第 2 章 飞 机 的 外 载 荷 南 京 航 空 航 天 大 学 飞 机 设 计 技 术 研 究 所
2.1 飞 机 结 构 上 的 主 要 载 荷 2.2 不 同 飞 行 条 件 下 的 过 载 2.3 其 它 载 荷 情 况 2.4 疲 劳 载 荷 2.5 飞 机 设 计 规 范 简 介
2.1 飞 机 结 构 上 的 主 要 载 荷 飞 机 在 飞 行 起 飞 着 陆 地 面 维 护 等 使 用 过 程 中, 作 用 在 飞 机 上 的 外 力 称 为 飞 机 的 外 载 荷 (1) 飞 行 时 的 外 载 荷 (2) 起 飞 着 陆 时 的 外 载 荷
机 体 坐 标 系
速 度 坐 标 系
载 荷 分 类 1. 质 量 力 R f 与 飞 机 的 质 量 和 加 速 度 有 关 的 力, 如 : 重 力 G; 惯 性 力 N x 等 2. 表 面 力 R m 由 物 体 之 间 直 接 接 触 作 用 而 产 生 的 作 用 在 飞 机 表 面 上 的 力, 如 : 气 动 力 Y Y t ; 发 动 机 推 力 T; 地 面 支 反 力 等
2.1.1 过 载 的 概 念 定 义 : 飞 机 所 受 除 重 力 之 外 的 表 面 力 总 和 与 飞 机 重 量 之 比 称 为 过 载 系 数 n, 简 称 过 载 n R f / G
n n x i + n y j + n z k n n + n + 2 x 2 y n 2 z 过 载 系 数 可 正, 可 负 ; 与 坐 标 轴 方 向 一 致 为 正, 反 之 为 负 习 惯 上 将 过 载 系 数 称 为 过 载 ; 平 时 所 说 的 过 载 是 指 n y, 一 般 地 n x 和 n z 均 很 小, 且 x 方 向 的 强 度 刚 度 一 般 较 好
R V g G P Y n dt dv g G X P n R R V a ma G P Y dt dv a ma G X P y x n n 2 2 1 cos ) sin( 1 sin ) cos( / ; cos ) sin( / ; sin ) cos( + + + + + + + + + + θ ϕ α θ ϕ α θ ϕ α θ ϕ α τ τ 为 飞 机 运 动 轨 迹 的 曲 率 半 径 平 衡 方 程 Q
2.1.2 过 载 与 加 速 度 的 关 系 n n n x y R f m G m sinθ + cosθ + a g a g τ a g n
过 载 的 物 理 意 义 : 1. 过 载 系 数 表 示 了 作 用 于 飞 机 重 心 处 ( 坐 标 原 点 ) 飞 机 所 受 的 实 际 外 力 与 飞 机 重 力 的 关 系 2. 飞 机 的 过 载 来 源 于 加 速 度 n y 如 果 飞 行 加 速 度 为 0, 则 n y 1
就 Y 方 向 而 言, 过 载 系 数 又 表 示 了 飞 机 实 际 的 质 量 力 情 况 : n y 质 量 力 /G 质 量 力 与 飞 机 所 受 的 外 力 大 小 相 等, 但 方 向 相 反 ( 它 们 是 平 衡 力 系 ); 因 此, 如 以 质 量 力 来 决 定 过 载 的 方 向, 就 应 该 是 与 飞 机 坐 标 轴 正 方 向 相 反 为 正, 反 之 为 负
过 载 系 数 的 实 用 意 义 知 道 了 过 载 系 数 n y Pn y.g(cg 处 ) 各 点 P sj,p sj n y.g j 它 是 飞 机 设 计 中 很 重 要 的 一 个 原 始 参 数, 与 飞 行 状 态 机 动 性 密 切 相 关 n y 可 由 过 载 表 测 量 获 得
2.2 不 同 飞 行 条 件 下 的 过 载 2.2.1 水 平 面 内 的 定 常 直 线 飞 行 2.2.2 垂 直 平 面 内 的 曲 线 飞 行 2.2.3 水 平 面 内 的 曲 线 飞 行 ( 正 常 布 局 ) 2.2.4 最 大 过 载 n y max 2.2.5 非 质 心 处 质 量 的 过 载 2.2.6 突 风 过 载 2.2.7 着 陆 过 载
