Самолета

КОНЦЕПТУАЛЬНОЕ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ

САМОЛЕТА

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЕВА (национальный исследовательский университет)

КОНЦЕПТУАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

САМОЛЕТА

ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ

Допущено Учебно-методическим объединением высших учебных заведений

Российской Федерации по образованию в области авиации, ракетостроения

и космоса в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по специальностям 160201 Самолето-и вертолетостроение

и 160901 Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей,

а также для подготовки магистров по направлению 160100 Авиастроение

САМАРА

Издательство СГАУ

УДК 629. 7. 001 (075)

ББК 68.53

К 652

Программа развития государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева» (НИАУ «СГАУ») на 2009-2010 годы

Рецензенты: заместитель директора по общим вопросам ОАО «Туполев Самарское конструкторское бюро» В.Н. Климов, заведующий кафедрой динамики полета СГАУ, профессор В.Л. Балакин

Авторы: В.А. Комаров – научный редактор, предисловие, раздел 7;

Н.М. Боргест – раздел 11;

И.П. Вислов – разделы 4, 10;

Н.В. Власов – разделы 9, 10;

Д.М. Козлов – разделы 3, 6;

О.Н. Корольков – разделы 1, 2, 5, 8, 9, приложение А, переработка 2-го изд.;

В.Н. Майнсков – раздел 7, приложения Б, В.

Комаров В.А.

К 652 Концептуальное проектирование самолета: учебное пособие / В.А. Комаров [и др.]: под ред. д-ра техн. наук, проф. В.А. Комарова: / Самара: Самар. гос. аэрокосм. ун-т, 2010. - 141 с.: илл.

ISBN

Цель данного учебного пособия – в сжатой форме изложить теоретические основы методов и моделей, используемых в концептуальном проектировании самолетов, развить и закрепить понимание связи основных параметров и характеристик самолета и подготовить студента к выполнению дипломного проекта.

Пособие обобщает опыт преподавания курсов конструкции и проектирования летательных аппаратов в СГАУ.

Во второе издание включены существенные поправки с целью повышения точности проектных расчетов и учета современных достижений в мировом авиастроении, добавлен раздел, посвященный использованию методов научно-технического прогнозирования при обработке статистики.

Пособие предназначено для поддержки лабораторно-практических занятий и эскизной части дипломного проекта по специальностям 160201 Самолето- и вертолетостроение и 160901 Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей, а также для выполнения курсовых проектов и выпускных квалификационных работ магистрантами по направлению 160100 Авиастроение.

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия.

УДК 629.7.001.(075)

ББК 68. 53

ISBN Самарский государственный

аэрокосмический университет

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ. 11

1. РАЗРАБОТКА КОНЦЕПЦИИ ПРОЕКТИРУЕМОГО САМОЛЕТА.. 15

1.1 Составление статистики. 17

1.2 Анализ проектной ситуации. 20

1.3 Элементы научно-технического прогнозирования. 21

1.3.1 Линейная функция тренда. 24

1.3.2 Экспоненциальная функция тренда. 27

1.3.3 Логистическая функция тренда. 28

2. РАЗРАБОТКА ТАКТИКО–ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ К САМОЛЕТУ 31

