飛行器的質量特性計算方法研究

曹勇 趙慧

【摘要】 本文對基于計算流體力學方法的質量特性進行了簡要的講述，描述了質量和質心的計算原理，簡要介紹了計算質心的兩種方法，并將這種方法同以往的統計方法和經驗公式方法進行對比，分析了各自的優缺點，基于CAD的計算方法更適合當下的飛行器設計。最后，本文研究了由于燃料消耗帶來的質心變化問題，講解了質心的自動調整原理和流程，通過調整內部器件的位置使質心位置保持在飛控要求的區間內。本文為飛行器設計前期的質量特性計算提供了一種新穎的行之有效的方法，對工程實踐具有一定的參考價值。

【關鍵詞】 無人機 質量特性 計算方法

一、引言

如今，由于計算機技術的進步，多種計算流體力學（CAD）軟件得到迅猛發展，使得幾何建模變得精確、快捷，促進了航天領域飛行器的設計工作，飛行器總體布置是其中一個重要組成部分[1]。對飛行器質量特性的分析是飛行器設計的基礎，在每個環節中都具有重要的作用，可以為總體設計提供理論依據，直接影響了飛行器設計的成功與否。研究飛行器的質量特性，就要重點研究其質量、質心以及轉動慣量等[2]。各種配件、零部件、燃料等組成了飛行器的質量。本文中飛行器的質心指的是其所有質量形成的合力的作用點，質心位置非常關鍵。如果已知各器件的質量和形狀，可以推知各器件的質心，然后進一步計算得到整機的質心。因此，在飛行器設計過程中，特別是在計算流體力學得到快速發展之前，往往采用統計方法以及經驗公式[3]。

二、質量計算

采用CAD計算方法，要通過對飛行器整機各個器件進行分析，依據質量的原始意義，多次循環計算，適用于使用計算機進行飛行器整機質量計算，具有較高的準確度，其得到的質量情況可以采納使用。在質心計算過程中，采用空間直角坐標系"計算質心，需要計算三個方向的質心位置。如果飛行器結構是對稱的，也可省略一個方向的質心位置計算。

三、質心計算

3.1合力方法

這個方法是基于合力平衡的思想。在坐標系內，計算各個器件圍繞坐標O點的力矩，得到每個系統的靜力矩，進而由各個系統的靜力矩之和除以飛行器整機的質量，XZ、YZ、ZZ分別為整機質心在該軸上的位置，Xi、Yi、Zi分別為第i個器件的質心在該軸上的位置，進一步就能得到整機質心的坐標，Wi表示第i個器件的質量，如下所示：

3.2相對質心

質心坐標XZ=（XZ-X0）/C0×100%、ZZ=（ZZ-Z0）/C0×100%，上式中，選擇平均氣動弦為質心參考弦，X0、Z0為平均氣動弦前緣的位置，C0為平均氣動弦長，并用百分比來表示。

四、質心調整方法

顯然，隨著燃料的消耗，飛行器的質心會發生一定的變化，能夠通過改變機內器件的放置，重新把質心調整到最佳的位置。這個過程大體為輸入質心數據變化范圍，再通過計算得到真實的質心變化范圍，然后根據控制軟件判斷質心是否在此范圍內，如果是的話，就不進行調整，輸出最佳的質心位置參數，如果否的話，先要判斷需要調整的方向，再進行調整，最終將質心調整到合理的范圍內，輸入結果終止。流程圖如圖1所示。

五、結論

本文對基于計算流體力學方法的質量特性進行了簡要的講述，描述了質量和質心的計算原理，簡要介紹了計算質心的兩種方法，并將這種方法同以往的統計方法和經驗公式方法進行對比，分析了各自的優缺點，基于CAD的計算方法更適合當下的飛行器設計。本文結論為飛行器設計前期的質量特性計算提供了一種新穎的行之有效的方法，對工程實踐具有一定的參考價值。

參 考 文 獻

[1]余雄慶，徐惠民，昂海松，飛機總體設計，航空工業出版社，2000.

[2]陳俊章等，飛機設計手冊 第八冊 重量平衡與控制，北京，航空工業出版社，1999.10.

[3]姚銘，基于CAD的飛機總體布置自動化和質量特性的估算，南京航空航天大學，2008.12.

[4]Christopher Jouannet， Sergio E.R.Silva and Petter Krus，Use of CAD tools for weight estimation in aircraft conceptual design ，ICAS，2004-1.1.4.

[5]Christopher Jouannet， Model Based Aircraft Design High Angle of Attack Aerodynamics and Weight Estimations Methods， Dissertation， LinkAoping University， Sweden，2005.