2.2.1 水 平 面 内 的 匀 速 直 线 飞 行 图 2.2 匀 速 水 平 飞 行
F x 0 TX F y 0 YG n x T G X 0 n y G Y 1
等 速 平 直 倒 飞 :n y -1
2.2.2 垂 直 平 面 内 的 曲 线 飞 行 n x sinθ + 1 g dv dt n y cosθ + 1 g V R 2 θ 0 n y max 1+ 2 V gr
进 入 俯 冲 F x 0: F y 0: N x G X T + θ sin cos 0 + θ G N Y y R V g G a m N y y 2 Q gr V R V g G Y n y 2 2 cos cos 1 + θ θ θ sin θ 1 sin t V g G N G X T n x x
俯 冲 后 拉 起 F y 0 2 V Y N y + G cosθ G + Gcosθ gr V gr n y 2 cos θ + 当 θ0 时,n y max, n max 1 + 2 V gr
2.2.3 水 平 面 内 的 曲 线 飞 行 ( 正 常 布 局 )
如 知 道 γ F n 0 Y sin γ F v 0 Y cos γ n y G Y N G 1 cos γ G g V R 如 果 用 过 载 仪 测 出 n y, 也 就 知 道 γ, 2 cos γ 1 n y
如 知 道 V 和 R: Y 1 2 2 2 2 1 V G + N G + gr n y 2 1 V + gr 1 2
2.2.4 最 大 过 载 n ymax n y max Y G f ( c max y max ρ 2 HV cy max 2, H, V, p) max max 1 G / S 式 中 :pg/s
C ymax 1.2 0.4 M
H V max V
最 大 过 载 n max 的 选 取 与 飞 机 性 能 设 备 性 能 和 人 的 生 理 机 能 等 均 有 关 n max 愈 大, 机 动 性 愈 好 ; 但 n max 增 大 使 结 构 受 力 增 大, 结 构 重 量 也 增 加, 反 过 来 又 影 响 整 个 飞 机 的 性 能 n max, 各 种 设 备 的 惯 性 力, 而 很 多 设 备 对 惯 性 力 的 承 受 也 有 限 度, n max 对 设 备 的 要 求 也 相 应 提 高 人 对 n max 的 承 受 能 力 也 有 限
图 2.4 飞 行 员 承 受 过 载 的 能 力 与 过 载 方 向 和 时 间 的 关 系
图 2.5 抗 过 载 服 系 统 1- 发 动 机 引 来 的 压 缩 空 气 ; 2- 气 滤 ;3- 调 压 器 ; 4- 通 信 号 灯 ; 胶 囊 图 2.6 高 过 载 座 舱 内 的 座 椅 1- 可 倾 斜 座 椅 ; 2- 后 撑 弹 簧 筒
综 合 考 虑 这 些 因 素, 飞 机 设 计 中 一 般 选 取 : 一 类 飞 机 : 如 歼 击 机 强 击 机,n y - 3~8 二 类 飞 机 : 可 部 分 完 成 机 动 飞 行 : 如 战 术 轰 炸 机 多 用 途 飞 机,n y -2~4 三 类 飞 机 : 不 作 机 动 飞 行 的 飞 机 : 如 战 略 轰 炸 机 运 输 机,n y -1~3
2.2.5 非 质 心 处 质 量 的 过 载 x n g a n n n n x n g a n n n n z x x x x x x z y y y y y y 2 0 0 0 0 0 0 / / ϖ ϖ ± ± ± ± ± ±
图 2.7 与 飞 机 质 心 不 重 合 的 各 点 上 的 过 载
注 意 : 较 长 的 装 载 物 ( 发 动 机 油 箱 鱼 雷 导 弹 等 ) ω z 引 起 一 个 附 加 的 惯 性 力 矩 : M z0 Gi I z 0 G i ω z
例 : 已 知 : 飞 机 俯 冲 攻 击 并 沿 圆 弧 线 拉 起, 已 知 V1000km/h,R1000m 求 :θ45,0 时 n y 各 为 多 少? 如 限 制 n y 8, 则 R 应 为 多 大?
