飞机设计依据

飞机设计依据 飞机设计依据 • 飞机设计的基本要求 • 飞机设计规范和适航性 • 评价飞机设计准则 飞机设计的基本要求 • 飞机的类型和基本任务 – 类型 • 军用机：战斗机，轰炸机，……. • 民用飞机：客机，货机，公务机，…… – 基本任务 • 飞行任务剖面图 • 有效载荷 – 民用飞机：旅客数；行李重量 ；货物重量 – 军用飞机：空勤人员；武器弹药；装备 飞机设计的基本要求 民机典型飞行剖面图 飞机设计的基本要求 • 飞行性能指标 – 飞行速度指标：最大速度，巡航速度，失速速度 – 飞行高度指标：巡航高度，升限 – 耐航性指标： 航程，作战半径，最大续航时间 – 起飞着陆指标：起飞速度，起飞距离，速度着陆， 着陆距离 – 机动性能指标 • 改变飞行高度能力：爬升率 • 改变飞行速度能力：加速性能 • 改变飞行方向能力：转弯半径 关于性能指标 • 航程 – 航程对飞机重量的确定有很大影响 – 列出覆盖机场的距离，在此基础上确定航程。 • 巡航速度 – 对于短中程客机巡航速度一般不大于M0.8 – 对于远程客机巡航速度一般大于0.84 • 起飞距离 – 对于短中程客机，一般在5500－7500ft – 对于大型客机（远程），一般在8000－11000ft • 着陆距离 – 一般小于或等于起飞距离 飞机设计的基本要求（续） • 舒适性指标 – 座椅排距 – 客舱过道宽度 – 座椅宽度 – 座舱噪声 • 环保指标 – 噪音水平 – 排放量 • 经济性指标 – 座公里油耗 – 直接使用成本 • 可靠性 – 签派可靠度 • 设计经济寿命 – 飞行小时 – 日历年 环保要求将会日益重要 • 噪声问题 – 美国50个最大机场认为噪声是他们的最大问题。 – A380降噪设计修改付出的代价 • 为了满足伦敦Headrow机场夜间对噪声的限制，航空公司要求 空客对A380的设计进行修改。 • 修改结果：发动机风扇比原先低油耗确定的发动机风扇大得 多，发动机、吊舱、挂架和机翼不得不重新设计。最终使噪声 降低了1－2dB。 • 代价：油耗增加1－2％。昂贵的代价！ • 排放要求 – 随着机对队数量日益增加，对机场污染和对气候的影响 将成为重要问题。 关于设计要求的一些说明 • 重要性 – 很大程度上决定了飞机的市场竞争力。 – 定义“什么样的飞机”也许比研究“如何设计飞机”更为重要。 • 如何确定设计要求 – 实际需要 • 军机：通常由军方提出 • 民机：市场调研与预测；意向客户；竞争机型分析 – 可能性 • 技术方面 • 经费方面 • 进度方面 型号合格证、生产许可证、适航证 • 为保证在社会上公共销售和使用的民机都达到。管 理部门制定了对新设计的民机按“适航标准”进行审定。 • 型号合格证 –对合格型号颁发型号合格证 • 生产许可证 –对生产该机型的工厂审定其技术能力，保证所生产的飞机都达 到原设计状态，对合格生产厂家颁发生产许可证。 • 适航证 –对生产出的每架飞机，经检查后颁发适航证。 飞机设计规范和适航性条例 • 什么是飞机设计规范和适航性条例？ – 是航空运输的最低安全标准。 – 在进行飞机设计时必须遵守的有关规定，是飞机设 计的“法律”。 – 指令性规定涵盖： • 设计情况、安全系数、过载系数、重量极限、重心位置、 重量分配、操纵性、稳定性、配平、飞行载荷、飞行包线、 突风载荷、起飞与着陆、强度和变形、结构试验、飞行试 验、飞行品质、使用极限、起落装置、动力装置、飞机设 备、操纵系统、安全措施等。 适航性条例的特点 • 法规性 – 适航性条例是以法律条文的格式编写的，有相当部分的条款是原则性的、 定性的要求，这与法律条文应具有的概括性和普适性是一致的。 • 务实性 – 航空器使用中的经验 • 例如，破损安全设计准则 – 新技术、新型号的发展 • 例如，电传操纵飞机 • 稳健性 – 适航标准只反映已被证实的、成熟的航空科技技术，而不反映最新的进展。 • 平衡性 – 在安全性、实用性和经济性之间取得平衡。 – 按适航标准设计的飞机具有满足“公众可以接受的安全水平”的安全性。 与飞机相关的适航性条例 • 美国 – 联邦适航条例（FAR） Part 25（重量大于12500 lb) – 联邦适航条例（FAR） Part 23（重量小于12500 lb) • 欧洲 – 联合适航条例（JAR） Part 25（重量大于5700kg) – 联合适航条例（JAR） Part 23 （重量小于5700kg) • 中国 – CCAR25－ 中国民用航空规章第25部 运输类飞机适航标准（重 量大于5700kg) – CCAR23－ 中国民用航空规章第23部 运输类飞机适航标准（重 量小于5700kg) 与总体设计密切相关一些条例 • 与机翼参数和发动机选择有关的要求 – 起飞距离与着陆距离 – 单发停车爬升率 • 与尾翼参数设计有关的要求 – 稳定性与操纵性 • 与重量有关的要求 – 对载荷要求 • 与客舱布置有关的要求 – 应急出口的要求 起飞性能要求 “决策速度”和“平衡场地长度”的概念 • 决策速度 – 当发动机在大于V1时失效，飞机应继续起飞；发动 机在小于V1时失效，应立即关闭所有发动机，刹车 减速，停止起飞。速度V1就称为“决策速度”。 • 平衡场地长度 – 在V1时刻发觉一台发动机失效后，飞机继续起飞到 安全高度上所经过的水平距离，等于在V1时刻放弃 起飞，迫使飞机减速停止所需的滑跑距离。 着陆性能要求 Definition of approach and landing 评价飞机设计方案准则 • 重量准则 – 起飞重量WTO最小 – W有效载荷 / WTO最大 • 经济性准则 – 直接使用成本 – 全寿命周期成本 • 作战效能（军机） 设计要求的例子 • 来源 – 2008－2009 AIAA的飞机设计竞赛项目 – 面向大学生 • 目标 – 替代737NG 和A320的下一代客机 • 题目 – Advanced, Environmentally Compatible, 150 Seat Commercial Transport 设计要求的例子（续） • Capacity – 150 seats – dual class (~12 seats, 36” pitch first class, ~138 seats @ 32” seat pitch economy class). – Capability for seating one class, 30” pitch seating without exit limitations. • Cargo capacity – >7.5 ft3/passenger, bulk loaded. • Maximum payload capability – carry full, single class 30” pitch passenger capacity, at 185 lbs/passenger, plus full cargo hold at 8 lbs/Ft3. 