直升机总体设计

直升机总体设计授课教师：陈铭本课程的要求本课程的主要任务是使学生掌握直升机总体设计的特点、主要内容、基本原则、主要方法和设计中的主要问题，了解现代直升机总体设计水平和发展趋势。培养学生树立正确的工程设计思想，特别是学会从全局出发，具有权衡、集成、协调和综合的能力，学会与人沟通、交流和协同工作，正确处理总体设计中的各种矛盾。综合运用所学知识，紧密联系实际。第一章绪论直升机设计的特点：1）直升机设计是一门应用科学。直升机总体设计是直升机设计学科的重要组成部分。2）综合运用了一系列基础科学、应用科学和工程技术的最新成果。1.1直升机设计的定义、任务和要求任务：确定直升机的构型、布局、结构和其他各组成部分，以保证在一定的限度内使直升机最有效地满足给定的技术要求。要求：1）要有明确的设计目标，在分析、综合的基础上确定新机的设计技术状态；2）要考虑主、客观条件，处理好各种关系；3）要有专门的设计机构，比较完善的试验、试制基地。定义：在现实的基础上最佳地拟定“技术文件”的过程。1.2直升机设计的一般过程直升机研制的阶段可划分为：研制总要求论证阶段、方案论证阶段、工程设计阶段、试制与试验阶段、设计定型阶段、生产定型阶段按照设计任务和内容的不同及先后次序，直升机设计划分为三个阶段：1）概念设计（ConcepturalDesign）2）初步设计（PreliminaryDesign）3）详细设计（DetailDesign）概念设计（方案设计或总体设计）主要工作内容：1.气动布局方案论证2.全机总体布局方案论证3.全机总体结构方案论证4.各部件和系统的方案论证5.全机重量计算、重量分配和重心定位6.全机配套附件和设备等成件的选择和确定，新材料和新工艺的选择和确定，对要求新研制的成件要确定技术要求和协作关系概念设计阶段的任务是依据设计技术要求形成对所设计直升机的构思及基本概念，并拟定出能满足设计要求的初步技术方案。现代直升机设计都采用计算机辅助设计，因此，在这个阶段中通常可以选择几个方案进行对比分析，经过充分论证后初步确定直升机的构型和气动布置方案。初步设计（技术设计或打样设计）主要工作内容：1.气动方面2.结构设计3.系统设计4.总体布局详细设计（工程设计或零件设计）主要工作内容：继续进行性能、操稳、气动、动力学等方面的校核性试验，利用校核试验结果和由图纸得到的重量、重心和惯量数据进行全面的性能、操稳等方面的计算，同时根据正式的外载荷进行零、部件的强度校核计算，提前进行零构件、部件的强度试验或有关的振动试验。完成全机和零部件的重量、重心和惯量的计算，提交静、动力试验任务书和飞行试验任务书。完成原型机试制所需的全部图纸和技术文件，包括：零件图、装配图、理论图等和直升机各部件、各系统及全机进行生产、安装、装配工作所要的全部技术文件。1.3直升机总体设计工作的特点直升机总体设计是指从概念设计到初步设计阶段进行总体方案设计的全过程，其最终目标是给出最优的新机总体方案，是直升机研制中最为重要的一个阶段。主要特点：1.3.1综合与协调1.3.2反复迭代、逐次逼近1.3.3创新性与科学性随着现代科学技术的发展，作为高技术产品的直升机的设计思想、设计技术和设计方法也发生了革命性的变化。另一方面，新技术也推动了航空科学技术的进步和发展，直升机新概念、新理论、新结构、新的设计原则和设计方法的应用，使得直升机设计趋于复杂化和综合化，单纯的总体设计、气动设计、结构设计、工艺设计的直升机设计概念已不能满足现代直升机研制的要求。第二章直升机设计技术要求和评价直升机设计方案的准则直升机设计的依据：直升机设计技术要求军用直升机：战术技术要求民用直升机：使用技术要求直升机研制必须具有明确的指导思想：正确的研制指导思想应充分考虑有关主客观的条件，工程设计的一般规律，还应反映国家对直升机发展和应用的方针政策，各种用户的要求，以及国内外技术水平和动向等一系列情况，并进行综合分析。