V gr n y 2 n y cos θ + 当 :θ45 cos45 θ0: o + 2 V gr n y 0.707+ 1 如 限 制 n y 8, 则 2 V 1 + 8 gr + 2 V gr 2 1000 3.6 9.81 1000 8.865 2 V R 1123. 64m 7 g 8.573
例 : 飞 机 以 过 载 n y -3 作 曲 线 飞 行, 同 时 使 飞 机 重 心 以 角 加 速 度 α z 3.92rad/s 2 转 动, 转 动 方 向 如 图 所 示 若 发 动 机 重 量 G E 1000kg, 其 重 心 到 全 机 重 心 距 离 L3m, 发 动 机 绕 本 身 重 心 的 质 量 惯 性 矩 I zo 120kg s 2 m, 求 : 1. 发 动 机 重 心 处 过 载 系 数 n ye 2. 若 发 动 机 悬 挂 在 两 个 接 头 上, 主 接 头 位 于 发 动 机 重 心 处, 后 接 头 距 发 动 机 重 心 为 0.8m, 求 此 时 发 动 机 作 用 于 机 身 结 构 接 头 上 的 质 量 载 荷
解 : n ye n y +αl/g-3+(-3.92)*(-3)/9.8-3+3.92*3/9.8-1.8 前 接 头 :F 前 n ye G E -1.8*1000 后 接 头 :F 后 M/0.8I Z0 α Z /0.8 120*3.92/0.8627.2kg ( 向 上 ) -1800kg ( 向 下 )
2.2.6 突 风 过 载
水 平 突 风 W<<V(<0.15), 引 起 的 水 平 方 向 过 载 可 以 忽 略 不 计 ( 不 大 于 1.3~1.5); 垂 直 突 风 引 起 攻 角 变 化 ; S G V V W c n G S V a c n n n n a y y a y y y y yg / 2 ) / ( /2 2 0 2 0 0 ρ ρ ± ± ±
图 2.8 垂 直 突 风 速 度 为 W 时 飞 机 飞 行 攻 角 的 改 变 突 风 还 可 能 引 起 振 动, 特 别 是 在 重 型 飞 机 上 引 起 周 期 性 的 载 荷 ( 甚 至 共 振 )
突 风 作 用 时 间 考 虑 突 风 作 用 时 间, 引 入 突 风 衰 减 因 子 K, K<1: h n yg n y0 ± a cywvρ K 2G / S
2.2.7 着 陆 过 载
F y 0 n Y + P G + Ld N y Y + P N Ld y 1+ 1 G G y + 对 起 落 架 的 过 载 定 义 :P ld /P st n Lg P P Ld st G + N y G Y a g ld y
一 般 情 况 下, 起 落 架 着 陆 时 的 最 大 过 载 n y 可 达 3 4 飞 机 在 地 面 的 运 动 情 况 是 多 种 多 样 的, 因 而, 不 但 有 n y, 也 还 会 出 现 n x ( 如 前 方 撞 击 刹 车 ) 以 及 n z ( 如 侧 滑 着 陆 等 )
2.3 其 它 载 荷 情 况 2.3.1 热 载 荷 2.3.2 噪 音 ( 声 振 ) 载 荷 2.3.3 瞬 时 响 应 载 荷 2.3.4 特 殊 情 况 的 载 荷
2.3.1 热 载 荷 1) 动 力 装 置 ; 2) 气 动 加 热 飞 机 表 面 的 驻 点 温 度 : T T H (1+0.2M 2 ) H(km) T(K) 0 600 200 11 1 M
3) 太 阳 的 直 接 辐 射 和 反 射 辐 射
1. 高 温 使 结 构 材 料 的 强 度 和 刚 度 降 低 不 同 结 构 材 料 在 不 同 的 高 度 飞 行 时, 考 虑 温 度 影 响, 长 时 间 飞 行 的 极 限 速 度 不 同 LY12 < 钛 合 金 < 不 锈 钢 2. 温 度 不 均 匀 温 度 应 力 -> 构 件 失 稳 疲 劳 材 料 性 能 变 坏 3. 受 热 材 料 处 于 长 期 受 力 状 态, 还 将 发 生 蠕 变, 产 生 永 久 变 形 4. 热 疲 劳 问 题