2.1 Функциональные требования. 31

2.2 Общие технические требования. 32

2.3 Летно-технические требования. 36

2.4 Производственно-технологические требования. 37

2.5 Эксплуатационные требования. 37

2.6 Технико-экономические требования. 38

2.7 Прочие требования. 38

3. ВЫБОР СХЕМЫ САМОЛЕТА.. 39

3.1 Выбор параметров схемы.. 40

3.2 Обоснование выбора параметров схемы.. 45

3.3 Определение исходных параметров самолета. 48

3.3.1 Определение удельной нагрузки на крыло. 48

3.3.2. Аэродинамические параметры.. 49

3.3.3 Предварительный эскиз самолета. 50

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТРЕБНОЙ СТАРТОВОЙ ТЯГОВООРУЖЕННОСТИ САМОЛЕТА.. 51

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЗЛЕТНОЙ МАССЫ САМОЛЕТА.. 56

5.1 Содержание и порядок выполнения работы.. 56

5.2 Определение массы целевой нагрузки. 58

5.3 Определение массы служебной нагрузки и снаряжения. 59

5.4 Определение относительной массы конструкции. 60

5.5 Определение относительной массы топливной системы.. 61

5.6 Определение относительной массы силовой установки. 63

5.7 Определение относительной массы оборудования и управления. 64

5.8 Определение взлетной массы первого приближения. 65

6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ САМОЛЕТА.. 67

6.1 Порядок выполнения работы.. 67

6.1.1 Определение параметров и подбор двигателей. 67

6.1.2 Определение массы и объема топлива. 68

6.1.3 Определение параметров крыла. 69

6.1.4 Определение параметров оперения. 70

6.1.5 Определение размеров фюзеляжа. 70

6.1.6 Определение параметров шасси. 71

6.2 Общий вид самолета в первом приближении. 71

7. ВЕСОВОЙ РАСЧЕТ САМОЛЕТА.. 72

7.1 Определение массы планера и оборудования. 73

7.2 Сводка масс самолета. 74

8. КОМПОНОВКА САМОЛЕТА.. 80

8.1 Объемно-весовая компоновка самолета. 80

8.2 Конструктивно-силовая компоновка самолета. 84

8.3 Уточнение аэродинамической схемы самолета. 86

8.4 Компоновочный чертеж самолета. 87

9. ЦЕНТРОВКА САМОЛЕТА.. 89

9.1 Выбор допустимого диапазона центровок. 90

9.2 Расчет центровок. 91

9.2.1 Центровочный чертеж.. 92

9.2.2 Центровочная ведомость. 94

9.3 Обязательные варианты центровок. 95

9.4 Исправление центровки. 96

9.5 Центровочный график. 97

10. РАЗРАБОТКА ЧЕРТЕЖА ОБЩЕГО ВИДА И ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ САМОЛЕТА.. 99

10.1 Чертеж общего вида. 99

10.2 Техническое описание самолета. 102

11. ПЕРСПЕКТИВЫ КОНЦЕПТУАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ.. 103

ПРИЛОЖЕНИЕ А.. 122

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. 125

ПРИЛОЖЕНИЕ В.. 135

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.. 137

Условные обозначения, сокращения и индексы

А _го, А _во – статические моменты площадей горизонтального и вертикального оперения;

а – скорость звука;

α – угол атаки крыла;

B, `В – колея, относительная колея шасси;

b – хорда крыла, оперения;

b _А – средняя аэродинамическая хорда крыла, оперения;

b _о – центральная хорда крыла, оперения;

b _к – концевая хорда крыла, оперения;

`с – относительная толщина крыла, оперения;

С _р – удельный расход топлива ТРД, ТРДД;

С _е – удельный расход топлива ТВД, ТВВД;

С _ха, С _уа – коэффициент силы лобового сопротивления и коэффициент подъемной силы в скоростной системе координат;

C _xa0 – коэффициент силы лобового сопротивления при С _yа=0;

D _о – коэффициент отвала поляры;

D _ф – диаметр фюзеляжа;

d – угол отклонения рулевой поверхности или механизации крыла;

f – коэффициент безопасности, коэффициент трения;

g – ускорение свободного падения;

g – угол выноса основных опор шасси;

g _дв – удельный вес двигателя;

Н – высота полета;

χ – угол стреловидности крыла, оперения;

К – аэродинамическое качество;

к – коэффициент;

L – дальность полета;

– размах крыла, оперения;

– длина разбега;

l – удлинение крыла, оперения;

М – число Маха;

m – масса самолета, частей самолета, степень двухконтурности двигателя;

N – мощность двигателя;

`N – энерговооруженность самолета;

n _р, n _э –расчетный и эксплуатационный коэффициенты перегрузки;

n _пас – число пассажиров;

P – тяга двигателя;

`P ₀ – стартовая тяговооруженность самолета;

р ₀ – удельная нагрузка на крыло;

q – скоростной напор;

r – массовая плотность воздуха;

∆ – относительная плотность воздуха;

S – площадь крыла, оперения;

` S – относительная площадь оперения;

η – сужение крыла, оперения;

V – скорость полета;

V _y – вертикальная скорость набора высоты;

X _м – координата центра масс самолета;

X _F – координата фокуса самолета;

j – угол опрокидывания самолета;

j _н – коэффициент, учитывающий изменение тяги по высоте полета;

j _др – коэффициент дросселирования тяги двигателя;

y – стояночный угол самолета;

x – коэффициент, учитывающий изменение тяги двигателя по скорости полета.

