上海交通大学：《飞机设计 Aircraft Design》课程教学资源_Project Report_Project Report_2013Group 3 - 民用倾转旋翼机设计.pdf_大学文库

【飞行器设计】课程大作业报告：民用倾转旋翼机设计 I 目录第一章设计背景...................................................................................................................1 1.1 倾转旋翼机的概念...................................................................................................1 1.2 倾转旋翼机的特点...................................................................................................2 1.3 研究现状...................................................................................................................2 1.3.1 美军 V-22“鱼鹰”倾转旋翼机......................................................................2 1.3.2 BA609 ...............................................................................................................3 1.3.3 欧洲倾转旋翼机...............................................................................................4 第二章设计目标的确定.......................................................................................................6 2.1 初步市场分析...........................................................................................................6 2.2 设计目标...................................................................................................................6 2.2.1 搭载人数...........................................................................................................6 2.2.2 航程确定...........................................................................................................7 2.3 设计原则...................................................................................................................7 2.4 设计命名...................................................................................................................8 第三章设计总体布局...........................................................................................................9 3.1 机翼布局.................................................................................................................10 3.1.1 机翼与机身的相对安装位置.........................................................................10 3.1.2 机翼的平面形状.............................................................................................10 3.2 机身设计.................................................................................................................11 3.2.1 机身截面设计.................................................................................................12 3.2.2 机身长度估计.................................................................................................15 3.2.3 长细比验证.....................................................................................................15 3.3 起落架设计.............................................................................................................15 3.4 尾翼布局.................................................................................................................15 第四章总体参数计算.........................................................................................................16 4.1 初始重量估算.........................................................................................................16 4.1.1 人员重量.........................................................................................................16 4.1.2 燃油系数.........................................................................................................16 4.1.3 重量系数.........................................................................................................17 4.1.4 最大起飞重量的估算.....................................................................................17 4.1.5 验证结果合理性.............................................................................................17 4.2 推重比与机翼载荷.................................................................................................18 4.2.1 推重比.............................................................................................................18 4.2.2 机翼载荷.........................................................................................................18 第五章气动设计及计算.....................................................................................................20 5.1 机翼平面形状细节设计.........................................................................................20 5.2 翼型的选取.............................................................................................................22 5.3 利用民航飞机的气动计算公式求全机的升、阻力.............................................24 5.3.1 全机升力.........................................................................................................24

【飞行器设计】课程大作业报告：民用倾转旋翼机设计 II 5.3.2 机翼阻力.........................................................................................................25 5.3.3 机身阻力.........................................................................................................25 5.3.4 全机阻力.........................................................................................................26 5.4 利用参考机型的实际数据估计“翠鸟”的阻力.................................................26 5.5 小结.........................................................................................................................26 第六章螺旋桨与发动机的选取.........................................................................................28 6.1 螺旋桨叶素模型.....................................................................................................28 6.1.1 螺旋桨叶素的速度分析.................................................................................28 6.1.2 螺旋桨叶素的力分析.....................................................................................29 6.1.3 螺旋桨叶素的功率与效率.............................................................................30 6.1.4 整个螺旋桨的受力、功率和效率.................................................................31 6.2 螺旋桨的选取.........................................................................................................32 6.2.1 螺旋桨翼型的选取.........................................................................................32 6.2.2 螺旋桨半径和转速的选取（周向速度的选取）.........................................34 6.2.3 螺旋桨桨叶安装角及 75%半径处弦长的选取.............................................34 6.2.4 选定螺旋桨的验证.........................................................................................34 6.3 发动机的选取.........................................................................................................34 第七章重量的精确估算与重心估算.................................................................................36 7.1 设计飞机的重量的精确估算.................................................................................36 7.1.1 机身重量.........................................................................................................36 7.1.2 燃油重量.........................................................................................................37 7.1.3 机翼重量.........................................................................................................37 7.1.4 尾翼重量.........................................................................................................37 7.1.5 起落架重量.....................................................................................................37 7.1.6 控制面重量.....................................................................................................37 7.1.7 动力系统.........................................................................................................37 7.1.8 固定设备.........................................................................................................38 7.1.9 旋翼系统.........................................................................................................38 7.1.10 综合.................................................................................................................38 7.2 重心位置的估算.....................................................................................................39 第八章飞行任务包线及飞行性能.....................................................................................41 8.1 飞行任务包线.........................................................................................................41 8.2 飞机的起飞状态.....................................................................................................41 8.3 飞机的爬升性能.....................................................................................................42 8.4 飞机的巡航性能.....................................................................................................42 8.4.1 飞行包线.........................................................................................................42 8.4.2 航程-载客量关系 ...........................................................................................44 8.4.3 航程比较.........................................................................................................45 第九章经济性分析.............................................................................................................46 9.1 直接使用成本 DOC 的计算 ..................................................................................46 9.1.1 飞机价格.........................................................................................................47 9.1.2 飞机折旧成本.................................................................................................48 9.1.3 飞机保险费.....................................................................................................48 9.1.4 机组成本.........................................................................................................48