t( o C) 高 度 /(km) 0 15 30 45 60 760 不 锈 钢 370 钛 合 金 100 LY-12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 M
2.3.2 噪 音 ( 声 振 ) 载 荷 来 源 : 动 力 装 置 空 气 动 力 武 器 发 射 问 题 : 声 疲 劳
图 2.10 某 发 动 机 喷 口 附 近 的 声 压 情 况
2.3.3 瞬 时 响 应 载 荷 来 源 : 核 武 器 爆 炸 空 中 机 轮 制 动 起 飞 助 推 外 挂 物 投 放 弹 射 等
2.3.4 特 殊 情 况 的 载 荷 非 正 常 状 态 的 载 荷 : 发 动 机 停 机 尾 旋 单 轮 着 陆 打 地 转 机 头 碰 地 飞 机 翻 倒 因 故 障 强 迫 着 陆 等 ; 要 求 继 续 飞 行 并 返 回, 在 地 面 尽 量 减 少 对 人 员 的 伤 害, 尽 量 减 少 对 飞 机 通 道 出 口 的 阻 塞 ; 鸟 撞 载 荷 :2000m 以 下 以 最 大 飞 行 速 度 飞 行 时,1.8kg 的 鸟 不 穿 透 ; 冰 雹 载 荷 : 结 冰 破 坏 气 动 外 形, 影 响 性 能 ; 对 结 构 和 发 动 机 产 生 破 坏
2.4 疲 劳 载 荷 疲 劳 破 坏 在 远 小 于 材 料 的 原 有 静 强 度 情 况 下 就 可 能 发 生, 因 而 更 具 有 危 险 性 疲 劳 载 荷 还 将 引 起 设 备 工 作 不 正 常, 并 导 致 破 坏, 使 机 上 人 员 感 到 难 受 载 荷 的 作 用 顺 序 对 材 料 的 损 伤 有 影 响 因 此, 在 疲 劳 强 度 分 析 中 需 确 定 结 构 中 所 承 受 的 载 荷 随 时 间 变 化 的 历 程 载 荷 谱 (spectrum)
疲 劳 载 荷 来 源 突 风 重 复 载 荷 (gust) 突 风 W 产 生 一 个 攻 角 增 量 Δα Δn y 突 风 来 源 于 大 气 环 境, 现 已 有 规 范 给 出 了 大 气 环 境 的 统 计 值 突 风 载 荷 是 运 输 机 类 飞 机 的 主 要 疲 劳 载 荷 机 动 重 复 载 荷 : 是 战 斗 机 类 飞 机 的 主 要 疲 劳 载 荷, 由 飞 机 的 机 动 飞 行 产 生 ( 盘 旋 俯 冲 退 出 等 )
着 陆 撞 击 重 复 载 荷 飞 机 着 陆 时 有 一 接 地 速 度, 使 起 落 架 减 振 受 到 一 撞 击 而 产 生 振 动, 导 致 重 复 载 荷 的 产 生 着 陆 撞 击 载 荷 对 机 体 的 疲 劳 损 伤 影 响 极 小, 但 对 起 落 架 有 较 大 影 响 地 面 滑 行 重 复 载 荷 与 跑 道 的 粗 糙 度 有 关, 对 不 同 类 型 的 跑 道 已 有 统 计 结 果 对 飞 机 机 体 影 响 极 小, 主 要 用 于 构 成 地 空 地 循 环
地 - 空 - 地 循 环 载 荷 气 密 舱 的 地 空 地 由 压 差 引 起
图 2.11 一 次 飞 行 所 受 到 的 载 荷 时 间 历 程 示 意 图
图 2.12 常 幅 载 荷 谱
图 2.13 程 序 块 谱
随 机 谱 : 将 实 测 核 分 析 得 到 的 载 荷 按 结 构 服 役 过 程 中 的 受 载 特 点 进 行 随 机 编 排
2.5 飞 机 设 计 规 范 简 介 飞 机 设 计 所 有 基 本 依 据 : 强 度 规 范 刚 度 规 范 飞 机 试 验 规 范 适 航 性 规 范
强 度 规 范 : 规 定 了 飞 机 总 的 强 度 水 平, 各 主 要 部 件 构 件 上 的 外 载 荷 以 及 对 他 们 进 行 强 度 试 验 时 的 加 载 条 件 具 体 内 容 : 1) 极 限 使 用 载 荷 n emax,n emin,q max, q min 2) 主 要 部 件 的 最 大 使 用 载 荷 3) 安 全 系 数 f
