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機體設(shè)計論文:機體概念設(shè)計流程論述范文

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機體設(shè)計論文:機體概念設(shè)計流程論述

作者:王躍單位:上海飛機設(shè)計研究院

起落架接地點參數(shù)設(shè)計

起落架接地點的設(shè)計要根據(jù)飛機的重量、重心包線、幾何外形、執(zhí)行任務(wù)等來確定。在給定輸入條件后,要使得接地點的設(shè)計滿足飛機結(jié)構(gòu)、漂浮特性和使用特性的需求。

1起落架布局形式

現(xiàn)代民用航空運輸飛機大多選用“前三點”式起落架布局形式。與“后三點”式起落架布局形式相比,這種布局形式可以使得飛機在地面狀態(tài)時,客艙基本呈水平狀態(tài),有利于改善駕駛員視界,減小起飛滑跑初期的高阻力。由于主起落架在飛機重心之后,飛機在剎車、地面操縱時具有很好的穩(wěn)定性,同時在飛機著陸時,主起落架會產(chǎn)生一個使飛機低頭的力矩,幫助飛機減小著陸攻角,有利于減小著陸場長。該種布局的缺點主要集中在主起落架接地點的選取,即如何處理好在最大限度滿足各種使用特性的前起下,使得主起落架在收藏空間、結(jié)構(gòu)形式上合理、可行。

2起落架接地點參數(shù)設(shè)計

起落架接地點的設(shè)計原則是在滿足飛機使用安全性的前提下,依據(jù)飛機的重量重心、幾何外形等特征參數(shù),最大限度地滿足飛機在滑跑、起飛和著陸階段的使用要求。同時,還要考慮飛機系列化發(fā)展的需求。

2.1主起落架縱向接地點設(shè)計

(1)飛機起降特性限制

主起落架縱向接地點參數(shù)包含接地點的縱向站位(用%MAC表示)和接地點距飛機客艙地板高度的距離。其參數(shù)的選取主要受到飛機起降所需求的迎角θ的限制。為了滿足飛機的正常起降要求,飛機的起飛迎角要求不小于飛機的著陸迎角,對于干線飛機,一般在8°~10°。同時,要重點考慮飛機單發(fā)起飛時的極限迎角需求,一般是在正常起飛迎角的基礎(chǔ)上增加1°左右。

在初始設(shè)計階段,如果有足夠的數(shù)據(jù)支持,也可以通過計算分析的手段,將飛機騰空時的迎角θLOF作為輸入條件,其計算公式如下:其中,αLOF為正常起飛時預(yù)期的最大迎角,VLOF為正常騰空時空速,CLLOF為對應(yīng)VLOF的升力系數(shù),為升力線斜率。l1和l2參數(shù)如圖2所示,分別表示主起落架全伸長狀態(tài)接地點與飛機尾擦點連線與停機狀態(tài)地面線相交的兩段線長度。對于干線客機,飛機抬頭率一般取4°/s。此外,還需要考慮飛機系列化發(fā)展的需求,給系列化家族中的加長型飛機在起落架布置上留有必要的空間。對于干線客機,基本型飛機最終確定的起降迎角一般是在其起降需用迎角的基礎(chǔ)上增加2°~4°,要視客艙增加長度和機身后體修行的具體情況進行分析確定。

(2)飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計限制

現(xiàn)代民用運輸機大多采用高氣動效率的超臨界機翼,其外形的一個顯著特點是后緣部分收縮劇烈,這就給下單翼布局形式飛機的主起落架收藏帶來了較大的空間限制。另外,采用較后的主起落架接地點,可能會出現(xiàn)主起落架的轉(zhuǎn)軸較長,主支柱后傾角較大,主起落架轉(zhuǎn)軸偏角較大等設(shè)計情況,這些都會造成主起落架重量和壽命上的損失。所以在設(shè)計之初,要依據(jù)飛機的結(jié)構(gòu)特點,主起落架的接地點不能過于靠后。