【飞行器设计】课程大作业报告：民用倾转旋翼机设计 III 9.1.5 航路费.............................................................................................................48 9.1.6 维修成本.........................................................................................................49 9.1.7 餐食成本.........................................................................................................49 9.1.8 机场服务费.....................................................................................................49 9.1.9 燃油成本.........................................................................................................50 9.2 非直接使用成本 IOC 的计算................................................................................50 9.3 总成本以及票价的确定.........................................................................................50 9.4 对飞机价格及票价的分析：.................................................................................50 参考文献.........................................................................................................................................52 附录一：全文图表索引.................................................................................................................53 表格索引.................................................................................................................................53 图片索引.................................................................................................................................53 附录二：本课程大作业报告附件列表.........................................................................................55 附录三：本小组成员分工明细表.................................................................................................56 致谢 ................................................................................................................................................57

上濟文通大￥ SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 【飞行器设计】课程大作业报告：民用倾转旋翼机设计 1.2倾转旋翼机的特点倾转旋翼机主要有一下五个特点，分别为： (1)速度快一般直升机因受到旋翼前行桨叶激波失速和后行桨叶气流分离的限制，其最大速度超过 360km/h、巡航速度超过300km/h的不多。而倾转旋翼机的巡航速度可以达到更高的值，例如美军的V-22“鱼鹰”倾转旋翼机巡航速度为509km/h,最大速度可达650km/h。 (2)噪声小倾转旋翼机因巡航时一般以固定翼飞机的方式飞行，因此噪声比直升机小得多，并且在 150m高度悬停时，其噪声只有80dB,仅相当于30m外卡车发出的噪声。 (3)航程远如V-22的作战距离大于1850km,若再加满两个转场油箱，航程可达3890km。如果进行空中加油，该机能从美国本土直飞欧洲，而直升机的航程很少超过1000km。 (4)载重量大 V-22倾转旋翼机的悬停重量达21800kg。 (5)耗油率低倾转旋翼机在巡航飞行时，因机翼可产生升力，旋翼螺旋桨转速较低，基本上相当于两副螺旋桨，所以耗油率比直升机低。倒 1.3研究现状 1.3.1美军V-22“鱼鹰”倾转旋翼机 1983年4月26日，贝尔/波音直升机公司与美国海军航空系统司令部签订了一项为期 24个月的合同，对V-22进行初步设计。1985年1月正式将这种旋翼机命名为V-22“鱼鹰”。 1986年5月2日，美国海军航空系统司令部又与贝尔和波音直升机公司签订了合同。这个合同是V-22旋翼机为期7年的全尺寸研制(FSD)总合同的第一期合同。合同要求制造6 架试飞原型机，以及用于静力试验、地面试验和疲劳试验的机体。1989年3月19日完成首次试飞，同年9月14日完成首次由直升机状态向定翼机状态过渡的飞行转换。1990年4月美国政府开始对“鱼鹰”进行试验，其中包括三军试飞员15个小时的飞行试验。1990年12 月47日，在美海军“大黄蜂”号航空母舰上进行了海上试飞，其中包括3号机的起飞和着舰试飞，以及4号机的设备和功能试飞。到1990年底已完成起飞着陆转换试飞、机翼失速试飞、单发试飞以及飞行速度高达647千米/小时的试飞。同年获得美国国家航空协会颁发第2页共57页

