輕型復(fù)合材料電動飛機(jī)重量及重心估算研究

劉福佳 顧超

摘 ?要：在飛機(jī)初步方案設(shè)計階段，對各部件、各系統(tǒng)的重量和重心計算是比較困難的，將這些重量和重心求出來以后，進(jìn)一步計算全機(jī)的重量和重心就比較容易了。文章結(jié)合某型雙座電動復(fù)合材料飛機(jī)重量和重心數(shù)據(jù)，給出了在初步方案設(shè)計時，輕型復(fù)合材料電動飛機(jī)的重量及重心的估算方法。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;電動飛機(jī);重量;重心

在飛機(jī)設(shè)計研究中，表明飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量增加對飛機(jī)設(shè)計的影響是可能的。如果飛機(jī)技術(shù)指標(biāo)（如航程，起飛性能等）保持不變，那么較差的設(shè)計，增加了結(jié)構(gòu)重量并將導(dǎo)致較大的油耗，較大的發(fā)動機(jī)，更強的起落架，較大機(jī)翼面積和尾翼面積。反過來，這些增加將要求更重的結(jié)構(gòu)。這個惡性循環(huán)影響即眾所周知的“重量增長”。方案研究表明對于飛機(jī)上每千克不必要的結(jié)構(gòu)重量，飛機(jī)最大起飛重量將增加約3kg。對于飛機(jī)采用復(fù)合材料來說，可以實現(xiàn)飛機(jī)減重的效果，因此，目前大量的輕型飛機(jī)采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

在飛機(jī)初步設(shè)計階段，飛機(jī)的重量對飛機(jī)設(shè)計的影響比其他任何設(shè)計參數(shù)都大。在飛機(jī)初步方案設(shè)計階段，對各部件、各系統(tǒng)的重量和重心計算是比較困難的，將這些重量和重心求出來以后，進(jìn)一步計算全機(jī)的重量和重心就比較容易了。在早期設(shè)計階段，不得不使用飛機(jī)所有部件的歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行估算。

對于輕型復(fù)合材料電動飛機(jī)，目前發(fā)展較緩慢，因此復(fù)合材料電動飛機(jī)的重量估算方法及統(tǒng)計數(shù)據(jù)相對傳統(tǒng)的飛機(jī)來說較少。文章結(jié)合某型雙座電動復(fù)合材料飛機(jī)重量和重心數(shù)據(jù)，給出了輕型復(fù)合材料電動飛機(jī)的重量及重心的估算方法。

1 輕型復(fù)合材料電動飛機(jī)部件重量估算

飛機(jī)重量是連接設(shè)計活動中所有分別進(jìn)行設(shè)計的共同因素（空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)、推進(jìn)、布局、適航性、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性和使用方面）。飛機(jī)重量對性能、設(shè)計、經(jīng)濟(jì)性和管理規(guī)章等方面的重要性如圖1所示。

圖1 對飛機(jī)重量的影響

電動飛機(jī)與傳統(tǒng)燃油飛機(jī)相比，其能源來源于電池，因此，其全機(jī)重量m可以用下式來表達(dá)：

m=m結(jié)構(gòu)+m動力+m航電+m操縱+m有效

其中動力系統(tǒng)的重量包括電池重量。

此時表明，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，但實際上這是不可能的，因為飛機(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，而各部分的重量未定時，也就無法用上式對全機(jī)重量進(jìn)行計算。換言之，就是因為飛機(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)行計算，這一點，正是在飛機(jī)設(shè)計工作中，進(jìn)行重量計算的難點。因此，通常不得不用逐次逼近的迭代方法來求解飛機(jī)的全機(jī)重量，同時為了節(jié)省設(shè)計時間，開始總是用粗略的近似方法來計算，然后再用越來越精確的計算方法和公式完成計算。

當(dāng)確定某一部件的絕對重量是不可能時（或許是由于已知資料不詳細(xì)），為了減弱飛機(jī)各部分的重量對全機(jī)重量m的依賴關(guān)系，可使用標(biāo)準(zhǔn)化的重量比（相對重量），即：部件重量/起飛重量。利用相對重量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對飛機(jī)的全機(jī)重量可以簡便直接地進(jìn)行第一輪的近似計算。

由于在初步方案設(shè)計階段，不可能對飛機(jī)各個部件的尺寸有非常詳細(xì)的了解，但是有可能使用預(yù)先估算的方法，在飛機(jī)幾何尺寸確定過程中逐漸變得準(zhǔn)確，因此這個比值能從與所研究的飛機(jī)相似形式的現(xiàn)有飛機(jī)中確定。

