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        變掠翼轟炸機(jī)起飛重量估算方法研究

        2014-04-29 12:12:04葉露
        科技資訊 2014年27期
        關(guān)鍵詞:概念設(shè)計(jì)

        葉露

        摘 要:起飛重量的估算是飛機(jī)設(shè)計(jì)的第一步,只有確定了飛機(jī)的起飛重量,才能進(jìn)行后續(xù)的總體設(shè)計(jì),即確定飛機(jī)的基本尺寸及布局形式。該文通過統(tǒng)計(jì)學(xué)的數(shù)學(xué)方法,介紹了一種新型轟炸機(jī)在概念設(shè)計(jì)階段起飛總重估算的思路,提出了該類飛機(jī)起飛重量的組成,特別是按照這種處理問題的思路提供了飛機(jī)起飛總重估算所用到的一個(gè)公式及推導(dǎo)過程。該公式的推導(dǎo)是基于第三代/第四代轟炸機(jī)起飛總重估算建立的,適用于該類飛機(jī)在概念設(shè)計(jì)階段初始起飛總重的估算。

        關(guān)鍵詞:變掠翼轟炸機(jī) 概念設(shè)計(jì) 起飛總重

        中圖分類號(hào):V221 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2014)09(c)-0238-03

        現(xiàn)代戰(zhàn)爭是全方位、高強(qiáng)度的信息化戰(zhàn)爭,一旦發(fā)生戰(zhàn)爭,我國必須具備強(qiáng)有力的打擊能力,戰(zhàn)略轟炸機(jī)與陸基洲際彈道導(dǎo)彈和潛射彈道導(dǎo)彈構(gòu)成國家“三位一體”的戰(zhàn)略威懾和打擊力量,在未來戰(zhàn)爭中具有重要地位。而我國裝備的轟六亞音速中程轟炸機(jī)是20世紀(jì)50年代的平臺(tái)技術(shù),雖經(jīng)多次技術(shù)改進(jìn),但仍不具備超音速、隱身、綜合電子戰(zhàn)能力,生存力較弱,已經(jīng)嚴(yán)重制約它在實(shí)戰(zhàn)中的效能和在和平時(shí)期的威懾力。因此,必須發(fā)展一種高生存力的新一代遠(yuǎn)程作戰(zhàn)飛機(jī)來代替轟六飛機(jī)。變掠翼飛機(jī)能夠較好的兼顧高、低速性能要求,且對(duì)于要求航程長、起落特性好的遠(yuǎn)程作戰(zhàn)飛機(jī),變掠翼較為合適,與固定翼相比,雖然增加了一些變掠操作機(jī)構(gòu)及由于傳力所需的結(jié)構(gòu)重量,會(huì)使性能有所損失,但這個(gè)損失可由優(yōu)越的氣動(dòng)特性得到補(bǔ)償。該布局可作為我國發(fā)展遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)的研究方向。因此,該文針對(duì)變掠翼飛機(jī),推導(dǎo)出一個(gè)適用于該類飛機(jī)在概念設(shè)計(jì)階段時(shí)起飛總重的估算公式。

        轟炸機(jī)作為一種武器平臺(tái),在其設(shè)計(jì)中除了根據(jù)使用方提出的飛機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求,配置相應(yīng)的武器和裝機(jī)設(shè)備之外,平臺(tái)設(shè)計(jì)本身,首先想到的是必須滿足飛機(jī)在執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)中所應(yīng)滿足的飛行性能指標(biāo)要求。從理論和實(shí)踐得知,影響飛行性能指標(biāo)最主要的參數(shù)是起飛翼載和起飛推重比,而這兩個(gè)參數(shù),在飛機(jī)概念設(shè)計(jì)階段,通常又是根據(jù)飛機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求中所給定的飛行性能指標(biāo),通過對(duì)類似機(jī)種總體參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析來初步選定的。在起飛總重、起飛所需推力和機(jī)翼參考面積(S)三個(gè)參數(shù)中,如果選定了,則和S也就隨之初步確定了。且當(dāng)一定,飛機(jī)的基本尺寸及總體參數(shù)也就基本確定了。所以,在飛機(jī)設(shè)計(jì)這種需要反復(fù)迭代的循環(huán)中,一般都是從估算飛機(jī)起飛總重來開始飛機(jī)設(shè)計(jì)的循環(huán)過程的。

