汪洪莉 周明 王靜 張凌云
(陜飛公司 設(shè)計(jì)研究院,陜西 漢中 723213)
重量設(shè)計(jì)工作貫穿飛機(jī)方案論證、工程研制、設(shè)計(jì)定型、試生產(chǎn)及服役期的全生命周期,直接服務(wù)于飛機(jī)參數(shù)選擇、總體布置,以及飛機(jī)的性能、載荷、氣動(dòng)彈性特性和成本費(fèi)用估算等,產(chǎn)生的計(jì)算與分析的結(jié)果數(shù)據(jù)在某種程度上決定了飛機(jī)研制的成敗。
重量設(shè)計(jì)工作在飛機(jī)研制的整個(gè)過(guò)程,大致可劃分為重量估算、重量分配、質(zhì)量特性數(shù)據(jù)計(jì)算和稱(chēng)重檢驗(yàn)四個(gè)方面的工作,其中重量估算是每個(gè)型號(hào)設(shè)計(jì)和發(fā)展的重要環(huán)節(jié),是方案論證階段的總體布局的重要組成部分,其中的重量指標(biāo)是方案論證階段的基本原始數(shù)據(jù)之一,將作為一項(xiàng)設(shè)計(jì)目標(biāo)來(lái)檢查和考核。
重量估算是采用先進(jìn)的質(zhì)量特性估算手段,建立清晰的工作流和數(shù)據(jù)流,實(shí)現(xiàn)方案論證階段飛機(jī)重量、重心、慣性矩的快速、有效分析,從而能夠準(zhǔn)確掌握飛機(jī)的重量狀態(tài),制定客觀、合理的重量指標(biāo),提供準(zhǔn)確的重量數(shù)據(jù),以便及時(shí)對(duì)飛機(jī)的各項(xiàng)性能進(jìn)行準(zhǔn)確分析和評(píng)估,供方案論證階段使用。
重量估算是在基本確定的使用性能參數(shù)和總體幾何參數(shù),如最大起飛重量、使用過(guò)載、座艙壓差、載重、機(jī)體幾何尺寸等約束參數(shù),對(duì)飛機(jī)的目標(biāo)重量(正常起飛重量等)進(jìn)行多種方法的評(píng)估,繼而估算飛機(jī)空機(jī)及各部分的重量,匯總為空機(jī)重量重心、使用空機(jī)重量重心、燃油重量重心、空機(jī)滿(mǎn)油重量重心、轉(zhuǎn)場(chǎng)重量重心、最大起飛重量重心及進(jìn)行其他質(zhì)量特性數(shù)據(jù)的估算。
重量估算在概念和初步設(shè)計(jì)過(guò)程中是重量反復(fù)迭代過(guò)程,從起飛重量的預(yù)測(cè)值開(kāi)始,逐步逼近精確值,迭代過(guò)程終止得到的起飛重量、空重、各部分的重量及相關(guān)質(zhì)量特性數(shù)據(jù)。重量估算在概念和初步設(shè)計(jì)階段的反復(fù)迭代過(guò)程見(jiàn)圖1??紤]到估算工作由粗到細(xì),及其內(nèi)在聯(lián)系和先后次序,又可以進(jìn)一步細(xì)化為起飛總重估算、空重總重估算和各部件重量估算三個(gè)階段,但三個(gè)階段的重量參數(shù)并不是相互割裂,而是緊密聯(lián)系。
圖1
飛機(jī)重量估算方法有許多種,簡(jiǎn)繁和準(zhǔn)確程度也很不一樣,但在飛機(jī)概念和初步設(shè)計(jì)階段所用的方法,在原理上都是利用統(tǒng)計(jì)資料和一些近似計(jì)算公式,按逐步逼近的方法求解近似值,所以起飛總重、空機(jī)重量、各部件重量的估算方法大致可以歸納為兩類(lèi):“原準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)法”和“統(tǒng)計(jì)分析法”。凡是利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),參照原準(zhǔn)機(jī),主要依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行飛機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)估算的方法,稱(chēng)之為“原準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)法”;凡是利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)或?qū)嶋H結(jié)果作為原始數(shù)據(jù),而主要以數(shù)學(xué)解析或數(shù)學(xué)規(guī)劃方法求解,則稱(chēng)之為“統(tǒng)計(jì)分析法”。起飛總重、空機(jī)重量和各部件重量三個(gè)階段具體估算方法如下:
1.3.1 起飛總重估算
起飛總重估算主要有以下幾種方法:
系數(shù)法:統(tǒng)計(jì)一些類(lèi)型相似的飛機(jī)結(jié)構(gòu)、動(dòng)力裝置、系統(tǒng)設(shè)備、載油量等占飛機(jī)起飛重量的百分比數(shù),根據(jù)此百分比數(shù)的大小估算飛機(jī)的起飛重量。
任務(wù)剖面法:根據(jù)飛機(jī)任務(wù)剖面和使用要求,確定飛機(jī)初步燃油量得出飛機(jī)的起飛重量。
推重比法:根據(jù)飛機(jī)起飛推重比的大小確定飛機(jī)的起飛重量。
類(lèi)比法:根據(jù)現(xiàn)有飛機(jī)的起飛重量和部件重量,通過(guò)類(lèi)比處理估算飛機(jī)的起飛重量。
1.3.2 空機(jī)重量估算
在給定起飛重量的條件下,可采用粗略的統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法估算空機(jī)重量,所以空機(jī)重量估算同起飛總重的估算幾乎是同時(shí)進(jìn)行的??諜C(jī)重量估算還要考慮重量的增值,空機(jī)重量增值有多種原因,比如為防止斷裂結(jié)構(gòu)加強(qiáng)、增強(qiáng)電子設(shè)備能力以及用戶(hù)增加使用功能等,所以在估算時(shí)對(duì)這些不定因素引起的重量增值要留出一定的余量。
1.3.3 各部件重量估算
