對(duì)某輕型飛機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)分析

胡 冶，國洪梅，趙 楠

（中航飛機(jī)研發(fā)中心總體所，陜西 漢中 723000）

隨著航空業(yè)的快速發(fā)展，國家相繼出臺(tái)了有關(guān)通用航空業(yè)的利好消息。《國務(wù)院關(guān)于促進(jìn)民航業(yè)發(fā)展的若干意見》中提出了大力發(fā)展通用航空的主要任務(wù)[1]，而《通用航空發(fā)展專項(xiàng)資金管理暫行辦法》的出臺(tái)使得通用航空的發(fā)展更加明朗[2]。據(jù)業(yè)內(nèi)人士預(yù)測，2020年前，我國通用飛機(jī)保有量將大幅上漲，年均增速在20%以上[3]。由此可見，低空領(lǐng)域表現(xiàn)出逐步開放發(fā)展趨勢，通用航空市場的發(fā)展前景誘人。

本文對(duì)某款新型輕型飛機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在選定動(dòng)力裝置的情況下，運(yùn)用工程方法對(duì)全機(jī)質(zhì)量、翼載進(jìn)行了設(shè)計(jì)，從而獲得了滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的全機(jī)氣動(dòng)外形。與原型飛機(jī)相比，新機(jī)可獲得更快巡航速度和最大飛行速度，航程增加30%，且起降距離短。

1 性能對(duì)比及設(shè)計(jì)要求

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

參照某輕型飛機(jī)的參數(shù)，并考慮該飛機(jī)的停放、使用和制造成本等要求，明確優(yōu)化后的新機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)，具體如表1所示。

表1 原型機(jī)與新機(jī)主要性能指標(biāo)需求對(duì)比

1.2 設(shè)計(jì)參考

本次設(shè)計(jì)廣泛選取類似機(jī)型和相關(guān)參數(shù)用于校核和驗(yàn)證后續(xù)工作的可信度，參照機(jī)型均取自《世界飛機(jī)手冊》[4]通用飛機(jī)章節(jié)的內(nèi)容。

2 全機(jī)質(zhì)量確定

2.1 質(zhì)量估算方法

飛機(jī)的起飛質(zhì)量W0由式（1）表示，即：

式（1）中：Wc為乘員質(zhì)量；Wp為有效載荷；Wf為燃油質(zhì)量；We為空機(jī)質(zhì)量。

式（2）中：Wf/W0為燃油系數(shù)；We/W0為全機(jī)空重比。

2.2 空重比系數(shù)的確定

按照統(tǒng)計(jì)規(guī)律，空機(jī)質(zhì)量系數(shù)大約在0.3～0.7，并隨著飛機(jī)總質(zhì)量的增加而遞減。對(duì)比類似機(jī)型，空中比系數(shù)詳見表2，在此空重比（We/W0）初步定為0.665.

表2 空重比系數(shù)對(duì)比

圖1 Hirth 3003v發(fā)動(dòng)機(jī)油耗數(shù)據(jù)圖

2.3 燃油系數(shù)估算

參考《民用飛機(jī)總體設(shè)計(jì)》[5]給出的估算方法，并依據(jù)Hirth 3003v發(fā)動(dòng)機(jī)在海平面高度下的油耗數(shù)據(jù)，如圖1所示，按照發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的油耗取平均值計(jì)算。

按照發(fā)動(dòng)機(jī)80 hp輸出的油耗數(shù)據(jù)，即6.8 gal/h/80 hp初算，轉(zhuǎn)換為國標(biāo)單位如下（燃油密度暫按0.737 kg/L計(jì)算），即：

按照海平面油耗Ce0＝0.285 kg/hp/h計(jì)算，飛行高度對(duì)燃油消耗率（耗油率）的影響修正，對(duì)Ce進(jìn)行修正，即：

式（3）中：CeH為高度H時(shí)的單位耗油率；Ce0為海平面高度單位耗油率；kfu為燃油消耗率修正系數(shù)，一般可用0.065；ΔH為高度H時(shí)大氣相對(duì)密度。

假定巡航高度為1 500 m，由此可得，ΔH＝1.058 2，即飛機(jī)在1 500 m處巡航時(shí)耗油率為0.281 7 kg/hp/h。

2.4 螺旋槳飛機(jī)推力油耗C推導(dǎo)

單位耗油率（“SFC”或簡寫為“C”）是燃油消耗率除以由此產(chǎn)生的推力。螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的單位耗油率SFC通常表示為Cbhp，它指每小時(shí)螺旋槳軸馬力功率所消耗的燃油磅數(shù)。功率公式計(jì)算為：

式（4）中：η為螺旋槳效率（可取參考值0.8）；P為發(fā)動(dòng)機(jī)功率。

按巡航3 h計(jì)算燃油系數(shù)，用Breguet的航程公式估算，得出的結(jié)果如下，即：E＝3 h，C＝0.266 5/h，（L/D）巡航≮10，e＝2.718 28，W1/W0＝e（－EC/L/D）＝0.879 9，Wf/W0＝1.06（1－W1/W0）＝0.127 3.