        飛機(jī)起飛總重估算方法很多,最常用的是系數(shù)法,其基本思路是:將飛機(jī)起飛總重量分為已知的和未知的兩部分。所謂已知總重部分是指根據(jù)飛機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、約定等可以直接得到的重量數(shù)據(jù),如飛行員體重,飛機(jī)裝載重量(彈藥、導(dǎo)彈和各種外掛物等),而未知總重部分包括燃油總重、空機(jī)重(空機(jī)重還可以細(xì)分),詳細(xì)分類見圖1。當(dāng)把所需設(shè)計(jì)飛機(jī)的各種重量分類弄清楚后,再通過把未知的絕對(duì)重量無量綱化變化為相對(duì)重量系數(shù),這些重量系數(shù)可以通過對(duì)類似飛機(jī)機(jī)種的統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算出來。這樣,就可以得到其第一次近似估算值了。

        1 飛機(jī)起飛總重的構(gòu)成

        飛機(jī)起飛重量又稱為“設(shè)計(jì)起飛總重”,是指飛機(jī)在設(shè)計(jì)確定任務(wù)開始時(shí)的總重量,也可指考核飛機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求中給定的飛行性能指標(biāo)所對(duì)應(yīng)飛機(jī)配套狀態(tài)的起飛總重(包括發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)和飛機(jī)滑行到起飛線所消耗的燃油),它不一定與“最大起飛重量”相同。許多軍用飛機(jī)的裝載可以超過其設(shè)計(jì)重量,但將損失包括機(jī)動(dòng)性在內(nèi)的主要性能。除特殊說明外,起飛總重假定為設(shè)計(jì)重量。

        飛機(jī)重量分類是出于實(shí)際工作和相互間技術(shù)交流的客觀需要。對(duì)此,世界各國都有自己的標(biāo)準(zhǔn),該文根據(jù)GJB2194-94和一般習(xí)慣,給出飛機(jī)起飛總量簡要組成及分類。

        1.1 飛機(jī)起飛總重組成及分類

        由于該文主要是推導(dǎo)轟炸機(jī)在概念設(shè)計(jì)階段時(shí)起飛總重的估算公式,因此,該文的飛機(jī)重量分類是根據(jù)轟炸機(jī)所應(yīng)具備性能特性給出的,具體如圖1所示。對(duì)于圖1中的幾項(xiàng),需做詳細(xì)分類。

        (1)飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量:包括機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、前翼和起飛著陸裝置的重量。

        (2)動(dòng)力裝置重量:包括匹配的發(fā)動(dòng)機(jī),發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)的重量。

        (3)固定設(shè)備重量:分為通用設(shè)備重量和專用設(shè)備重量,其中,通用設(shè)備重量包括飛控系統(tǒng)、液冷系統(tǒng)、環(huán)控和生命保障系統(tǒng)、電器電源系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、通訊和導(dǎo)航等系統(tǒng)的重量;專用設(shè)備重量包括火控系統(tǒng)、軍械系統(tǒng)、敵我識(shí)別和電子對(duì)抗系統(tǒng)的重量。

        (4)任務(wù)裝載:對(duì)于轟炸機(jī)而言,任務(wù)裝載主要是各類武器的裝備,包括核炸彈、常規(guī)炸彈、精確制導(dǎo)導(dǎo)彈、空地/空艦導(dǎo)彈、機(jī)槍機(jī)炮、炸彈及可拆卸的武器懸掛、發(fā)射裝置。

