飞机分类和飞机研制过程
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飞机分类和飞机研制过程
飞机是高度综合的现代科学技术的体现。100多年来，飞机作为航空技术的重要代表，随着科学技术的进步而取得了很大的发展，而航空技术不断提出的新要求也同时对科学技术的发展起了促进、推动的作用。在现代飞机上，综合运用了一系列基础科学、应用科学和工程技术的最新成就，包括力学、材料学，电子技术、计算机技术、喷气推进技术、自动控制理论和技术以
及制造工艺等各个方面的成果，实际上现代飞机已成为一个先进而又复杂的工程系统。正因为如此，也促使了飞机的设计工作、设计方法随之不断发生着变化和革新，并逐步向系统工程的设计方法发展。
一、飞机的分类和对飞机的要求
飞机按其功用可分为军用飞机和民用飞机两大类。军用飞机的功用主要是完成空中拦击、侦察、轰炸、攻击、预警、反潜、电子干扰以及军事运输、空降等任务。民用飞机是指非军事用途的飞机，包括商业用的旅客机、货机等运输机，它们已成为一稀快速、方便、舒适、安全的交通运输工具；还有一些通用航空中使用的飞机，如用于农业作业，、护林造林、救灾、医疗救护、空中勘测和体育运动等。为了完成各种不同的任务，对不同的飞机就有不同的技术要求。对于军用飞机称为战术技术要求；对于民用飞机称为使用技术要求。它除了飞机最大：速度、升限、航程、起飞着陆滑跑距离、载重量、机动性(对战斗机)等指标外，还有如能否全天候飞行，对机场以及对飞机本身的维修性、保障性等方面的要求。从发展看军用飞机和现代大型旅客机的飞行速度、升限和航程都不断增加。现代战斗机的最大飞行速度通常为音速的两倍多，即ma>2；飞行升限约在20000m以上。如图5.1的苏—30mk和图5.4的阵风式战斗机均为第三代(也有称之为三代半的)高机动性超音速战斗机。苏—30mk设计中采用翼一身融合技术，其ma数最大为2.49，升限为18.5km，转场航程可到3700km；且机动性能很好，使用载荷系数(也称使用过载系数)可高达9g，能完成著名的“眼镜蛇”机动，是其他飞机不易做到的。随着航空电子技术的迅猛发展，未来的战场环境变得更加恶劣而复杂，各种新型雷达、先进探测器以及精确制导武器的问世，对军用飞机构成了极为严重的威胁。为了提高军用飞机的生存力和战斗力，各国正努力发展低可见度的隐身技术，图1.1所示f—117a是美国使用早期隐形技术的第一代亚音速隐身飞机，其外形由许多取向不同的小平面拼接而成。而目前正在发展中的第四代战斗机(俄罗斯称之为第五代战斗机)更着重强调同时具备隐身技术、超音速巡航、过失速机动和推力矢量控制、近距起落和良好的维修性等性能，美国的f-22是其第一个代表机种(图1.3)。f-22的外形与f-117a明显不同，采用了连续曲率造型，结构上使用了很多新材料，飞机的性能全面提高。目前，随着空战武器和一体化防空系统的飞速发展，靠有人驾驶飞机进行空中格斗或对地(舰)轰炸·，其攻击时风险更大，战争损耗与代价更高。为此世界主要军事强国已经使用无人机进行大量空中侦察，并正在进一步研究各种类型的无人作战飞机。现代军用运输机和一些大型远程旅客机的航程和载重量越来越大，有的航程可达10000km以上。军用运输机如c—5a载重量将近100t，可运载350名土兵或一辆坦克加上两架小型直升机；俄罗斯的安—225载重量则高达225t。大型旅客机载客可达500名；且有的客机ma数可达到2以上(如“协和”号)。目前有些国家还在研制可载客600～800名的超大型旅客机。图12为旅客机l-t011的示意图。从图1.1～1.3,5.1，5.4可见，由于各种飞机的用途和设计要求不同，会带来飞机气动布局和结构设计上的差别。但是飞机设计的基本概念、设计原理和设计方法是一致的，因此本书在对典型结构型式进行分析的基础上，将主要介绍飞机设计的基本概念、设计原理和方法。
二、飞机的研制过程
一种新飞机的投入使用，须经过下述四个阶段。
1．拟订技术要求