2.5 全機(jī)質(zhì)量估算

3 翼載設(shè)計(jì)

3.1 失速速度約束下的翼載

飛機(jī)的失速速度直接由翼載和最大升力系數(shù)決定，是影響飛機(jī)安全的主要因素。參照不同機(jī)型的典型構(gòu)型最大升力系數(shù)，按照相關(guān)要求規(guī)定了新機(jī)的許用失速速度，并獲得了該構(gòu)型下的最大可用翼載，具體如表3所示。

表3 不同構(gòu)型下的最大升力系數(shù)與翼載

3.2 起飛距離約束下的翼載

翼載和推重比對(duì)起飛距離均有影響，飛機(jī)的起飛滑跑距離LTOR隨起飛參數(shù)TOP23的變化而改變。TOP23的計(jì)算式是：

式（5）（6）中：σ為密度比，表示起飛高度大氣密度與海平面大氣密度比；CLmaxTO為起飛構(gòu)型最大升力系數(shù)；CLTO為離地升力系數(shù)。

離地升力系數(shù)CLTO與最大升力系數(shù)CLmaxTO的關(guān)系如下：按照CCAR 23部適航的一系列單發(fā)和雙發(fā)飛機(jī)的LTOR與起飛參數(shù)（TOP）23的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)字，在初步定參數(shù)階段，可以使用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的回歸擬合式公式，即：LTOR=4.9（TOP）23+0.009，LTO＝1.66LTOR.用已知型號(hào)的設(shè)計(jì)結(jié)果來驗(yàn)證公式中各數(shù)值的取值范圍。經(jīng)驗(yàn)證，DA40飛機(jī)的LTO/LTOR比值為1.62，西銳SR22飛機(jī)的LTO/LTOR比值為1.62，該比值與經(jīng)驗(yàn)值1.66相當(dāng)，且估算后的起飛構(gòu)型最大升力系數(shù)與該構(gòu)型下的經(jīng)驗(yàn)值近似，因此，可認(rèn)為該經(jīng)驗(yàn)參數(shù)可用于新機(jī)型在起飛距離約束下翼載的估算。

3.3 著陸距離約束下的翼載

進(jìn)場速度Vapp規(guī)定為失速速度VSL的1.3倍。失速速度為著陸構(gòu)型狀態(tài)，著陸襟翼、起落架放下、無動(dòng)力。著陸滑跑LLR與失速速度VSL平方的統(tǒng)計(jì)關(guān)系擬合式為：LTR=0.080 8，LL＝1.938LLR，LL＝0.156 5.參數(shù)LL/LLR與統(tǒng)計(jì)值1.938量級(jí)相當(dāng)，且估算后的著陸構(gòu)型失速速度與著陸構(gòu)型最大升力系數(shù)與實(shí)際飛行經(jīng)驗(yàn)值近似，因此，認(rèn)為該參數(shù)可用于新機(jī)在著陸距離約束下翼載的估算。

3.4 機(jī)翼面積的確定

選取計(jì)算獲得的最低翼載，以滿足機(jī)翼在所有的飛行條件下的需求。經(jīng)對(duì)比，取失速翼載為60 kg/m2，由此估算機(jī)翼面積為7.5 m2。

4 外形的初步確定

由前期獲得的機(jī)翼面積、翼展、機(jī)長等參數(shù)，對(duì)外形進(jìn)行初步規(guī)劃。機(jī)翼平面幾何形狀、機(jī)翼翼型的選取充分考慮低速飛機(jī)的氣動(dòng)要求，并對(duì)翼尖加裝剪切翼尖，形成該型飛機(jī)的初步外形，具體如圖2所示。

圖2 全機(jī)三面圖

5 結(jié)論

本文運(yùn)用工程估算的方法，對(duì)某型飛機(jī)和收集的其他類似機(jī)型的資料進(jìn)行了分析和估算對(duì)比，計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)值吻合，驗(yàn)證了該估算方法對(duì)輕型飛機(jī)的適用性。

通過對(duì)新機(jī)質(zhì)量、翼載的設(shè)計(jì)，獲得了滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的機(jī)翼面積，并對(duì)全機(jī)外形進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。與原型飛機(jī)相比，新型飛機(jī)的巡航速度由193 km/h增加至220 km/h，最大速度由241 km/h增加至350 km/h，且機(jī)翼面積由9.3 m2減小為7.5 m2，航程增加20%，優(yōu)勢明顯。

［1］佟剛，張利國.通用航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展途徑探討［J］.沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，28（6）：34-35.

［2］陳團(tuán)生.我國通用航空的發(fā)展對(duì)策分析［J］.航空航天，2007（3）：23-26.

［3］李綱領(lǐng).賣水勝過淘金——中國通用航空行業(yè)研究報(bào)告［R］.行業(yè)研究報(bào)告，2010：11-22.

［4］《世界飛機(jī)手冊》編寫組.世界飛機(jī)手冊［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2011：757-900.

［5］《民用飛機(jī)總體設(shè)計(jì)》總編委員會(huì).民用飛機(jī)總體設(shè)計(jì)［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2011：190-250.