        (5)其他消耗性裝載:氧氣、防冰液和起動(dòng)用汽油。

        1.2 飛機(jī)起飛總重?cái)?shù)學(xué)表達(dá)式

        根據(jù)1.1節(jié)中所介紹的重量分類,飛機(jī)起飛總重可以表示為如下幾項(xiàng):

        式中為飛機(jī)使用空重;為飛機(jī)有效裝載重量;

        其中:

        式中為空重;為固定裝載重量;

        式中為機(jī)內(nèi)可用燃用重;為任務(wù)裝載重量;為其他消耗性裝置。故

        式中為不可用燃用重量;為飛行員重;為氧氣重量;為滑油重量;為冷卻液體重量;為起動(dòng)汽油重量,令,

        式中為任務(wù)油重;為飛行員重及其他消耗性裝載

        綜上分析,對(duì)于一般飛機(jī),起飛總重可以表示為如下形式:

        ,也可以寫為: (1)

        式中為相對(duì)空機(jī)重量系數(shù);為相對(duì)燃油系數(shù)。

        2 起飛總重估算

        由于該文推導(dǎo)的是新型轟炸機(jī)在概念設(shè)計(jì)階段時(shí)起飛總量的估算公式,因此,對(duì)于式(1)中各項(xiàng)參數(shù)均按照國內(nèi)外已有轟炸機(jī)機(jī)種性能參數(shù)給出。任務(wù)裝載根據(jù)轟炸機(jī)類型確定,要分清楚所設(shè)計(jì)的轟炸機(jī)是重型還是輕型(遠(yuǎn)程、中程或近程)的,不同類型飛機(jī)載彈量不同,當(dāng)確定所要設(shè)計(jì)飛機(jī)類型后,根據(jù)國內(nèi)外同類型飛機(jī)的載彈量標(biāo)準(zhǔn)來確定所設(shè)計(jì)飛機(jī)的任務(wù)裝載;在中,飛行員重量取100 kg/人(包括他們所帶的附加設(shè)備),發(fā)動(dòng)機(jī)滑油重量,根據(jù)統(tǒng)計(jì),對(duì)渦噴和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)每臺(tái)約20 kg,氧氣重量(包括發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)補(bǔ)氧和飛行員用氧),可根據(jù)戰(zhàn)術(shù)要求規(guī)定的飛機(jī)最長留空時(shí)間,以2.5 kg/h給出,防冰液等液體氣體重量按10 kg給出。在給出初始迭代的后,可求出相對(duì)重量系數(shù)和,此時(shí),按照公式(1),飛機(jī)起飛總重通過迭代計(jì)算可得出第一次近似估計(jì)值。在此需強(qiáng)調(diào)的是,對(duì)于公式(1)中的項(xiàng),人們在初始設(shè)計(jì)時(shí)往往只計(jì)飛行員重量,忽略了滑油、氧氣及防冰液等消耗性裝載重量,這在工程估算中是不可取的。因?yàn)樵诠剑?)中,分子是一個(gè)占起飛總重百分之幾的小數(shù),此時(shí)分子值得大小對(duì)的影響非常敏感,分子的重量差1 kg,將差10 kg以上甚至更大。所以,在處理重量問題時(shí),一定要謹(jǐn)慎小心。

        如果將空機(jī)重量進(jìn)一步分為飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量、動(dòng)力裝載重量和固定設(shè)備及操縱系統(tǒng)重量,則公式(1)可寫為:

        (2)

        該公式也經(jīng)常用于工程估算。

        3 關(guān)系式的建立

        為了建立和的數(shù)學(xué)表達(dá)式,該文采用工程上常用的方法,即對(duì)現(xiàn)有國內(nèi)外同類型飛機(jī)的和的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),將所得數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)畫在坐標(biāo)軸上,再根據(jù)得到的連線趨勢給出對(duì)應(yīng)的關(guān)系表達(dá)式即經(jīng)驗(yàn)公式,最后采用數(shù)學(xué)方法——最小二乘法擬合出經(jīng)驗(yàn)公式中的待定參數(shù),這樣,就建立起來了和的關(guān)系表達(dá)。

