飞机总体设计 课程设计

南京航空航天大学飞机总体设计报告——150座级客机概念设计011110XXXXXX南京航空航天大学1设计要求一、有效载荷–二级布置，150座–每人加行李总重，225lbs二、飞行性能指标–巡航速度：M0.78–飞行高度：35000英尺–航程：2800（nm）–备用油规则：5%任务飞行用油+1,500英尺待机30分钟用油+200海里备降用油。–起飞场长：小于2100（m）–着陆场长：小于1650（m）–进场速度：小于250（km/h）南京航空航天大学2飞机总体布局一、尾翼的数目及其与机翼、机身的相对位置（一）平尾前、后位置与数目的三种形式1．正常式（Conventional)优点：技术成熟，所积累的经验和资料丰富，设计容易成功。缺点：机翼的下洗对尾翼的干扰往往不利，布置不当配平阻力比较大采用情况：现代民航客机均采用此布局，大部分飞机采用的位移布局形式2．鸭式（Canard）优点：1.全机升力系数较大；2.L/D可能较大；3.不易失速缺点：1.为保证飞机纵向稳定性，前翼迎角一般大于机翼迎角；2.前翼应先失速，否则飞机有可能无法控制采用情况：轻型亚音速飞机及军机采用3．无尾式(Tailless)优点：1.结构重量较轻：无水平尾翼的重量。2.气动阻力较小——由于采用大后掠的三角翼，超音速的阻力更小缺点：1.具有稳定性的无尾飞机进行配平时，襟副翼的升力方向向下，引起升力损失2.起飞着陆性能不容易保证采用情况：少量军机采用综上所述，采用正常式尾翼布局（二）水平尾翼高低位置选择(a)上平尾(b)中平尾(c)下平尾(d)高置平尾(e)“T”平尾选择平尾高低位置的原则1.避开机翼尾涡的不利干扰：将平尾布置在机翼翼弦平面上下不超过5％平均气动力弦长的位置，有可能满足大迎角时纵向稳定性的要求。2.避开发动机尾喷流的不利干扰3.有利于结构布置：平尾安装在机身上对减轻结构重量有利考虑角度上平尾中平尾下平尾“T”平尾高置平尾结构重量轻较轻轻重较重现代民航飞机多采用上平尾。综合考虑后，选择上平尾（三）垂尾的位置和数目位置-机身尾部-机翼上部南京航空航天大学3数目单垂尾：多数飞机采用单垂尾，高速飞机加装背鳍和腹鳍双垂尾：1.压力中心的高度显著降低，可以减小由侧力所造成的机身扭矩。2.可显著地降低其侧向的“雷达散射截面”无垂尾：飞翼式布局飞机综上所述，选择单垂尾，上平尾二、机翼的平面形状及其在机身上的安装位置直机翼的特点优点：1.升力线斜率大。2.低速翼剖面的相对厚度比较大，结构布置、强度和刚度以及重量问题易解决。缺点：1.速度快时，机翼尾部易失速2.临界M数小，机翼容易产生激波导致，过早出现波阻后掠翼的特点优点：能有效地提高临界M数，延缓激波的产生，避免过早出现波阻。缺点：1.气动方面：在大后掠角和大梯形比情况下，大迎角时翼尖容易先失速，从而使飞机的稳定性和操纵性变坏。2.对机翼结构布置及其强度、刚度和重量特性的影响不利。三角翼的特点优点：1.具有小展弦比和大后掠角的特点，其跨音速气动特性良好，气动焦点变化较平稳。2.根弦较长，在翼型相对厚度相同情况下，可得到较大的结构高度。3.三角翼的气动、强度、刚度和重量特性均较好。缺点：1.升力线斜率较小，飞行速度较小时需较大的迎角，才能提供足够的升力。2.对于小展弦比大后掠角的三角翼，当迎角较大时，将产生强烈的下洗气流，尾翼布置困难。