【飞行器设计】课程大作业报告：民用倾转旋翼机设计第 2 页共 57 页 1.2 倾转旋翼机的特点倾转旋翼机主要有一下五个特点，分别为：（1）速度快一般直升机因受到旋翼前行桨叶激波失速和后行桨叶气流分离的限制，其最大速度超过 360 km/h、巡航速度超过 300 km/h 的不多。而倾转旋翼机的巡航速度可以达到更高的值，例如美军的 V-22“鱼鹰”倾转旋翼机巡航速度为 509 km/h，最大速度可达 650 km/h。（2）噪声小倾转旋翼机因巡航时一般以固定翼飞机的方式飞行，因此噪声比直升机小得多，并且在 150 m 高度悬停时，其噪声只有 80 dB，仅相当于 30 m 外卡车发出的噪声。（3）航程远如 V-22 的作战距离大于 1850km，若再加满两个转场油箱，航程可达 3890km。如果进行空中加油，该机能从美国本土直飞欧洲，而直升机的航程很少超过 1000 km。（4）载重量大 V-22 倾转旋翼机的悬停重量达 21800 kg。（5）耗油率低倾转旋翼机在巡航飞行时，因机翼可产生升力，旋翼螺旋桨转速较低，基本上相当于两副螺旋桨，所以耗油率比直升机低。[3] 1.3 研究现状 1.3.1 美军 V-22“鱼鹰”倾转旋翼机 1983 年 4 月 26 日，贝尔/波音直升机公司与美国海军航空系统司令部签订了一项为期 24 个月的合同，对 V-22 进行初步设计。1985 年 1 月正式将这种旋翼机命名为 V-22“鱼鹰”。 1986 年 5 月 2 日，美国海军航空系统司令部又与贝尔和波音直升机公司签订了合同。这个合同是 V-22 旋翼机为期 7 年的全尺寸研制（FSD）总合同的第一期合同。合同要求制造 6 架试飞原型机，以及用于静力试验、地面试验和疲劳试验的机体。1989 年 3 月 19 日完成首次试飞，同年 9 月 14 日完成首次由直升机状态向定翼机状态过渡的飞行转换。1990 年 4 月美国政府开始对“鱼鹰”进行试验，其中包括三军试飞员 15 个小时的飞行试验。1990 年 12 月 4~7 日，在美海军“大黄蜂”号航空母舰上进行了海上试飞，其中包括 3 号机的起飞和着舰试飞，以及 4 号机的设备和功能试飞。到 1990 年底已完成起飞着陆转换试飞、机翼失速试飞、单发试飞以及飞行速度高达 647 千米/小时的试飞。同年获得美国国家航空协会颁发