(3)翼下吊大涵道比發(fā)動機限制

現(xiàn)代民機的另外一個特點就是普遍采用油耗小、噪聲小的大涵道比噴氣發(fā)動機,而隨著民航業(yè)環(huán)保、節(jié)能要求的提高,發(fā)動機會采用更大的涵道比,其對應(yīng)的短艙直徑也有較大增加。目前下一代新研發(fā)的發(fā)動機涵道比已經(jīng)增大到12左右。為了滿足短艙與地面的間隙要求,就需要起落架有一定的長度來支撐飛機。對于翼吊布局的飛機,其短艙與地面的最小間隙為458mm(18in)。

(4)地面維修高度限制

飛機機體表面設(shè)有許多檢查、維護口蓋,根據(jù)機場現(xiàn)有的維修程序和維修設(shè)備的需要,同時考慮人機工效學(xué),需要對飛機的高度有一定的限制。

(5)主起落架縱向接地點參數(shù)選取限制

基于上述分析,可以繪出主起落架縱向接地點參數(shù)選取區(qū)域限制圖,如圖3所示。對于采用放寬靜穩(wěn)定技術(shù)的飛機,其重心后限位置較后,在考慮加長型發(fā)展空間的基礎(chǔ)上,基本型飛機不可能在狹小的參數(shù)選擇區(qū)域內(nèi)選取到防倒立角大于飛機擦地角的主起落架縱向接地點位置,這也是現(xiàn)代民機主起落架布局設(shè)計的一大特點。在可選域的參數(shù)選取中,要考慮在最嚴(yán)重的重量、重心組合的情況下,使得選取參數(shù)對應(yīng)的飛機防倒立角能盡可能的比飛機運營過程中起降的最大迎角θ大。

2.2主起落架橫向接地點設(shè)計

主起落架橫向接地點即表示飛機的主輪距(用%SPAN表示),其參數(shù)的選取也受到多重因素的制約,如圖4所示。

(1)主起落架收藏空間的限制

在選取主起落架縱向接地點參數(shù)后,就需要開展主起落架橫向接地點的設(shè)計,即在飛機上進行合理的空間布置,滿足主起落架對收藏空間的需求。

在起落架收藏的概念設(shè)計中,需要考慮輪胎的膨脹、膨脹輪胎與收藏路徑上各種結(jié)構(gòu)件的間隙等影響主起落架收藏的主要因素。輪胎主要考慮充氣膨脹間隙和由轉(zhuǎn)動引起的形變間隙,在名義輪胎尺寸的基礎(chǔ)上,加上這兩部分間隙變化尺寸,構(gòu)成起落架收藏設(shè)計中的“協(xié)調(diào)用輪胎”尺寸。由于“協(xié)調(diào)輪胎”所考慮的膨脹和轉(zhuǎn)動形變間隙均為最小間隙,加之飛機后繼機對特殊機場適應(yīng)性要求的需要,因此對于“協(xié)調(diào)用輪胎”在徑向方向與收藏路徑上各種結(jié)構(gòu)件的間隙就需要留有足夠的空間。

(2)主起落架轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)布置空間限制

主起落架的展向位置設(shè)計被限制在機翼后部由后梁和襟翼輔助梁所形成的“三角區(qū)”,如見圖5所示,主起落架過分的沿展向靠外布置,會過分擠壓起落架轉(zhuǎn)軸的布置空間,給起落架轉(zhuǎn)軸設(shè)計增大難度。其具體限制條件可依據(jù)機翼后梁走向、機翼kink位置、主起落架接頭形式、襟翼艙布置空間、管線布置空間需求等確定,見圖4中條目2。

(3)側(cè)風(fēng)與單發(fā)著陸限制

飛機在側(cè)風(fēng)或單發(fā)著陸的過程中,會帶有一定的滾轉(zhuǎn)角Φ,一般在5°~8°。在主起落架橫向接地點位置選取時,就需要考慮由于飛機帶滾轉(zhuǎn)角著陸,發(fā)動機短艙與地面之間的最小安全間隙,一般要大于152.4mm(6in),見圖4中條目3。