后掠翼、三角翼与小展弦比机翼的比较机翼在机身上的安装位置因素上单翼中单翼下单翼干扰阻力21*3稳定性123南京航空航天大学4视界123起落架重量3**21结构布置131安装吊舱123现代民航客机采用机翼的平面形状及其在机身上的安装位置飞机型号载客量机翼的平面形状及其在机身上的安装位置737-300130人后掠翼，下单翼737-400140人后掠翼，下单翼737-700134人后掠翼，下单翼737-800164人后掠翼，下单翼737-900170人后掠翼，下单翼747-400410人后掠翼，下单翼757-200180人后掠翼，下单翼767-300230人后掠翼，下单翼777-200350人后掠翼，下单翼777-300280人后掠翼，下单翼A300-600280人后掠翼，下单翼A319120人后掠翼，下单翼A320150人后掠翼，下单翼A321180人后掠翼，下单翼A330-200240人后掠翼，下单翼A330-300301人后掠翼，下单翼A340-300255人后掠翼，下单翼A340-600322人后掠翼，下单翼A380-800520人后掠翼，下单翼对比后选择：后掠翼，下单翼三、发动机（进气道）数目和安装位置发动机数目-单发：操纵简单，附加重量轻，成本低,安全性差-双发（多发）：生存力强安装位置-单发：机身（前、后）-双发：（a）机身尾段（b）机翼下部（c）机翼或尾翼根部（d）短舱翼吊与尾吊布局比较南京航空航天大学5进气道布局头部进气道：1.布置紧凑，机身截面小，进口气流均匀，机炮对进气影响小；2.机头不能装雷达天线或仅装小的雷达天线。两侧进气道：进气道短，内管损失小，机头便于装雷达天线，结构较复杂。短舱式：1.进气道短，不占机身内部空间，对内部布置和结构布置无干扰；2.但要增加额外的阻力。腹部进气道：大仰角进气的性能好，有利于提稿飞机的机动性能。背部进气道：可利用机身或机翼遮挡进气道，有利于提高隐身性能。现代民航客机采用的发动机数目、安装位置和进气道形式飞机型号载客量发动机数目发动机安装位置进气道形式737-300130人2翼吊短舱式737-400140人2翼吊短舱式737-700134人2翼吊短舱式737-800164人2翼吊短舱式737-900170人2翼吊短舱式747-400410人4翼吊短舱式757-200180人2翼吊短舱式767-300230人2翼吊短舱式777-200350人2翼吊短舱式777-300280人2翼吊短舱式A300-600280人2翼吊短舱式A319120人2翼吊短舱式A320150人2翼吊短舱式南京航空航天大学6A321180人2翼吊短舱式A330-200240人2翼吊短舱式A330-300301人2翼吊短舱式A340-300255人4翼吊短舱式A340-600322人4翼吊短舱式A380-800520人4翼吊短舱式对比后选择，在机翼上吊装两台涡轮风扇发动机四、起落架的型式和收放位置后三点优点：1.尾轮小而轻，设计简单；2.可以利用气动阻力提供减速力。缺点：1.着陆时操纵困难；2.起飞和着陆滑跑时不稳定；3.后三点起落架不能用于喷气式飞机。前三点优点：1.适用于着陆速度较大的飞机，在着陆过程中操纵驾驶比较容易。2.具有起飞着陆时滑跑的稳定性。3.飞行员座舱视界的要求较容易满足。4.可使用较强烈的刹车，缩短滑跑距离。缺点：前轮可能出现前轮“摆振”现象现代民航客机起落架的形式和收放位置飞机型号载客量起落架的型式和收放位置后起落架组数起落架收放位置起落架放下737-300130人前三点2机身舱内机翼737-400140人前三点2机身舱内机翼737-700134人前三点2机身舱内机翼737-800164人前三点2机身舱内机翼737-900170人前三点2机身舱内机翼747-400410人前三点4机翼舱内机身舱内机翼及机身757-200180人前三点2机身舱内机翼767-300230人前三点2机身舱内机翼777-200350人前三点4机翼舱内机身舱内机翼及机身777-300280人前三点2机身舱内机翼A300-600280人前三点2机身舱内机翼A319120人前三点2机身舱内机翼A320150人前三点2机身舱内机翼A321180人前三点2机身舱内机翼南京航空航天大学7A330-200240人前三点2机身舱内机翼A330-300301人前三点4机翼舱内机身舱内机翼及机身A340-300255人前三点4机翼舱内机身舱内机翼及机身A340-600322人前