上濟通大￥ SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 【飞行器设计】课程大作业报告：民用倾转旋翼机设计的“航空重大进步奖”。1992年7月在V-22总计飞行643个起落763小时后，由于4号机在试飞中发动机舱起火后坠毁而造成临时停飞。1993年，2号和3号机又重新试飞，并且改进了防火墙、发动机舱、放泄口及驱动轴的防热层。1981年，美国在XV-15的基础上研制成功了实用型倾转旋翼机，1985年1月它被正式命名为V22“鱼鹰”。图2“V-22”鱼鹰倾转旋翼机（引自参考文献2） V-22的旋翼螺桨直径为11.61m,翼展（包括发动机短舱）为14.02m、机宽（旋翼螺桨旋转)25.76m、全长19.2m、机高（至垂尾顶）5.46m:空重15032kg、最大垂直起飞重量23446kg、最大短距起飞重量（自转场）27442kg:最大平飞速度（海平面）为509km/h、实用升限为7925m、两栖突击航程达953km。完成全尺寸研制的费用为27.5亿美元(1991 年币值)，单机价格约为3230万美元(1997年币值)。目前V-22有4个军用型别，分别供海陆空和海军陆战队使用。) 1.3.2BA609 1996年2月，贝尔直升机公司和波音直升机公司透露在合作研制军用型V-22倾转旋翼机的基础上还在研制6350kg重量级的双发9座民用型倾转旋翼机，命名为D-600。 1996年11月宣布建立联合风险投资机制来设计、研制、取证和开拓该型民用倾转旋翼机的市场。1998年3月1日，波音公司退出该项目。1998年9月宣布贝尔直升机公司和意大利阿古斯塔公司联合继续开发民用型倾转旋翼机，其编号为BA609。阿古斯塔公司负责 BA609的装配与在欧洲和美国以外其他地区的销售。 BA609于1997年5月完成初步设计审查，1997年8月开始制造原型机的零件。1997 年6月在巴黎航展上展出了BA609的全尺寸模型。2002年12月6日开始地面开车试验。 2003年3月7日原型机（编号N609TR)仅以垂直飞行方式进行了首飞。由于V-22“鱼鹰” 第3页共57页

【飞行器设计】课程大作业报告：民用倾转旋翼机设计第 3 页共 57 页的“航空重大进步奖”。1992 年 7 月在 V-22 总计飞行 643 个起落 763 小时后，由于 4 号机在试飞中发动机舱起火后坠毁而造成临时停飞。1993 年，2 号和 3 号机又重新试飞，并且改进了防火墙、发动机舱、放泄口及驱动轴的防热层。1981 年，美国在 XV-15 的基础上研制成功了实用型倾转旋翼机，1985 年 1 月它被正式命名为 V 22“鱼鹰”。图 2 “V-22”鱼鹰倾转旋翼机（引自参考文献[2]） V-22 的旋翼螺桨直径为 11.61 m，翼展（包括发动机短舱）为 14. 02 m、机宽（旋翼螺桨旋转）25.76m、全长 19.2m、机高（至垂尾顶）5.46m；空重 15032 kg、最大垂直起飞重量 23446 kg、最大短距起飞重量（自转场）27442 kg；最大平飞速度（海平面）为 509km/h、实用升限为 7925m、两栖突击航程达 953km。完成全尺寸研制的费用为 27.5 亿美元（1991 年币值），单机价格约为 3230 万美元（1997 年币值）。目前 V - 22 有 4 个军用型别，分别供海陆空和海军陆战队使用。[3] 1.3.2 BA609 1996 年 2 月，贝尔直升机公司和波音直升机公司透露在合作研制军用型 V-22 倾转旋翼机的基础上还在研制 6350 kg 重量级的双发 9 座民用型倾转旋翼机，命名为 D-600。 1996 年 11 月宣布建立联合风险投资机制来设计、研制、取证和开拓该型民用倾转旋翼机的市场。1998 年 3 月 1 日，波音公司退出该项目。1998 年 9 月宣布贝尔直升机公司和意大利阿古斯塔公司联合继续开发民用型倾转旋翼机，其编号为 BA609。阿古斯塔公司负责 BA609 的装配与在欧洲和美国以外其他地区的销售。 BA609 于 1997 年 5 月完成初步设计审查，1997 年 8 月开始制造原型机的零件。1997 年 6 月在巴黎航展上展出了 BA609 的全尺寸模型。2002 年 12 月 6 日开始地面开车试验。 2003 年 3 月 7 日原型机（编号 N609TR）仅以垂直飞行方式进行了首飞。由于 V-22“鱼鹰