(4)機場使用限制

飛機機場適應(yīng)性所包含的內(nèi)容很廣,其中有一條是根據(jù)機場的不同分類對飛機的幾何參數(shù)進行限制,具體限制如表1所示。

2.3前起落架接地點設(shè)計

(1)操縱穩(wěn)定性限制

前起落架和主起落架的接地點構(gòu)成一個平面,有效地支撐住飛機的重量,當(dāng)飛機的重心及主起接地點確定后,需要合理的選取前起落架接地點的位置,以確保飛機在側(cè)風(fēng)及地面轉(zhuǎn)彎時的穩(wěn)定性,一般用側(cè)翻角Ψ表示,如圖5所示。對于民用飛機,該角度不應(yīng)大于63°。

(2)載荷分配限制

合理地選取前起落架的接地點位置,能較好地分配起落架所承受的載荷。一般情況下,前起落架的載荷系數(shù)為8%~15%,見圖5。當(dāng)前起落架接地點過于靠前,前起落架的載荷較小,會使得飛機在小重量狀態(tài)下,前輪喪失部分或全部操縱性。相反,當(dāng)前起落架接地點過于靠后,前起落架的靜態(tài)載荷較大,在剎車產(chǎn)生的附加載荷作用下,很可能超過前起落架的設(shè)計強度。因此,需要合理地安排前起落架接地點的位置。

(3)結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮

起落架上的載荷需要傳到飛機機身,為了減少飛機重量,需要使載荷的傳力路徑最短,最合理的方式是在靠近加強框的位置進行布置。

(4)飛機停機角設(shè)計考慮

由于飛機在停機時其重量、重心會有不同的組合,因此飛機的停機角是一個范圍,目前民用飛機的停機角范圍是-1°~1°。可以根據(jù)停機時客艙地板水平或是有輕微低頭的需要來選擇前起落架的長度。

飛機地面180°轉(zhuǎn)彎檢查

飛機起落架接地點確定后,在地面操縱時,除了要滿足之前所述的安全性、穩(wěn)定性和操縱性要求之外,還需要滿足在預(yù)期的最低運營機場跑道寬度的條件下,實現(xiàn)飛機180°轉(zhuǎn)彎的要求,如圖6所示。對于超大型民用客機,會對飛機的接地點設(shè)計產(chǎn)生一定的影響。ICAO附件14卷Ⅰ中機場跑道寬度要求和起落架距跑道邊界安全間隙要求分別見表2和表3。式中,b表示飛機的前主輪距,t表示飛機的主輪距,β表示飛機前起落架的轉(zhuǎn)彎操縱角,s1表示主起落架圖6飛機地面180°度轉(zhuǎn)彎外側(cè)雙輪間距,s2表示前起落架外側(cè)雙輪間距。

當(dāng)選定最低跑道寬度和對應(yīng)的安全間隙后,根據(jù)公式(2)計算出前起落架轉(zhuǎn)彎操縱角β。一般情況下,還需要考慮輪胎的側(cè)滑現(xiàn)象,即在求出的前起落架轉(zhuǎn)彎操縱角β上加3°~5°,該值以不大于45°為宜。

結(jié)論

本文針對現(xiàn)代民機設(shè)計特點,在充分吸收和借鑒傳統(tǒng)飛機概念設(shè)計階段起落架設(shè)計方法的基礎(chǔ)上,從工程應(yīng)用角度出發(fā),提出一套現(xiàn)代民機概念設(shè)計階段起落架接地點設(shè)計流程及方法。同時,將影響起落架接地點設(shè)計的適航安全、性能、結(jié)構(gòu)、空間布置、運營等限制因素按照設(shè)計流程進行歸類,明晰限制因素對設(shè)計產(chǎn)生的影響。

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