上海交通大学：《飞机设计 Aircraft Design》课程教学资源_Project Report_Project Report_2013Group 5

飞行器设计课程设计报告目录第一章市场调研..................................................................................................... 1 1.1 超音速客机市场调研.................................................................................. 1 1.2 设计任务.................................................................................................... 3 第二章超音速客机总体参数初步设计..................................................................... 4 2.1 飞行任务剖面............................................................................................. 4 2.2 飞机重量初始估计...................................................................................... 4 2.2.1 飞机有效载荷 WPL 的确定............................................................... 5 2.2.2 空机重量系数 ME 的确定.................................................................. 5 2.2.3 升阻比 L/D 初步估算........................................................................ 7 2.2.4 耗油率的选取................................................................................... 8 2.2.5 燃油重量系数 MF 的确定.................................................................. 9 2.2.6 最大起飞重量的估算........................................................................11 2.3 翼载和推重比选取.....................................................................................11 2.3.1 着陆距离限制..................................................................................11 2.3.2 起飞距离限制................................................................................. 12 2.3.3 巡航条件限制................................................................................. 12 2.3.4 绘制推重比和翼载的限制曲线......................................................... 13 第三章飞行器布局的初步确定.............................................................................. 14 3.1 机翼的初步设计....................................................................................... 14 3.2 鸭翼的初步设计....................................................................................... 16 3.3 增升装置和副翼的设计............................................................................. 16 3.4 垂尾的设计.............................................................................................. 17 3.5 机身设计.................................................................................................. 18 3.6 超音速飞机客舱布局设计......................................................................... 19 3.7 起落架系统设计....................................................................................... 20 3.8 飞机总体设计以及三视图......................................................................... 21

飞行器设计课程设计报告 4.1 部件重量估算算法.................................................................................... 22 4.2 各个部件重量估....................................................................................... 22 4.2.1 机身............................................................................................... 22 4.2.2 机翼............................................................................................... 22 4.2.3 尾翼、鸭翼..................................................................................... 23 4.2.4 起落架............................................................................................ 24 4.2.5 固定设备........................................................................................ 24 4.2.6 运营设备........................................................................................ 24 4.2.7 控制面............................................................................................ 24 4.2.8 推力系统重量................................................................................. 24 4.2.9 发动机短舱..................................................................................... 25 4.3 详细重量计算........................................................................................... 25 第五章详细气动性能估算..................................................................................... 27 5.1 升力估算.................................................................................................. 27 5.2 阻力估算.................................................................................................. 27 第六章发动机的选取............................................................................................ 30 6.1 变循环发动机发展历史............................................................................. 30 6.2 变循环发动机工作机理............................................................................. 30 6.3 发动机参数推算....................................................................................... 31 6.4 过渡态模拟过程....................................................................................... 34 第七章飞机性能估计............................................................................................ 36 7.1 起飞参数的选定....................................................................................... 36 7.2 起飞距离.................................................................................................. 36 7.2 降落距离计算........................................................................................... 38 7.3 平飞性能.................................................................................................. 40 7.4 爬升性能.................................................................................................. 42 第八章稳定性分析............................................................................................... 43 8.1 重心估算.................................................................................................. 43 8.1.1 机翼重心的计算.............................................................................. 43

飞行器设计课程设计报告 8.1.2 其他部件重心的计算....................................................................... 44 8.2 重心、重量分布表.................................................................................... 45 8.3 重心包线的绘制....................................................................................... 45 由图 8.2，我们可以发现，随燃油消耗的变化，重心位置始终在气动中心的前方，这保证了飞机具有良好的静稳定性。第九章经济性计算................................................... 46 9.1 直接运营成本........................................................................................... 48 9.1.1 所有权成本..................................................................................... 48 9.1.2 机组成本(CWP).............................................................................. 50 9.1.3 燃油费用(CRY)............................................................................... 50 9.1.4 服务费(CJC) ................................................................................... 51 9.1.5 维护成本 CM.................................................................................. 52 9.2 间接使用成本（IOC）.............................................................................. 52 9.3 总成本以及票价的确定............................................................................. 53 第十章超音速飞机噪音问题................................................................................. 54 10.1 机体降噪................................................................................................ 54 10.2 推进系统降噪......................................................................................... 55 参考文献................................................................................................................. 56 辞谢........................................................................................................................ 57 附表：组员分工表................................................................................................... 58

