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发布时间:2023-11-06 23:49:16 来源:
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飞机结构设计思想变迁(一)
作者:王辰
胡丹
来源:《航空世界》
2012
年第
08
期
飞机结构是体现飞机总体布局、气动外形的技术载体,是飞机各系统实现预定功能的物理
平台,是制约飞机使用可靠性、成本和寿命的主要因素。因此,在飞机设计技术的发展历程
中,结构设计技术一直占有十分重要的地位。(图
1
)
从普通航空迷的角度来讲,对于飞机的关注一般是从飞机原型机的出现开始,到其试飞定
型以及之后的飞行表现和改进改型,对于飞机研制过程中的其他环节了解不多。研制一种新型
飞机是一项极其复杂的系统工程,一般而言,研制一种新型飞机需要经历:预先研究、方案论
证、飞机设计、试制和试验、设计定型、工艺定型和批量生产、改进和改型等几个阶段。其中
飞机设计是指设计人员综合应用气动、结构、动力、材料、工艺等学科的知识,将飞机设计要
求(战术技术要求)转化为一组能完整地描述飞机的参数(飞机形状、尺寸、结构、材料等)
的过程。这个过程又包括概念设计(
conceptualDesign
)、初步设计(
PreliminaryDesign
)和
详细设计(
DetailDesign
)三个阶段。
(图
2
)
飞机的结构设计就属于详细设计阶段的工作,详细设计阶段又称为工作设计或技术设计,
其主要任务是进行结构设计(部件设计、零构件设计等)和系统设计(液压系统、操纵系统
等),其工作内容包括绘制出各个部件和系统的总图、装配图、零件图,制定出详细的重量计
算和强度计算报告:进行零件和构件的强度验算进一步确定飞机的重量和重心位置;进行各种
必要的试验,如强度和寿命试验、各系统的地面台架试验等。
在介绍指导设计人员进行飞机结构设计的指导思想之前,我们先来了解一下飞机结构设计
的基本要求,也只有在了解了这些基本要求之后,我们才能较为准确的理解为什么我们要遵循
一些必要的设计准则来进行设计和分析工作。就像我们生活中所能够接触到的大多数民用产品
一样,只有了解了产品性能和功能所必须达到的基本要求,我们才能设计出符合市场需求和国
家相关标准的合格产品。
在进行飞机结构设计时,设计人员应使所设计的结构满足技术要求中规定的对结构的基本
要求可以大致概括为气动要求、重量要求、使用维护要求和工艺要求。这几项要求之间是相互
联系、相互制约的,甚至有些还是相互矛盾的。全面考虑这些要求从而设计出理想的结构则需
要分析这些要求之间的相互联系,综合考虑。其中,
“
气动要求
”
虽然不是结构设计人员主要考
虑的,但却是一种
“
前提性
”
要求,即设计出的结构必须满足气动要求,并在满足气动条件的前
提下,要求结构质量尽量轻、使用方便、工艺性良好等。毕竟,即使你的结构设计得再好,如
果破坏了飞机的气动外形也是不允许的,因为这样就会使飞机的气动特性改变而无法达到其设
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计中能够达到的性能指标。
“
使用维护要求
”
也是一种前提性要求,即根据飞机的机种、使用特
点规定了使用、维护要求。因此要求结构有与之对应的
“
开敞性
”/“
可到达性
”
,即在结构上必须
有相应的设计分离面和开口,以保证维护人员有接近内部装载或内部结构的通道,并使相应结
构的拆装迅速可靠。比如,航空发动机的使用寿命一般低于飞机机体的使用寿命,那么在发动
机到寿之后就需要给飞机更换新的发动机。而且一台发动机在其全寿命周期内,也需经历若干
次的大修和一般性维修。这就需要在进行飞机结构设计时考虑分离面的设计,以满足方便拆装
发动机的需要。早期的喷气式战斗机尤其是前苏联设计制造的战斗机,设计这种分离面的做法
往往是在飞机机身的中部设置分离面,需要拆装发动机的时候就将飞机机身从中部一分为二,