上濟通大￥ SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 【飞行器设计】课程大作业报告：民用倾转旋翼机设计计划的推迟，2002年4月决定放慢BA609的研制与取证步伐，并从新调整了进度计划。正在为36个月的飞行试验计划制造4架原型机，预定在2007年1月按美国联邦航空局条例 FAR Pt25(固定翼机)和Pt29(直升机)以及P21.17(b)特种条件取得合格证。该机能进行单飞行员仪表飞行条件飞行。第1架原型机主要用于扩展飞行包线，第2~4架原型机分别用于系统合格试验、航空电子设备与结冰验证和可靠性试验。 BA609的单价为800~1000万美元。最大起飞重量为7620kg,最大巡航速度为509km/h, 实用升限为7620m,航程（在2500kg载荷、463m/h速度条件下）为1400km。至2003年 3月止已有18个国家40个用户总计订购了70架BA609。据预测，在未来20年BA609将有600~700架的市场需求。) 图3BA609倾转旋翼机（引自参考文献1） 1.3.3欧洲倾转旋翼机 1987年初，欧洲委员会资助了名为“尤洛法”(EuroFAR)的倾转旋翼运输机的可行性与方案论证研究。欧直公司希望在1998年10月宣布的一项研究计划中能够利用上述的基础工作，为此寻找其他的欧洲合作伙伴。欧直公司设想了一种19~20座、最大起飞重量为 25000kg的倾转旋翼机，预计在2015年前后投人使用。1999年初，在法国国防部的资助下进行了倾转旋翼机军用潜力的研究。 1999年，9个欧洲国家的33家公司与欧直公司联合开始为总重为10000kg,12~19座暂时命名“尤洛泰特”(Eurotilt)的倾转旋翼机制造试验台、原打算在2004~2005年间飞行原型机，2008年投人使用。巡航速度556km/h、航程1481km和实用升限7620m。研制费用估计10.5亿美元。与此同时，1999年7月意大利阿古斯塔公司宣布了一种10吨级20座名为尤利卡”(Eica) 的倾转旋翼机，并向欧洲第5届框架研究计划寻求9000欧元经费以制造一架地面试验机。第4页共57页

【飞行器设计】课程大作业报告：民用倾转旋翼机设计第 4 页共 57 页计划的推迟，2002 年 4 月决定放慢 BA609 的研制与取证步伐，并从新调整了进度计划。正在为 36 个月的飞行试验计划制造 4 架原型机，预定在 2007 年 1 月按美国联邦航空局条例 FAR Pt 25（固定翼机）和 Pt29（直升机）以及 Pt21. 17（b）特种条件取得合格证。该机能进行单飞行员仪表飞行条件飞行。第 1 架原型机主要用于扩展飞行包线，第 2~4 架原型机分别用于系统合格试验、航空电子设备与结冰验证和可靠性试验。 BA609 的单价为 800~1 000 万美元。最大起飞重量为 7620 kg，最大巡航速度为 509 km/h，实用升限为 7620m，航程（在 2500kg 载荷、463km/h 速度条件下）为 1400 km。至 2003 年 3 月止已有 18 个国家 40 个用户总计订购了 70 架 BA609。据预测，在未来 20 年 BA609 将有 600~700 架的市场需求。[3] 图 3 BA609 倾转旋翼机（引自参考文献[1]） 1.3.3 欧洲倾转旋翼机 1987 年初，欧洲委员会资助了名为“尤洛法”（EuroFAR）的倾转旋翼运输机的可行性与方案论证研究。欧直公司希望在 1998 年 10 月宣布的一项研究计划中能够利用上述的基础工作，为此寻找其他的欧洲合作伙伴。欧直公司设想了一种 19~20 座、最大起飞重量为 25000kg 的倾转旋翼机，预计在 2015 年前后投人使用。1999 年初，在法国国防部的资助下进行了倾转旋翼机军用潜力的研究。 1999 年，9 个欧洲国家的 33 家公司与欧直公司联合开始为总重为 10000kg，12~19 座暂时命名“尤洛泰特”（ Eurotilt）的倾转旋翼机制造试验台、原打算在 2004~2005 年间飞行原型机，2008 年投人使用。巡航速度 556km/h、航程 1481km 和实用升限 7620m。研制费用估计 10. 5 亿美元。与此同时，1999年7月意大利阿古斯塔公司宣布了一种10吨级20座名为“尤利卡”（Erica）的倾转旋翼机，并向欧洲第 5 届框架研究计划寻求 9000 欧元经费以制造一架地面试验机