通常可由飞机设计单位和订货单位协商后共同拟订出新飞机的战术技术要求或使用技术要求。技术要求确定了飞机的主要性能指标、主要使用条件和机载设备等。设计单位必须保证新飞机能达到这些技术要求，订货单位则根据这些要求来验收新飞机。因此，飞机的技术要求是飞机设计的基本依据。
2．飞机设计过程
飞机设计单位根据拟订好的飞机技术要求进行飞机设计。飞机设计一般分为两大部分：总体设计和结构设计。总体设计：主要工作是确定全机主要参数，即全机重量g，发动机推力户和翼载g／s(s为机翼面积)；确定飞机的基本外形，如机翼、尾翼平面形状、大致尺寸和气动布局；选择发动机；然后进行飞行性能的初步估算。如满足要求，则画出飞机的三面图；进行飞机的部位安排；确定结构型式和主要受力构件布置，并给出飞机各部件的重量控制指标。结构设计：在总体设计基础上，进行飞机各部件结构的初步设计(或称结构打样设计)；对全机结构进行强度计算；完成零构件的详细设计和细节设计，完成结构的全部零构件图纸和部件、组件安装图。
飞机结构设计是飞机设计的主要阶段。“结构”是一个工程上常用的术语，但它的含义有时却有所不同。我们这里所指，也是其常用的含义，是指“能承受和传递载荷的系统”——即“受力结构”。它通常可由几个到几千个零件结合在一起构成，相互之间没有相对运动，同时能承受指定的外载，满足一定的强度、刚度、寿命、可靠性等要求。只用以维持外形或仅供装饰用的元件不包括在结构内。譬如低速飞机上的机翼蒙布，只受少量局部气动力而不参与机翼的整体受力，故不作为结构元件；旅客舱内的装饰板、飞机表面上(如机翼根部)的整流包/皮等也不作为结构元件。一架飞机的整个结构，包含机翼、尾翼、机身、发动机短舱、起落架、操纵系统(指机械操纵系统部分)及其他系统的受力结构等部件结构或组件结构。机翼、机身这样的大结构，通常称为部件结构。机翼、机身又可沿翼展方向或机身纵向分成几个大段，这样的一大段结构常称为组件结构。组件结构还可以分为小组件、构件等结构。零件为不需做装配的基本单位。构件由很少几个零件装配而成。当零件与构件(常统称为零构件)在飞机结构中作为有一定功用的基本单元时常称为元件，如翼肋、梁、框等，它可以是一个构件，也可以是零件。图1．2为l—101l旅客机的结构分解图。“结构设计”是指根据结构设计的原始条件，按照结构设计的基本要求，提出合理的设计方案以及进行具体的部件和零构件设计，进行强度计算和必要的试验，最后绘制出结构图纸，完成相应的技术文件，以使生产单位能根据这些图纸和技术文件进行生产。
3．飞机制造过程．
飞机制造工厂根据飞机设计单位提供的设计图纸和技术资料进行试制。完成后装上全部设备、系统和发动机，由飞机工厂首批(一般称“0”批，生产2～4架)试制出来的新飞机即可投入全机强度、疲劳和损伤容限的验证试验和试飞。目前，随着计算机技术的迅猛发展，设计单位中大部分设计工作借助计算机辅助设计系统(cad)来完成，包括分析、计算、构形设计，并可直接用计算机绘图、发图。有的已发展到cad／cam一体化，可采用无图设计，只需在制造时把已储存在计算机里的全部数据传递给计算机辅助制造系统，使整个飞机的设计和制造过程达到高度的集成化。
4．飞机的试飞、定型过程在通过全机静强度试验、某些必要的疲劳、损伤容艰的早期验证试验、起落架试验和全机各系统试验后进行试飞。通过试飞全面检验飞机能否确保安全，性能是否满足技术要求。把设计、制造中和试飞中出现的各种问题，通过更改设计或改进制造方法等全部排除。最后将飞机定型投入小批量生产。在新飞机的研制过程中，往往须进行相当数量的科学研究和试验。比如为选择满意的外形须做大量的风洞试验；对用新材料(如复合材料)制作的结构性能进行某些专题研究和试验(详见6．7节)；对某些关键的结构件或结构设计方案进行必要的疲劳或损伤容限的设计研制试验，为详细设计提供数据或进行早期验证等。新飞机的研制工作还要与使用密切结合。这包括在设计过程中要充分利用以往的使用经验；还有在新飞机的使用过程中收集各方面的反馈信息，不断改进设计。
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