上浒充夏大￥飞行器设计课程设计报告 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 第一章市场调研自“协和”号超音速客机于2003年退役后，超音速客机市场出现空缺。曾经2000年的 “协和”号超音速客机严重事故并没有阻止人类超音速旅行之梦。随着航空工业技术的进一步发展，现如今各类更加先进超音速客机的设计方案重新被提出来，以争取将来富有很大潜力的超音速客机市场的蛋糕。 1.1超音速客机市场调研超音速喷气式客机优势显而易见，其高速性赢得很多客户的青睐。更远距离的旅行需求更短的时间，任何时候都是一部分特殊人群所强烈渴望的。据相关数据显示，当前部分航空公司所提出的的几类超音速客机方案刚推出就赢得了大量的订单，发展前景良好，例如英国的A2,美国的Lynx supersonic超音速客机，Aerion超音速客机方案以及2005年6月日本和法国就共同开发新一代超音速客机达成协议。除空客、波音外，全球许多飞机制造商都对第二代超音速飞机有所规划，预计到2025 年时，超音速客机市场将迎来高速增长的全盛时期，而到2050年，搭乘超音速航班的旅客将占所有航班乘客的10%至20%，届时在全世界开通的此类航线可能将多达数百条。但是，超音速客机存在的障碍也很明显，就当年唯一投入运营的超音速客机“协和”来说，其存在三大弱点：第一，经济性差。由于耗油率过高，载客量偏小，成本高，协和号的票价非常昂贵大多数乘客望而却步。第二，航程短。协和号的航程仅为5110千米，只能勉强飞越大西洋，这一航程无法发挥超音速飞机的优势。特别是在太平洋航线上，协和号难以发挥作用。第三，噪音污染严重。协和式由于音爆水平高，所以被限制不得在大陆上空进行超音速飞行。噪音可以说是协和商业失败的关键性因素。从“协和”号客机的实际情况看，很容易发现研发新一代经济、可靠的超音速客机尚会遇到不少挑战，主要是噪音严重（主要由于音爆)、庞大的研发和生产成本支出、高油耗、对环境破坏的隐忧等。自从1969年首航以来，从未发生任何事故，使协和号获得了全球最安全的客机的名声。协和号票价高昂，一张伦敦至纽约的来回票要价逾九千美元，亲自搭乘协和号班机往返欧美大陆成为许许多多人自幼以来的梦想。运营的前六年，英，法航空公司均在赔钱，不过以后航空公司根据协和式飞机在常客（由于其高速特性，协和式的常客往往为往返于美国和英、法两国之间的工商界、政界高级人士，投资银行家等人)心目中的形象提高了票价，协和飞第1页共57页

飞行器设计课程设计报告第 1 页共 57 页第一章市场调研自“协和”号超音速客机于 2003 年退役后，超音速客机市场出现空缺。曾经 2000 年的 “协和”号超音速客机严重事故并没有阻止人类超音速旅行之梦。随着航空工业技术的进一步发展，现如今各类更加先进超音速客机的设计方案重新被提出来，以争取将来富有很大潜力的超音速客机市场的蛋糕。 1.1 超音速客机市场调研超音速喷气式客机优势显而易见，其高速性赢得很多客户的青睐。更远距离的旅行需求更短的时间，任何时候都是一部分特殊人群所强烈渴望的。据相关数据显示，当前部分航空公司所提出的的几类超音速客机方案刚推出就赢得了大量的订单，发展前景良好，例如英国的 A2，美国的 Lynx supersonic 超音速客机，Aerion 超音速客机方案以及 2005 年 6 月日本和法国就共同开发新一代超音速客机达成协议。除空客、波音外，全球许多飞机制造商都对第二代超音速飞机有所规划，预计到 2025 年时，超音速客机市场将迎来高速增长的全盛时期，而到 2050 年，搭乘超音速航班的旅客将占所有航班乘客的 10%至 20%，届时在全世界开通的此类航线可能将多达数百条。但是，超音速客机存在的障碍也很明显，就当年唯一投入运营的超音速客机“协和”来说，其存在三大弱点：第一，经济性差。由于耗油率过高，载客量偏小，成本高，协和号的票价非常昂贵大多数乘客望而却步。第二，航程短。协和号的航程仅为 5110 千米，只能勉强飞越大西洋，这一航程无法发挥超音速飞机的优势。特别是在太平洋航线上，协和号难以发挥作用。第三，噪音污染严重。协和式由于音爆水平高，所以被限制不得在大陆上空进行超音速飞行。噪音可以说是协和商业失败的关键性因素。从“协和”号客机的实际情况看，很容易发现研发新一代经济、可靠的超音速客机尚会遇到不少挑战，主要是噪音严重（主要由于音爆）、庞大的研发和生产成本支出、高油耗、对环境破坏的隐忧等。自从 1969 年首航以来，从未发生任何事故，使协和号获得了全球最安全的客机的名声。协和号票价高昂，一张伦敦至纽约的来回票要价逾九千美元，亲自搭乘协和号班机往返欧美大陆成为许许多多人自幼以来的梦想。运营的前六年，英，法航空公司均在赔钱，不过以后航空公司根据协和式飞机在常客（由于其高速特性，协和式的常客往往为往返于美国和英、法两国之间的工商界、政界高级人士，投资银行家等人）心目中的形象提高了票价，协和飞

