飛機(jī)重量估算分析與方法探討

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）

0 引言

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。

1 重量估算的工作流

1.1 內(nèi)容

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。

1.2 流程

重量估算在概念和初步設(shè)計(jì)過程中是重量反復(fù)迭代過程，從起飛重量的預(yù)測(cè)值開始，逐步逼近精確值，迭代過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)迭代過程見圖1。考慮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

1.3 方法

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：“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。

類比法：根據(jù)現(xiàn)有飛機(jī)的起飛重量和部件重量，通過類比處理估算飛機(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。空機(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，其中空機(jī)重量典型簡(jiǎn)要的分類劃分為四種主要類別；結(jié)構(gòu)類、動(dòng)力裝置類、設(shè)備類及空機(jī)裝備重量類。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)部門會(huì)根據(jù)各自不同情況和經(jīng)驗(yàn)選用。

精確的分類重量估算是運(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。

2 重量估算的數(shù)據(jù)流

2.1 重量分類

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。雖然這種劃分可粗可細(xì)，飛機(jī)類型和公司的不同在重量分類劃分上也存在差異，但是在初步設(shè)計(jì)階段重量分類是必須進(jìn)行的工作。當(dāng)然任何一種分類方法都不是絕對(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。

2.2 數(shù)據(jù)庫

為了得到用于公式的原始統(tǒng)計(jì)資料，重量專業(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)庫進(jìn)行管理。在重量估算時(shí)，可以通過對(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)專門的重量估算公式。在建立數(shù)據(jù)庫時(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。

3 重量估算的估算方法

3.1 重量定義和重量分類

重量估算開始時(shí)必須首先對(duì)重量術(shù)語進(jìn)行定義、重量項(xiàng)目進(jìn)行分類，定義和分類時(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。

3.2 數(shù)據(jù)庫的建立

開展飛機(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。包括：廣泛的同類型飛機(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，并按重量分類和層次關(guān)系有序管理，便于在估算過程中進(jìn)行參考和重量分析。

3.3 估算方法選取

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。