通過收集某型雙座電動飛機(jī)的全機(jī)重量數(shù)據(jù)，包括結(jié)構(gòu)重量（機(jī)身結(jié)構(gòu)重量、機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量、尾翼結(jié)構(gòu)重量、起落架結(jié)構(gòu)重量）、電動力系統(tǒng)重量（螺旋槳、電動機(jī)、電池、控制器等）、航電系儀表統(tǒng)重量、操縱系統(tǒng)重量、有效載荷（機(jī)組人員重量），給出某型雙座電動飛機(jī)各部分的重量及各部分重量占全機(jī)重量的百分比（詳見表1）。

表1 某型雙座電動飛機(jī)各部分的重量及各

部分重量占全機(jī)重量的百分比

因此，在進(jìn)行輕型復(fù)合材料電動飛機(jī)初步方案設(shè)計階段，可以參照表1中的數(shù)據(jù)對飛機(jī)各部分的重量進(jìn)行初步分配與計算，進(jìn)而求出輕型復(fù)合材料電動飛機(jī)各部分的重量占全機(jī)重量的比例，準(zhǔn)確地計算出全機(jī)重量的初步分配。

2 輕型復(fù)合材料電動飛機(jī)重心前限和后限計算

當(dāng)已知所有部件重量時，確定飛機(jī)重心位置是相對容易的任務(wù)。在初步方案設(shè)計階段，有了每個部件重量的估計和飛機(jī)的總體布局圖，采用有把握的推測，確定每個部件的重心是有可能，這就可以確定不同載荷情況下（即有效載荷的不同組合）飛機(jī)的重心。而且在草圖設(shè)計的初期階段了解全機(jī)重心位置是必要的，這樣可以使機(jī)翼有可能在飛機(jī)總體布置圖上正確地沿機(jī)身定位。

然而對于飛機(jī)重心位置的近似計算和重心定位，不是一次就能完成的，而是一個反復(fù)進(jìn)行、逐步逼近的過程。

在第一次進(jìn)行飛機(jī)重心位置的近似計算時，飛機(jī)各部分的重量分類比較粗，各部分的重量及重心位置也都是采用初步的估算值，或按同類飛機(jī)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)選取，然后列表進(jìn)行計算。

全機(jī)的重心計算原理很簡單，用靜力矩平衡解析法即可求出，但為了能把重心調(diào)整到所需的位置，往往需要進(jìn)行多次反復(fù)的計算，計算的工作量比較大。

用于計算的坐標(biāo)系原點，可以取機(jī)身頭部最前的端點，這樣可以使所有載重的坐標(biāo)值均為正值。一般取飛機(jī)設(shè)計水平基準(zhǔn)線（通常即機(jī)身軸線）為ox軸。

坐標(biāo)選定后，分別對飛機(jī)各組成部分相對坐標(biāo)原點的靜力矩進(jìn)行計算，得出每一組成部分的靜力矩（mgx）i，然后將各部分靜力矩的總和除以全機(jī)的重量即得到飛機(jī)重心的坐標(biāo)，計算公式為：

xG=

飛機(jī)重心的位置是相對于平均空氣動力弦而言的，而且一般都用其與平均空氣動力弦bA之比的百分?jǐn)?shù)的相對值來表示，所以用上式求出飛機(jī)重心的位置需按下式來換算：

G=×100%

第一次重心定位計算時，可以采用如下規(guī)律：

（1）機(jī)翼重心位置在40%～50%bA處;（2）尾翼重心位置在45%～50%尾翼的平均氣動力弦處;（3）機(jī)身的重心位置，對于直機(jī)翼的飛機(jī)，取在50%機(jī)身長度處;對于采用后掠翼的飛機(jī)，取在60%機(jī)身長度處;（4）設(shè)備和操縱系統(tǒng)的重心取在機(jī)身的重心上。

有了每個部件重量的估算和重心的位置估算，這就可以確定不同載荷情況下（即有效載荷的不同組合）飛機(jī)的重心，對于燃油飛機(jī)，在進(jìn)行總體布置時，注意盡量減小重心的變化，一般要求燃油的重心靠近飛機(jī)的重心，燃油消耗引起的重心變化應(yīng)小于5%bA。然而，對于電動飛機(jī)的重心，其重心位置也隨著有效載荷的不同組合而變化，但由于不消耗燃油，其不存在飛機(jī)飛行過程中重心的變化，方便了飛機(jī)重心前限和后限的計算。文章結(jié)合某型雙座電動飛機(jī)重量和重心位置，給出輕型復(fù)合材料電動飛機(jī)初步方案設(shè)計時的重心前限和后限的計算列表，詳見表2。

3 結(jié)束語

文章通過給出某型雙座電動飛機(jī)的各部分重量及各部分重量所占全機(jī)重量的比例，為輕型復(fù)合材料電動飛機(jī)各部分的重量在初步方案階段的分配時，提供有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過對某型雙座電動飛機(jī)重心前限和后限的計算，給出了輕型復(fù)合材料電動飛機(jī)重心前限和后限的計算方法。

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