上浒充通大￥飞行器设计课程设计报告 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 机开始盈利。在辉煌时期，英航协和式活力占英航总盈余的25%。但是超音速客机一直被广大客户期待的原因显然是其速度相对普通亚音速客机的大程度提升。但是昂贵的票价又是很大部分客户望而止步。就拿10多年前的“协和”号来说，普通亚音速喷气客机由纽约飞往巴黎需时约7小时，而协和飞机只需3小时30分钟，可见超音速客机在速度上的绝对优势。就票价来说，当时英航“纽约一一伦敦”协和飞机航线的单程票价只比一般客机的头等舱票价高20%（约756美元）。在一年多的试运营期间，“协和”号飞机已累计搭载旅客45000人次，累计飞行约5632700千米(3500000英里)。但随着石油危机、通货膨胀的推动下，机票价格也迅速上涨，到了2003年，纽约一一伦敦的单程票价为6,636英镑（约合9,900美元）。同样地，法航来往巴黎和纽约的来回机票价格在 1982年的时候是3900美元，但至2000年票价已经达到8,148美元，这已经成为绝大多数乘客无法接受的价格。如果从某一单方面来看，很难说明超音速客机和普通亚音速及跨音速客机的综合性能，下面就几款典型的飞机进行各方面的对比，来体现超音速客机的优势所在。客机型号巡航速度商载（吨）最大起飞航程（公载客量 (马赫) 重量（吨）里) (人) 波音777 0.84 54 247 9695 440 空客 0.86 45.9 212 10400 335 A330-300 “协和”号 2.04 12.7 186 5110 140 表1.1：典型超音速飞机和跨音速飞机性能对比表客机型号票价所需时间波音777 17260人民币(2013年) 7小时55分钟空客A330-300 17260人民币(2013年) 8小时5分钟 “协和”号 8148美元(2000年) 3小时30分钟表1.2：典型超音速和跨音速客机票价对比（以从巴黎到纽约为例) 通过对比发现，“协和”号超音速客机特点很明显，其载客量相对较少，航程也较短，但是其飞行速度很高，非常节省旅途奔时间。但其昂贵的票价使得超音速飞机只能面向一少部分乘客，例如工商界、政界高级人士，投资银行家等有钱但很需要节省时间的人群。当今没有正在运营的超音速客机是航空市场的一大缺失，尽快设计出新一代优秀的超音速客机是第2页共57页

飞行器设计课程设计报告第 2 页共 57 页机开始盈利。在辉煌时期，英航协和式活力占英航总盈余的 25%。但是超音速客机一直被广大客户期待的原因显然是其速度相对普通亚音速客机的大程度提升。但是昂贵的票价又是很大部分客户望而止步。就拿 10 多年前的“协和”号来说，普通亚音速喷气客机由纽约飞往巴黎需时约 7 小时，而协和飞机只需 3 小时 30 分钟，可见超音速客机在速度上的绝对优势。就票价来说，当时英航“纽约——伦敦”协和飞机航线的单程票价只比一般客机的头等舱票价高 20%（约 756 美元）。在一年多的试运营期间，“协和”号飞机已累计搭载旅客 45000 人次，累计飞行约 5632700 千米（3500000 英里）。但随着石油危机、通货膨胀的推动下，机票价格也迅速上涨，到了 2003 年，纽约——伦敦的单程票价为 6,636 英镑（约合 9,900 美元）。同样地，法航来往巴黎和纽约的来回机票价格在 1982 年的时候是 3900 美元，但至 2000 年票价已经达到 8,148 美元，这已经成为绝大多数乘客无法接受的价格。如果从某一单方面来看，很难说明超音速客机和普通亚音速及跨音速客机的综合性能，下面就几款典型的飞机进行各方面的对比，来体现超音速客机的优势所在。客机型号巡航速度（马赫）商载（吨）最大起飞重量（吨）航程（公里）载客量（人）波音 777 0.84 54 247 9695 440 空客 A330-300 0.86 45.9 212 10400 335 “协和”号 2.04 12.7 186 5110 140 表 1.1：典型超音速飞机和跨音速飞机性能对比表客机型号票价所需时间波音 777 17260 人民币（2013 年） 7 小时 55 分钟空客 A330-300 17260 人民币（2013 年） 8 小时 5 分钟 “协和”号 8148 美元（2000 年） 3 小时 30 分钟表 1.2：典型超音速和跨音速客机票价对比（以从巴黎到纽约为例）通过对比发现，“协和”号超音速客机特点很明显，其载客量相对较少，航程也较短，但是其飞行速度很高，非常节省旅途奔时间。但其昂贵的票价使得超音速飞机只能面向一少部分乘客，例如工商界、政界高级人士，投资银行家等有钱但很需要节省时间的人群。当今没有正在运营的超音速客机是航空市场的一大缺失，尽快设计出新一代优秀的超音速客机是

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