速率表、磁羅盤、側(cè)滑儀等。結(jié)合某型號電動飛機(jī)的實(shí)際航電儀表系統(tǒng)所占全機(jī)重量的比例，給出航電儀表系統(tǒng)的估算公式如下：

2.4 操縱系統(tǒng)重量估算

輕型飛機(jī)的操縱系統(tǒng)主要采用機(jī)械傳動方式，主要包括操縱桿、腳蹬、傳動機(jī)構(gòu)及連接結(jié)構(gòu)。結(jié)合某型號電動飛機(jī)的實(shí)際操縱系統(tǒng)所占全機(jī)重量的比例，給出操縱系統(tǒng)的估算公式如下：

2.5 有效載荷

2.5.1 乘員重量估算。輕型飛機(jī)的乘員重量可以根據(jù)適航條例的規(guī)定進(jìn)行取值，單個乘員的重量為80kg（包括行李重量），因此在進(jìn)行全機(jī)重量估算時，有效載荷的計(jì)算公式如下：

式中：n為乘員數(shù)量。

2.5.2 燃油重量估算。對于輕型電動飛機(jī)來說，不包括對燃油重量的估算，本公式適用于傳統(tǒng)的燃油飛機(jī)。輕型飛機(jī)受到適航條例中規(guī)定的最大起飛重量的限制，一般燃油的重量較低，可以根據(jù)所需燃油體積V及所用燃油密度ρ進(jìn)行估算，具體估算公式如下：

3 輕型復(fù)合材料飛機(jī)全機(jī)重量近似計(jì)算算例

由于飛機(jī)的全機(jī)結(jié)構(gòu)重量中，結(jié)構(gòu)重量所占比例較大，而且本文主要給出復(fù)合材料飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量估算公式，通過對Nemesis飛機(jī)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)數(shù)據(jù)的收集，可以用來驗(yàn)證估算公式。

Nemesis飛機(jī)的詳細(xì)資料可在專業(yè)期刊和Nemesis網(wǎng)站上獲得。它們有詳細(xì)的重量說明，可以用來對比本文的重量估算結(jié)果。具體結(jié)果詳見表1：

表1 Nemesis飛機(jī)的實(shí)際重量與估算重量對比

表1中的固定設(shè)備重量為航電系統(tǒng)重量和操縱系統(tǒng)重量之和。從表1的數(shù)據(jù)中能夠看出，本文提供的方法低估了Nemesis飛機(jī)的機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量，高估了機(jī)身重量。因?yàn)楹茈y將機(jī)翼和機(jī)身連接件歸入機(jī)翼還是機(jī)身部分，因此精確區(qū)分機(jī)翼和機(jī)身部件的重量存在不確定性。起飛總重量的誤差為：

4 結(jié)語

本文結(jié)合某輕型雙座復(fù)合材料電動飛機(jī)的重量數(shù)據(jù)，對傳統(tǒng)的通用飛機(jī)估算方法進(jìn)行了修正，給出了在總體方案設(shè)計(jì)階段，輕型復(fù)合材料飛機(jī)的全機(jī)重量及飛機(jī)的各部分重量的估算方法。通過對比Nemesis飛機(jī)的實(shí)際重量數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行了驗(yàn)證，估算結(jié)果為3%的誤差，可以在總體方案設(shè)計(jì)階段時重量估算的使用。

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作者簡介：顧超，男，江蘇宜興人，沈陽航空航天大學(xué)遼寧通用航空研究院工程師，在讀工程碩士，研究方向：新能源飛機(jī)；劉福佳，男（蒙古族），沈陽航空航天大學(xué)遼寧通用航空研究院助理工程師，碩士，研究方向：飛機(jī)總體設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：周 瓊）