错误的研制指导思想常常会将研制工作引入歧途，造成时间、财力和人力的大量浪费。应该把确定正确的指导思想作为研制工作的首要问题来对待，并将其贯彻始终，以求达到预期目的。2.1直升机设计技术要求2.1.1直升机设计技术要求的主要内容：1、直升机的任务使命或用途（1）任务使命或用途（2）使用环境条件2、主要装载情况（1）乘员组（2）人员或货物（3）武器（4）特种设备3．主要飞行性能（1）悬停升限（有地效，无地效）或垂直爬升率（2）使用升限或最大爬率（3）最大平飞速度（4）续航时间或航程（或活动半径）（5）单发停车性能（装有多台发动机的情况）。4．其他要求起落场地，自转着陆，水面起降，抗风抗浪，运输条件，三防，机动性，抗坠毁性，残存性，维护性等等。5、典型任务剖面（表示直升机完成典型任务的飞行航线综合图）图2-1直升机的典型使用曲线T0—在基地起动；T1—带乘员、燃油重直起飞；T2—爬高到巡航高度a；T3—飞行d1距离后降落，装载×吨载荷；T4—垂直起飞；T5—飞行d2距离，无地效悬停、卸载；T6—返回基地；T7—带t分钟余油着陆；技术要求的论证：1.需求（作战、使用），对军用直升机还有威协分析；2.现有装备存在的缺陷或不足；3.技术、经济可行性分析；4.提出战术技术（使用技术）要求；5.做出风险分析；6.明确研制计划与周期。中程通用运输直升机（Medium-rangeUtilityTransport缩写为MUT）一、定义：1、概述2、任务应能完成的任务：基本任务和辅助任务二、特性：1、性能特性（1）基本特性（2）单发停车性能（3）机动性（4）操纵性和稳定性（5）空气动力学特性2.1.2直升机技术要求举例2、设计特性（1）重量（2）结构设计准则3、可靠性4、维护性5、可用率6、环境条件7、残存性和易损性8、使用寿命三、设计与构造：1、材料性质2、残存性3、标准件和材料四、各功能区的特点：1、机体2、起落装置3、动力系统4、仪表和领航设备5、航空电子设备6、直升机地面移动7、货物运输2.1.3特殊要求举例撞击部位撞击次数%旋翼桨叶62052.5旋翼轴161.4尾桨14812.5尾梁211.8风挡玻璃484.0机头534.5起落架282.4机翼20.2其他部位151.3不详23119.5总计1182100表2-2直升机被撞部位统计2.2设计规范、适航条例和设计定型设计规范和适航条例：1、直升机设计规范和适航条例是在直升机设计实践过程中逐步形成的，它是直升机设计和使用实践的积累和总结2、它是设计过程中必须遵循的指令性文件，也是直升机设计定型或适航取证验收的依据3、内容包括设计情况、安全系数、过载、重量、重心、飞行载荷、着陆载荷、强度和刚度、动力学特性、配平特性、操纵性和稳定性、飞行品质、结构试验、飞行试验等4、它是通用性文件，在具体型号设计要适当剪裁，形成型号设计规范，并作为型号验收的依据设计定型与适航审定：1、军用直升机的设计定型由国家组织专门的定型委员会依据研制总要求和设计规范对新机研制全过程进行审查、考核和验收，通过后颁发定型证书；2、民用直升机适航条例（CCAR-27部、CCAR-29部）是民用直升机最低安全标准。民用直升机在适航管理上实施“型号合格证（TC证）、生产许可证（PC证）和单机适航证（AC证）”三证管理，民用直升机只有在该型号获得型号合格证，单机又取得适航证后才能进入民用市场。2.3评价直升机设计方案的有效性准则为了对直升机总体设计方案进行评价和优选，需要有一个评价准则；一般最通用、最普遍或最广义的有效性准则就是这种直升机所完成的有效功与为研制和使用该直升机所花费的总费用之比——效费比。当一个总体方案能满足战术（使用）技术要求时，则认为这个方案是可行的，但它不一定是最优方案。对有效性准则的一般要求：尽可能全面地反映对直升机提出的各种要求；可以进行定量分析；简单明了，易于在研制阶段运用。第一级包括功能有效性准则，生产有效性准则和使用有效性准则。