СОКРАЩЕНИЯ

ВПП – взлетно-посадочная полоса;

даН=10Н – деканьютон;

САХ – средняя аэродинамическая хорда крыла;

ТРД – турбореактивный двигатель;

ТРДФ – ТРД с форсажной камерой;

ТРДД – двухконтурный ТРД;

ПД – поршневой двигатель;

ТВД – турбовинтовой двигатель;

ТВВД – винтовентиляторный двигатель;

ИНДЕКСЫ

в – волновое;

взл – взлетный;

в о, г о – вертикальное, горизонтальное оперение;

дв – двигатель;

з п – заход на посадку;

к, кон – конструкция;

ком – коммерческая;

крейс – крейсерская;

кр – критическая;

0 – начальное, стартовое значение;

об упр – оборудование и управление;

отр – отрыв самолета на взлете;

наб – набор высоты;

н з – аэронавигационный запас;

пас – пассажиры;

пос – посадочный;

п н – полезная нагрузка;

полн – полная нагрузка;

п, (пот) – потолок;

пуст – пустой;

р – расчетная;

разб – разбега;

рейс – рейсовая;

р в, р н – руль высоты, руль направления;

сн – снаряжение;

су – силовая установка;

ф – фюзеляж;

ц н – целевая нагрузка;

ш – шасси;

эк – экипаж.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Проектирование новых технических систем относится к одному из наиболее сложных видов инженерной творческой деятельности.

Цель данного учебного пособия – в сжатой форме изложить теоретические основы методов и моделей, используемых в концептуальном проектировании самолетов, развить и закрепить понимание связи основных параметров и характеристик самолета и подготовить студента к выполнению дипломного проекта.

Главная особенность концептуального проектирования состоит в необходимости принятия множеств решений при недостаточной или, наоборот, избыточной информации, чем эти задачи в принципе отличаются от «школьных», где дано ровно столько исходных данных, сколько необходимо для получения однозначного точного решения.

Кроме того, при проектировании разработчик стремится сделать свою работу так, чтобы все важные характеристики были наилучшими. Например, при проектировании крыла желательно, чтобы оно обладало максимальным аэродинамическим качеством, имело минимальную массу, позволяло разместить большие объемы топлива, имело большой ресурс, было простым, т.е. технологичным в изготовлении, и т.д. Проектные задачи, как правило, многокритериальны. В приведённом примере практически все критерии противоречивы, и искусство конструктора состоит в умении находить компромиссные решения. Это дополнительная сложность проектных задач.

Практика выработала определенную технологию решения таких задач, в которой используется декомпозиция проблемы, иерархия критериев оптимальности и ряд других приемов. Особое место в этой деятельности занимает использование предшествующего опыта в виде статистических данных по прототипам.

В данном учебном пособии работа по выбору облика самолета и определению его основных параметров и характеристик разделена на несколько относительно самостоятельных разделов, в каждом из которых принимаются определенные решения. Решения каждого раздела являются исходными данными для последующих.

Необходимо подчеркнуть, что в результате выполнения данной учебной работы должен появиться проект нового самолета, а не повторение уже существующих проектов. Статистические данные нужно использовать критически как вспомогательную информацию при решении проблем, возникающих на соответствующих этапах разработки.