各部件重量估算首先要進(jìn)行飛機(jī)重量分類(lèi),其中空機(jī)重量典型簡(jiǎn)要的分類(lèi)劃分為四種主要類(lèi)別;結(jié)構(gòu)類(lèi)、動(dòng)力裝置類(lèi)、設(shè)備類(lèi)及空機(jī)裝備重量類(lèi)。各部件重量估算公式在許多資料都做了詳細(xì)的介紹,由于機(jī)型和重量歷史數(shù)據(jù)的不同,不同設(shè)計(jì)部門(mén)會(huì)根據(jù)各自不同情況和經(jīng)驗(yàn)選用。
精確的分類(lèi)重量估算是運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析公式,這些公式是用相當(dāng)成熟的回歸方法推倒的,推導(dǎo)這些公式是一項(xiàng)成果,各企業(yè)都有自己的公式。但是好的估算方法是采用幾種不同的公式計(jì)算每個(gè)部件的重量,然后取其平均值是比較合適的。
飛機(jī)構(gòu)造復(fù)雜,由眾多零部件和各種設(shè)備組成,對(duì)飛機(jī)重量進(jìn)行精確的計(jì)算,應(yīng)從每一個(gè)零件和每一種設(shè)備入手。但在初步設(shè)計(jì)階段,這是根本不可能的,為了重量估算分析和計(jì)算的方便,應(yīng)將飛機(jī)的重量劃分若干組成成分,即重量分類(lèi)。雖然這種劃分可粗可細(xì),飛機(jī)類(lèi)型和公司的不同在重量分類(lèi)劃分上也存在差異,但是在初步設(shè)計(jì)階段重量分類(lèi)是必須進(jìn)行的工作。當(dāng)然任何一種分類(lèi)方法都不是絕對(duì)的,只是為了便于對(duì)飛機(jī)重量進(jìn)行分析研究和計(jì)算而已。一般重量分類(lèi)的劃分是:
起飛重量含空機(jī)重量和總載重;空機(jī)重量含飛機(jī)結(jié)構(gòu)、動(dòng)力裝置、設(shè)備和主機(jī)及裝備重量;飛機(jī)結(jié)構(gòu)含機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、起落架和各系統(tǒng);設(shè)備含電氣設(shè)備、通信設(shè)備、航行設(shè)備、飛控設(shè)備、火控設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備、高空設(shè)備和輔助設(shè)備等;總載重含燃油、有效載荷和裝備及服務(wù)設(shè)施重量等。
為了得到用于公式的原始統(tǒng)計(jì)資料,重量專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員必須盡可能多地收集飛機(jī)重量歷史數(shù)據(jù)、樣本數(shù)據(jù)和詳細(xì)飛機(jī)藍(lán)圖,收集估算公式,并將這些重量元素集合在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理。在重量估算時(shí),可以通過(guò)對(duì)這些重量元素進(jìn)行有效、可靠的統(tǒng)計(jì)回歸和理論分析,進(jìn)行系數(shù)選取、修正和推導(dǎo)出新飛機(jī)專(zhuān)門(mén)的重量估算公式。在建立數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)應(yīng)考慮的因素很多:
重量估算包括定義、歷史數(shù)據(jù)、樣本數(shù)據(jù)和估算等;定義和估算的主要內(nèi)容包含重量項(xiàng)目定義、估算方法定義、估算模型定義、數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)定義、估算方案的創(chuàng)建、比較估算方法和比較估算參數(shù)等等。
重量估算開(kāi)始時(shí)必須首先對(duì)重量術(shù)語(yǔ)進(jìn)行定義、重量項(xiàng)目進(jìn)行分類(lèi),定義和分類(lèi)時(shí)盡量遵循有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和適航條例中的規(guī)定,這樣在開(kāi)展估算工作時(shí)有根本的依據(jù),可以使估算工作脈絡(luò)清晰,并有利于重量后續(xù)工作。
開(kāi)展飛機(jī)重量估算工作,關(guān)鍵的一點(diǎn)就是必須有重量數(shù)據(jù)庫(kù)。包括:廣泛的同類(lèi)型飛機(jī)的結(jié)構(gòu)部件、動(dòng)力裝置、設(shè)備及空機(jī)裝備系統(tǒng)的重量重心歷史數(shù)據(jù)、樣本數(shù)據(jù)和估算公式,并按重量分類(lèi)和層次關(guān)系有序管理,便于在估算過(guò)程中進(jìn)行參考和重量分析。
重量估算一直是飛機(jī)設(shè)計(jì)里的難點(diǎn),其重量估算的方法因不同公司或不同機(jī)型各異,每個(gè)設(shè)計(jì)公司針對(duì)不同的機(jī)型都有自己的一套方法,所以在確定重量估算方法的時(shí)候,要優(yōu)先考慮以下幾點(diǎn):
1)從容易得到原始數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、實(shí)際數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的地方入手;
2)求容易確定的參數(shù);
3)求起主導(dǎo)作用的參數(shù)。
飛機(jī)設(shè)計(jì)是發(fā)展的,飛機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)是發(fā)展的,原始數(shù)據(jù)也是發(fā)展的,因此。所采用的分析方法及估算方法就具有多樣性。重量估算工作重要的是要結(jié)合自身具體設(shè)計(jì)條件去選用,修改所繼承的方法,既而自行創(chuàng)新估算方法。