从完成基本任务的有效程度及其技术完善程度出发进行评价的准则是功能有效性准则；从结构工艺性和生产条件出发进行评价的准则是生产有效性准则；从使用品质观点来评价的准则是使用有效性准则。第二级是从经济性观点出发，评价一架直升机在使用时的经济性准则。第三级是从经济学观点来评价一种机型在完成一定国民经济任务时的经济性准则，它是最高一级的准则。通常评价准则分为三个层次（三级）：这种准则一般主要反映三方面的因素：生产率——单位时间内完成的有效工作量；重量减轻程度——一般用直升机总重量，空机重量和有效载荷之间的关系来表示；从耗油量观点来衡量直升机的经济性1、重量效率定义：（2－1）其中:Gtl总载荷，G总重优点：重量效率比较简单，可以相当明确地表示出一架直升机空机重量减轻的程度或结构完善的程度问题：在评价直升机的运输效能时，可能会引起错误GGGGGGGtlem一、功能有效性准则2、生产率定义：（2－2）式中A——完成的工作量；Gci——在i航线上运输的货物重量；Li——在i航线的航程；(Gc)m——运输货物重量的平均值；LΣ——运输货物的总航程；TΣ——完成工作量A所花费的总时间；TLGTLGTAZmCici)(stmtlrfTTTTT飞行生产率（Zf）：式中KV表示平均飞行速度Vm与巡航速度VC之比；单位空重的飞行生产率和单位总重的飞行生产率：优点：比较全面问题：未反映出气动和动力装置的完善程度CVmCmmCfmCffVKGVGTLGTAZ)()(/)(/GZZGZZftfcmfcmf)()(cmfZ)(tfZ)(（2－4）（2－5）3、米里准则当量航程(Leq):式中Gtl——总载荷，为有效载荷；Gu和燃油量Gf之和；VC——直升机巡航速度；qT——小时耗油量；qL——公里耗油量LtlTCtleqqGqVGL图2-5Leq相同的两架直升机的货运量与航程的关系4、换算生产率式中——直升机的升阻比；ξ——功率利用系数；η——旋翼的效率；Cec——巡航状态的单位耗油率；Gm——任务载荷。Z~)82(27.0)27.0/(/)(//)(/)(~2eccmVVeccVmLcVmLtfGCVGKKKKCGVKGGqGVKGGqZZXYK图2-6米-6直升机换算生产率与航程的关系同时考虑了重量、气动力和动力装置的完善程度，以及总重的影响。1、劳动量式中N——该部件中的零件数量；n——零件号；kn——第n个零件的难度系数，kn=1~10；mn——第n个零件所需工种数目；Gn——第n个零件的重量；2、材料利用系数kk=零件重量/毛坯重量它与工艺方法有密切关系，反映了设计师考虑工艺性的程度41nnnNnGmk（2-9）（2-10）二、生产有效性准则技术维护工时比：每飞行小时的技术维护量：设计时应努力改善飞行前、后的维护工作和各种定期修理、更换等工作，降低技术维护劳动量，使反映使用有效性的准则值尽可能降低，从而改善直升机的使用维护性。制造总工时技术维护总工时技术维护工时比飞行小时数技术维护总人时数量＝每飞行小时的技术维护（2-12）（2-11）三、使用有效性准则例如：运输型直升机：成本/（吨·公里）或成本/（旅客·公里）（2-13）半经验统计公式：式中C——成本；Gi——部件重量（或其他特性参数）；F——复杂程度系数；a,b——统计分析所确定的系数；FaGCbi（2-14）四、直升机使用的经济有效性准则主要考虑以下内容：该型号技术发展远景，技术效果和生产率；新机设计、制造和投入使用的周期；工业生产的可能性，技术和生产工艺发展的远景；新机生产规模和劳动量；进一步改进结构后所能达到的水平和发展趋势；结构材料的资源和远景；提供给工业部门的物力和人力的合理使用；技术装备使用条件和新机应用等方面的水平和发展远景；在技术使用范围内物力和人力资源的合理使用等。五、直升机使用的国民经济有效性最终评价要看效费比——直升机的使用效能与该直升机所花费的总费用之比。总费用应是研制