        3.1 和樣本數(shù)據(jù)的收集和統(tǒng)計(jì)

        由于該文所要建立的是第三代/第四代轟炸機(jī)起飛總重估算的經(jīng)驗(yàn)公式,因此,所選取的樣本數(shù)據(jù)源于國內(nèi)外第三代和第四代轟炸機(jī)。具體樣本數(shù)據(jù)見表1。考慮到作者以后工作的需要,該表還給出了一些相關(guān)重量數(shù)據(jù)的參考值。

        3.2 經(jīng)驗(yàn)公式的建立

        將表1中所給的八種機(jī)種樣本數(shù)據(jù)中的和按其對(duì)應(yīng)關(guān)系標(biāo)在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中,橫軸為,縱軸為,由這些點(diǎn)擬合出一條直線,得到,對(duì)上述關(guān)系式,采用數(shù)學(xué)中常用的方法——最小二乘法,通過保證偏差的平方和最小,來確定常數(shù)a,b。最終得到的經(jīng)驗(yàn)公式為:

        (3)

        3.3 經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)證

        為了驗(yàn)證公式(3)的精度,該文把Daniel.P.Rayme著的《飛機(jī)設(shè)計(jì):概念研究》中同類公式

        (4)

        與該文公式(3)一起對(duì)有關(guān)機(jī)種進(jìn)行驗(yàn)算比較,具體見表2。本文同時(shí)也采用了商用軟件對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合,并確定出系數(shù)a,b.計(jì)算結(jié)果與公式(3)吻合,擬合曲線如圖2所示。表2中為計(jì)算誤差。該文還引入了均方誤差,它的大小在一定程度上反映了用經(jīng)驗(yàn)公式來近似表達(dá)原來函數(shù)關(guān)系的近似程度好壞。對(duì)于公式(3),M=0.116,公式(4)M=0.136。

        4 結(jié)論

        概念設(shè)計(jì)是飛機(jī)總體設(shè)計(jì)的第一步,而在概念設(shè)計(jì)階段,確定合適的起飛重量至關(guān)重要。只有確定了起飛總重,飛機(jī)的基本尺寸及總體參數(shù)也就相應(yīng)確定了。該文針對(duì)轟炸機(jī)的特點(diǎn),結(jié)合具體的作戰(zhàn)任務(wù),分析了變掠翼轟炸機(jī)起飛總重的構(gòu)成及數(shù)學(xué)表達(dá)式,并按照目前現(xiàn)有的轟炸機(jī)機(jī)型數(shù)據(jù)以及一些變掠翼飛機(jī)的數(shù)據(jù),采用最小二乘法,建立了的關(guān)系式,同時(shí)對(duì)建立的關(guān)系式進(jìn)行工程上的可行性驗(yàn)證,精度滿足要求。最后得出結(jié)論如下。

        (1)公式(3)正確反映了隨增大而減小的趨勢。

        (2)由于該文是針對(duì)變掠翼飛機(jī)推導(dǎo)公式(3)的,因此,在曲線擬合時(shí)主要考慮的是表1中的前四種變掠翼機(jī)型,故其誤差均小于5%,且公式(3)的均方誤差為0.116,小于公式(4)的均方誤差,滿足工程上使用的精度要求。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 李為吉.飛機(jī)總體設(shè)計(jì)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2004.

        [2] 朱寶鎏.國外軍用飛機(jī)性能手冊[M].北京:國防工業(yè)出版社,1990.

        [3] 劉孟詔.概念設(shè)計(jì)階段飛機(jī)起飛總重的估算[J].飛機(jī)設(shè)計(jì),2004(3):9-12.

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