存档文件李自启;张峻;吴萍
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【摘 要】飞机装载和机组人员重量确定以后,利用空机重量比例和燃油系数可估算出飞机最大起飞重量.飞行性能指标确定以后,翼载和功重比存在一定的函数关系,利用函数关系确定翼载和功重比的范围.本文重点研究最大起飞重量确定方法,同时,利用Matlab编程分析翼载和功重比对性能的影响规律,最终快速确定翼载和功重比,通过算例验证该方法可行.【期刊名称】《教练机》
【年(卷),期】2018(000)002
【总页数】5页(P24-28)
【关键词】螺旋桨飞机;总体参数;翼载;功重比
【作 者】李自启;张峻;吴萍
【作者单位】航空工业洪都,江西南昌,330024;空军驻江西地区代表室,江西南昌,330024;航空工业洪都,江西南昌,330024
【正文语种】中 文
0 引言
飞机方案设计工作可以划分为三个不同但又有内在联系的阶段[1,2]:概念设计(Concept Design)、初步方案设计(Preliminary Design)和详细设计(Detail Design)。概念设计主要由使用部门和设计部门共同拟定飞机设计要求。初步设计阶段的目的是选择飞机的布局，确定飞机及各个系统的基本参数。初步设计阶段具体的工作内容主要包括：初步选定飞机的型式和进行气动外形布局；初步选择飞机的主要基本参数(如起飞重量、燃油重量、翼载、推重比或者功重比等)；初步选择各主要部件的主要几何参数，粗略绘制飞机的三面图；初步考虑飞机的总体布置方案并进行初步的性能估算，检查是否符合给定的性能要求。
本文飞机总体参数，主要指飞机最大起飞重量、机翼面积和发动机功率（推力）。现在常用的方法是先确定起飞重量[3,4]，然后根据性能要求统计同类飞机的起飞推重比T/W或者
功重比P/W,选择发动机；再参照类似布局形式的统计资料选择翼载G/S，进而估算出气动特性Cd、Cl及K值。根据第一轮的参数进行性能和机动性评估，校核能否达到设计要求，如未达到，则需调整布局，重新确定上述参数，直到能够满足战术技术性能要求。但是这种方法依赖于大量的同类飞机数据，不能利用函数关系式把相关参数表示出来，优化设计过程中自动化程度不强。
随着计算机的发展，飞机总体概念设计软件更加智能，国外比较成熟的软件为Jan Roskam在其系列教材基础上开发的飞机总体概念设计软件AAA（Advanced Aircraft Analysis）[5]，该软件支持飞机初步设计非唯一性和迭代的设计方法。用该软件进行飞机初步设计时，可以快速地实现对设计方案从初期重量估算到动稳定性和敏感性分析等方面的评估，得出符合要求的设计方案，但是需要数据量大，并且没有完全公开，为了解决此问题，本文参考Jan Roskam系列教材内容，编写了针对螺旋桨飞机的总体参数快速生成软件。
本文考虑的螺旋桨飞机是指以CCAR 23部(或FAR 23部)为审定基础所设计的飞机。参考Jan Roskam系列教材和23部试航标准，根据已有通用飞机的统计规律来初估飞机的起飞重量，在利用不同飞行性能下翼载和功重比的关系确定翼载和功重比的范围，即得到飞机
生物航煤翼载和功重比的地毯图，再利用重量模块所得重量值，确定所需发动机功率以及机翼面积，为气动布局设计奠定基础。
1 最大起飞重量确定方法[3,4]
最大起飞总重估算，在有原准机的情况下使用类比法，在无原准机的情况下，则采用统计方法或半经验的估算方法。通常将起飞总重WTO表示为：
aveee式中，WE为飞机的使用空重,单位为kg；Wfue为燃油重量；Wpl为有效载重；Wcre为有效载重。考虑燃油系数和飞机空重系数，起飞总重可以表示为：
其中为空机系数为燃油系数。在初步方案阶段，飞机有效载重和机组人员重量基本确定，可以利用国内外同类飞机的统计规律得出，空机重量系数和燃油系数的具体求解方法如下。
1.1 空机重量确定方法
使用空机重量系数与最大起飞总重的关系图是建立在现有飞机使用空重与最大起飞总重的
统计回归基础上的。所统计的现有飞机最大起飞总重与使用空重的关系，涡桨类飞机最大起飞重量与飞机空重之间关系见图1，吨位在2000lbs～10000lbs范围内螺旋桨类飞机，拟合后曲线为y=0.5934x+153.66，空机重量与全机重量比值大致为59%，方案阶段按照活塞式发动机空重比为61%左右，按照涡轮螺旋桨发动机则为59%左右。rbd-446
图1 多发螺旋桨类飞机空机重量与起飞重量
1.2 燃油系数确定方法
飞机上的燃油只有一部分在执行任务时使用，成为任务燃油。其它的燃油，包括各种民用或者军用设计规范所要求的储备燃油，以及在油箱中不能使用的“死油”，不可用燃油通常取0.5%。在方案阶段，这些燃油都考虑在燃油重量Wfue中。国内外燃油系数统计方案有两种，一种是利用飞行剖面估算飞机燃油系数[4]，把任务剖面分成八个阶段，分别为：发动机启动和暖机、滑行、起飞、爬升、巡航、待机、下滑和着陆。但是这种方法需要统计各个阶段同类飞机燃油消耗比例和飞机最大升阻比，在方案阶段需要估计出最大升阻比，由于不确定因素太多，进而导致误差加大。另外一种方法是直接统计同类飞机燃油和起飞重量的比例，直接利用线性回归的方法，得出的曲线和实际的数据偏差比较大，如图2，参
考文献[3,5]，线性拟合的过程中考虑航程或者航时的因素进行曲线拟合可信度更高，利用线性回归方法统计出相应的关系，关系式如下：
式中：T 为飞行时间，h；R 为航程，km；Vc为巡航速度，km/h；
按照图2给定的螺旋桨类飞机，按照上式进行拟合，拟合结果见表1。
psho表1 不同类型飞机曲线拟合参数活塞发动机飞机涡轮螺旋桨发动机飞机
图2 多发螺旋桨类飞机燃油重量与起飞重量
2 翼载和功重比确定方法[5]
螺旋桨类飞机，其功重比（P/W）和翼载（W/S）直接影响飞机性能，因此，在方案阶段，快速评估出可信的翼载和推重比至关重要。当某飞行性能给定时，在起飞功重比和翼载之间，总存在着一定的关系，这种关系可用某种函数表示，并按照性能要求可以给定翼载和功重比的范围。在方案阶段考虑的性能因素主要如下：飞机航程和航时、失速速度、起飞距离、着陆距离、巡航速度和爬升率。利用文献[5,6]，得到不同飞行性能下翼载和功
重比的关系，并利用Matlab仿真分析其性能对翼载和功重比的影响规律,得出翼载和功重比的可行范围，即得到飞机翼载和功重比的地毯图，为最终总体参数的确定提供依据（图3）。
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