f 的 选 取 原 则 : 保 证 结 构 在 使 用 载 荷 作 用 下 不 产 生 永 久 性 变 形 合 理 分 配 f 值, 使 结 构 尽 可 能 地 轻 对 不 同 的 载 荷 材 料 工 艺, 选 取 不 同 的 f 值
对 一 般 铝 合 金,σ b /σ n 1.5, f 1.5; 对 复 合 材 料, 不 可 避 免 地 带 有 缺 陷, 附 加 系 数 1.25,f 1.5 1.25; 对 经 常 重 复 作 用 且 时 间 长 的 载 荷,f 1.5 1.3 2.0; 对 经 常 重 复 作 用 但 时 间 短 的 载 荷,f 1.5 (1.1~1.2)1.65~1.80; 对 重 要 件 接 头 ( 应 力 分 布 复 杂 ), 附 加 系 数 1.25; 对 机 翼, 可 参 见 下 表
设 计 情 况 n e q C y f A n emax 1.5 A n emax q maxmax 1.5 B 0.5n emax q maxmax 2 C 0 q maxmax 2 D n emin 1.5 D n emin q maxmax 1.5
设 计 情 况 的 选 取 飞 机 在 飞 行 过 程 中 所 受 的 载 荷 是 多 种 多 样 的, 在 飞 机 设 计 过 程 中 如 果 对 每 种 情 况 都 加 予 分 析 的 话, 那 就 太 复 杂 了 从 原 则 上 讲, 凡 是 使 结 构 易 遭 破 坏 人 员 易 受 到 损 伤 的 载 荷 情 况, 都 应 选 作 设 计 情 况 设 计 规 范 对 全 机 和 各 主 要 部 件 的 设 计 情 况 作 了 规 定, 对 全 机 而 言, 将 这 些 设 计 情 况 反 映 在 飞 机 包 线 上
图 2.14 对 称 机 动 飞 行 包 线
情 况 A 小 速 度, 大 攻 角, 大 过 载 ( 平 飞 拉 起 ) 情 况 A 大 速 度, 小 攻 角, 大 过 载 ( 急 剧 退 出 俯 冲 ) 情 况 B 高 速, 小 攻 角, 曲 线 飞 行 ( 下 滑 转 弯 ) 情 况 C qq max, 副 翼 偏 转 ( 垂 直 俯 冲 情 况 D 小 速 度, 大 负 攻 角,n y n min 情 况 D 大 速 度, 小 负 攻 角,n y n min
图 2.15 各 种 受 载 情 况 下 气 动 载 荷 的 弦 向 分 布
图 2.16 机 翼 的 设 计 情 况 及 其 对 应 的 飞 行 轨 迹
3 A D 0-1 F E V MD-82- 机 动 包 线
2 1 B' C' D' 0-1 G' F' E' V MD-82- 突 风 包 线
刚 度 规 范 : 规 定 了 飞 机 部 件 允 许 的 弯 曲 和 扭 转 变 形, 气 动 弹 性 的 临 界 速 度 在 使 用 载 荷 下 引 起 的 弹 性 变 形 永 久 变 形 及 热 应 变 的 总 和 以 及 实 际 存 在 的 机 械 间 隙 等 不 得 妨 碍 飞 机 操 纵 系 统 的 运 动 或 降 低 飞 机 操 纵 的 灵 敏 度, 不 能 影 响 飞 机 飞 行 性 能 品 质 要 求, 不 得 引 起 颤 振 等 气 动 弹 性 及 空 气 热 弹 性 的 不 稳 定, 不 应 发 生 抖 振 或 共 振 等
飞 机 适 航 性 的 指 标 : 大 气 条 件 机 场 条 件 ; 对 出 现 故 障 差 错 及 其 后 果 影 响 的 限 制, 故 障 飞 行 的 性 能 要 求, 应 由 的 飞 行 包 线 规 定, 飞 行 品 质 操 纵 品 质 规 定, 防 火 防 腐 指 标, 驾 驶 舱 及 视 界 的 规 定, 警 告 装 置 要 求, 仪 表 电 气 特 种 设 备 的 适 航 指 标, 迫 降 时 的 安 全 指 标, 救 生 要 求 以 及 动 力 装 置 的 适 航 指 标
飞 机 试 验 规 范 : 静 力 动 力 学 和 试 飞 试 验