В учебное пособие включен минимальный набор простейших расчетных зависимостей, необходимых для эскизного проектирования. Это сделано с целью выполнения сложнейшей задачи в течение одного учебного семестра. Расчетные зависимости тщательно подобраны таким образом, чтобы, не перегружая студента, дать ему возможность глубоко понять влияние отдельных проектных параметров, таких как аэродинамическая компоновка самолета, удельная нагрузка на крыло, тяговооруженность и др., на основные характеристики самолета – взлетную массу, топливную эффективность и прочие. В связи с этим необходимо обеспечить компьютерную поддержку выполнения студентом учебной работы таким образом, чтобы эти зависимости не оказались латентными, т.е. скрытыми, от глаз и понимания. С этой целью полезно поварьировать те или иные параметры в используемых расчетных формулах и построить графики изменения вычисляемых результатов.

Еще одно важное замечание по работе с аналитическими зависимостями, которые используются в эскизном проектировании. В основу этих формул положены относительно простые модели, основанные на фундаментальных законах физики и механики. Например, в основу весовой формулы крыла положена оценка массы консольной балки, работающей на изгиб. Оценка разгрузки крыла двигателями, топливом, учет стреловидности, сужения, технологических факторов обычно делается с помощью ряда коэффициентов, которые получаются из обработки статистических данных по уже существующим самолетам. Вдумчивого студента не должно пугать то, что произведение массы в степени 1/2 и удлинения в степени 3/2, отнесенное к удельной нагрузке на крыло в дробной степени и т.д., дает результат в килограммах. Дело в том, что в таких формулах размерность результата обеспечивается числовыми коэффициентами, которые соответствуют определенной системе единиц, в которой нужно исчислять значения проектных параметров. Поэтому следует очень внимательно относится к размерности величин, подставляемых в ту или иную формулу. Это особенно касается использования проектных соотношений из англоязычной литературы, в которой могут использоваться дюймы, футы и т.п. величины.

Данное учебное пособие содержит минимально необходимую информацию для приобретения первого опыта концептуального проектирования самолета. Оно никак не исключает, а, напротив, подразумевает обращение к учебникам и другой научной отечественной и зарубежной литературе, в которой на первых порах очень трудно разобраться. В этой ситуации учебное пособие можно и нужно использовать как путеводитель по дополнительным источникам информации.

В качестве основного источника информации, на который опирается излагаемый в пособии материал, является учебник, выпущенный под редакцией С.М. Егера [1] в 1983 и переизданный в 2005 году. Как в учебнике, так и в данном пособии излагается методика проектирования, преследующая, в первую очередь, учебные цели – показать последовательность и алгоритмы выполнения основных этапов эскизного проекта, понять взаимосвязь выбираемых проектных параметров (исходных величин) и характеристик (комплекс свойств) самолета, наметить пути повышения эффективности самолета. Решение этих задач в учебном проектировании возможно лишь путем использования упрощенных методов проектирования и несложных математических моделей (формул), которые дадут возможность увидеть «внутренние» взаимосвязи параметров и позволят оценить их влияние на важнейшие свойства и эффективность самолета.

В реальном проектировании в настоящее время используется высокоточное компьютерное математическое моделирование на всех этапах жизненного цикла самолета (авиационного комплекса) от ранних стадий проектирования до утилизации. Разработанные комплексы компьютерных программ создают возможность выполнения в автоматизированном режиме отдельных этапов проекта с использованием современных методов оптимизации проектных параметров и характеристик, обеспечивающих высокую эффективность жизненного цикла самолета (авиационного комплекса). Кроме того, решение реальных проектных задач требует обязательного использования действующей нормативно-справочной документации. Сложность, малая «наглядность» (эффект «черного ящика») такого проектирования не позволяют его использовать в учебных целях. Вместе с тем, выполнение упрощенного учебного проекта позволит будущему специалисту быстрее адаптироваться к реальным современным условиям автоматизированного проектирования авиационной техники.

В дипломном проектировании модели, содержащиеся в настоящем учебном пособии, рекомендуется дополнять более точными и адекватными математическими компьютерными моделями, в том числе используемыми в реальном проектировании. Их сложность и трудоемкость следует определять в каждом конкретном случае в соответствии с располагаемыми ресурсами (информационными, вычислительными, временными и др.).