然后把发动机从后机身沿机身轴线方向抽出来。这样做的好处是不影响飞机整体的载荷传递、
结构增重小,缺点是每次拆装都必须先把机身前后分开才能把发动机拆下或装入,每次拆装工
作至少需要
48
~
72
小时,极大地拖延了维护时间,对保证出勤率有很不利的影响。而现代飞
机尤其是西方国家设计的战斗机,拆装发动机一般是在飞机后机身发动机的下部设计开口。这
样在拆装发动机的时候就可以把发动机下方的口盖打开,拆除螺栓等紧固件后把发动机直接从
后机身下部取出,再换上可以使用的发动机。完成整个拆装发动机的过程最快只需要几个小
时,大大缩短了维护保养时间,提高了战机出勤率。缺点是由于开口破坏了机体原有的传力路
线,一般需设计成完全补偿形式即可以传递各种载荷,造成的结构增重较大,对减轻飞机的结
构重量不利。
“
工艺要求
”
是一种
“
条件性和发展性
”
要求。
“
条件性
”
是说结构的工艺性好坏要结
合飞机生产的条件,如产品数量、产量工期、加工条件等:
“
发展性
”
是针对产品数量和加工条
件。比如,某些加工工艺适合小批量生产而某些加工工艺适合大批量生产,采用何种工艺取决
于生产的数量:某些加
II
艺在设计时还不具备,但在后续生产时可实现,这就决定了不同批次
生产的飞机结构可能采用不同的加工工艺,那么在结构设计时也会有细节上的差异。
虽然前述的
“
气动要求
”
、
“
使用维护要求
”
、
“
工艺要求
”
在整个结构设计过程中所占时间不
多,但依然是很重要的。如果在结构方案确定后,因为某些要求不能满足二更改结构方案,将
大大增加工作量,甚至因为不能很好地更改而牺牲某些设计指标。最后,
“
重量要求
”
(亦称
“
质量要求
”
)是飞机结构设计的主要要求。飞机结构设计应保证结构在规定的载荷
状态下具有足够的强度,不产生不能容许的残余变形:具有足够的刚度与采取其他措施避免出
现不能容许的气动弹性问题与振动问题:具有足够的寿命等。在保证上述条件得到满足的同
时,应使结构质量尽可能轻。这项要求可以概括为强度(刚度)一质量要求或最小质量要求,
即在保证飞机结构满足强度、刚度等要求的前提下尽量做到结构重量最轻。在航空工业领域,
有一句非常有名的话:
“
航空工程师要为了减轻每一克重量而奋斗
”
(其实准确的说应该是为了减轻每一克
“
质量
”
而努力,因为在国际通用的单位制下质量的
单位是克或者千克,而重量是物体受万有引力后力的度量,其单位是牛顿或者千牛。我们在日
常生活中习惯了说重量、减重等词汇,此处就按照大家的语言习惯未作修改)。对于民用飞
机,假设我们能够使一架结构质量为
30t
的民机减轻
100kg
(只减轻了总结构质量的
0
,
33%
),则能多载一名乘客或
100kg
货物,那么在飞机的全寿命周期就可以增加上百万元的收
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入。飞机的服役寿命越长,减轻结构质量所能带来的经济利益也越大。对于军用飞机,结构质
量对全机推重比和翼载荷这两个关键指标影响很大。质量与起飞着陆性能有很大关系,与航程
及爬升率等机动性能指标关系也较大,所以减轻质量对军机设计更为重要。这也就是为什么在
飞机结构设计的几项基本要求中,质量要求是主要要求的原因。用一句通俗的话讲就是,如果
飞机不能做得轻,怎么能飞上天呢。
了解这些基本要求,有助于我们理解飞机结构设计思想的演变。现代飞机的成本越来越
高,从而要求飞机有更长的经济寿命和更高的使用可靠性,而且有些飞机还要求具备高超声速
飞行、低探测性等特种使用功能,它们都对结构设计提出了更高和更特殊的需求。回溯飞机结
构设计的百年历程,结构设计技术经历了从低到高、从简单到复杂、从单一功能到多功能综合
的演变过程,但无论其设计思想如何演变,也都是为了更好地、更全面地满足结构设计的各项
要求。
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