三点4机翼舱内机身舱内机翼及机身A380-800520人前三点4机翼舱内机身舱内机翼及机身对比后选择：前三点式起落架，安装在机翼上，收起放在机身舱南京航空航天大学8机身外形的初步设计一、客舱布置根据客机的设计参数,要求设计一架座数位150的客机,客舱可设计成二级布置的单通道形式:头等舱12人3排每排2x2人座椅宽度：28in过道宽度：27in座椅排距：36in经济舱138人23排每排3x3人座椅宽度：20in过道宽度：19in座椅排距：32in客舱布局大概如下：二、客舱剖面形状：圆形——表面面积小，有利于减少摩擦阻力；——宽度：每排座椅：3+320in1：19in高度：149in——考虑到结构要求，将直径和横截面形状适当放大10in得到149in地板高度：91in——根据同类客机的设计，地板高度=客舱高度x61%南京航空航天大学9内舱剖面形状见下图三、机身外形尺寸机身设计的基本要求•装载要求：有足够大的内部容积–民机：乘客、机组、使用项目、行李、货物、系统安装。•气动要求：气动阻力小•结构要求:有利于结构布置–机翼、尾翼安装–•适航要求–应急撤离机身中段设计当量直径D中的确定:D中=DWS+2CSW+2Ttp+2HfwDWS:并排座椅最大宽度（139in）CSW:扶手与侧壁间距Ttp:客舱装饰层厚度Hfw：机身框结构高度南京航空航天大学10参考同类150客机的设计，可得到：D中=216in中机身长度L中的确定：L中=N1×Lls+N2×Lsf+N3×Lbg+N4×LeeN1×Lls:每侧座椅数×座椅排距N2×Lsf:N3×Lbg:每侧登机口数×登机门宽度N4×Lee:每侧应急出口数×应急出口宽度总结计算得到L中=1010in机身前后段设计：（参照同类飞机可得到）L前=220inL后=340in综上可得到机身外形大致如下：当量直径D中：216in前机身长度L前：220in中机身长度L中：1010in后机身长度L后：340in机身总长L：1570in（39.878m）上翘角：14deg南京航空航天大学11确定主要参数一．重量的预估1．根据设计要求：–航程:Range＝2800nm=5185.6km–巡航速度:0.78M–巡航高度:35000ft=10675m；声速:a=576.4kts=296.5m/s2．预估数据（参考统计数据）–耗油率C＝0.6lb/hr/lb=0.0612kg/(h·N)（涵道比为6）–升阻比L/D＝17.63．根据Breguet航程方程：DLMCaRangeWWfinalinitial)ln(代入数据：Range=2800nm；a=576.4Knots(巡航高度35000ft)C=0.6lb/hr/lb(涵道比为6)L/D=17.6M=0.78计算得：237.1finalinitialWW192.0237.111)(11tocruisefuelfinaltocruiseofendtocruisefuelfinalinitial．燃油系数的计算飞行任务剖面图1EngineStartandWarmup001.0/toF1WW2Taxiout001.0/toF2WW3Takeoff002.0/toF3WW4Climb016.0/toF4WW5Cruise192.0/toF5WW6Descent000.0/toF6WW7LandingandTaxiin003.0/toF7WW8ReserveFuel049.0/toF8WW总的燃油系数：264.0049.0003.0000.0192.0016.0002.0001.0001.0tofueltoF8toF7toF5toF4toF3toF2toF1tofuel．根据同类飞机，假设3个最大起飞重量值toW100,000lbs150,000lbs200,000lbsfuelW26,400lbs39,600lbs52,800lbspayloadW33,750lbs33,