设计要求的例子（续） • Maximum Landing Weight (MLW) – Maximum Zero Fuel Weight, plus fuel reserves for maximum range mission at that Payload. • Maximum Range: – 2800 nm with typical mission reserves with full dual class passenger load, assuming 225 lbs/passenger. • Typical mission (average) Ranges: – 500 nm for 50% of missions, 1000 nm for 40% of missions, 2000 nm for 10% of missions. • Cruise speed Requirement: . – 78 Mach (Long Range Cruise – LRC). – Objective: .80 Mach (LRC). 设计要求的例子（续） • Initial Cruise Altitude Capability at MTOW: – > 35,000’ ISA + 15 C degrees • Maximum operating altitude – 43,000’ • Maximum landing speed (at Maximum Landing Weight): – 135 knots • Takeoff Field Length (TOFL), MTOW – 7000’ sea level, 86 deg F • Community Noise – ICAO Chapter 4 level minus 20 db cumulative • Fuel burn block Fuel/seat （500 nm mission） – < 41 lbs/seat. – Objective: < 38 lbs/seat. 设计要求的例子（续） • The airplane shall be certifiable to appropriate FARs for approximately 2018 entry into service. • Operating costs – 8% or better (reduction）per seat operating cost economics (Crew, Maintenance, Fees and Fuel – at $2.50/US gal) than current, comparably sized commercial transports in typical US major airline type operation. – objective 10% or better 设计要求的例子（续） • Potential powerplant concepts – P&W geared turbofan (as proposed for Bombardier C- Series and Mitsubishi Regional Jet) – advanced direct drive high bypass ratio turbofans – unducted fan (open rotor) concepts. • Airplane acquisition cost – shall be commensurate with current 150 seat category transports. 本课程的设计项目 • 150座级客机概念设计 • 支线客机概念设计 • 公务机概念设计 • 军机：自选 90座支线客机的基本要求 • 有效载荷 – 90人（每人重75kg） – 每人行李总重：20kg • 飞行性能指标 – 巡航速度： M 0.7 – 飞行高度：10500 （m） – 航程： 2300（km），45分钟待机 – 起飞距离： 小于1700（m） – 进场速度：小于 220 （km/h） 公务机设计的基本要求 • 类型 – 国内使用的喷气式公务机。 • 有效载重 – 旅客6－12名，行李20kg/人。 • 飞行性能： –巡航速度： 0.6-0.8M –最大航程： 3500－4500km –起飞距离： 小于1400－1600m –进场速度： 小于270－290km/h 客机制造商 • 大型客机： – 美国波音（Boeing） – 欧洲空中客车(Airbus) – 中国商用飞机有限责任公司（COMAC） • 支线客机 – 巴西航空工业公司(Embraer) – 加拿大庞巴迪公司（Bombardier） – 中航集团西安飞机工业(集团)有限责任公司 – 中国商用飞机有限责任公司（COMAC） 支线客机制造商 • 巴西航空工业公司(Embraer) • 加拿大庞巴迪公司（Bombardier） • 中航集团西安飞机工业有限责任公司 • 中国商用飞机有限责任公司（COMAC） 公务机制造商 • Cessna Aircraft • Learjet (part of Bombardier) • Gulfstream • Raytheon Aircraft (Beech) • Piper Aircraft • Dassault Aviation 飞机设计依据 飞机设计依据 飞机设计的基本要求 飞机设计的基本要求 飞机设计的基本要求 关于性能指标 飞机设计的基本要求（续） 环保要求将会日益重要 关于设计要求的一些说明 型号合格证、生产许可证、适航证 飞机设计规范和适航性条例 适航性条例的特点 与飞机相关的适航性条例 与总体设计密切相关一些条例 起飞性能要求 “决策速度”和“平衡场地长度”的概念 着陆性能要求 Definition of approach and landing 评价飞机设计方案准则 设计要求的例子 设计要求的例子（续） 设计要求的例子（续） 设计要求的例子（续） 设计要求的例子（续） 设计要求的例子（续） 本课程的设计项目 90座支线客机的基本要求 公务机设计的基本要求 客机制造商 支线客机制造商 公务机制造商