輕型復合材料電動飛機重量及重心估算研究

劉福佳 顧超

摘 ?要：在飛機初步方案設計階段，對各部件、各系統的重量和重心計算是比較困難的，將這些重量和重心求出來以后，進一步計算全機的重量和重心就比較容易了。文章結合某型雙座電動復合材料飛機重量和重心數據，給出了在初步方案設計時，輕型復合材料電動飛機的重量及重心的估算方法。

關鍵詞：復合材料;電動飛機;重量;重心

在飛機設計研究中，表明飛機結構重量增加對飛機設計的影響是可能的。如果飛機技術指標（如航程，起飛性能等）保持不變，那么較差的設計，增加了結構重量并將導致較大的油耗，較大的發動機，更強的起落架，較大機翼面積和尾翼面積。反過來，這些增加將要求更重的結構。這個惡性循環影響即眾所周知的“重量增長”。方案研究表明對于飛機上每千克不必要的結構重量，飛機最大起飛重量將增加約3kg。對于飛機采用復合材料來說，可以實現飛機減重的效果，因此，目前大量的輕型飛機采用復合材料結構。

在飛機初步設計階段，飛機的重量對飛機設計的影響比其他任何設計參數都大。在飛機初步方案設計階段，對各部件、各系統的重量和重心計算是比較困難的，將這些重量和重心求出來以后，進一步計算全機的重量和重心就比較容易了。在早期設計階段，不得不使用飛機所有部件的歷史統計數據進行估算。

對于輕型復合材料電動飛機，目前發展較緩慢，因此復合材料電動飛機的重量估算方法及統計數據相對傳統的飛機來說較少。文章結合某型雙座電動復合材料飛機重量和重心數據，給出了輕型復合材料電動飛機的重量及重心的估算方法。

1 輕型復合材料電動飛機部件重量估算

飛機重量是連接設計活動中所有分別進行設計的共同因素（空氣動力學、結構、推進、布局、適航性、環境、經濟性和使用方面）。飛機重量對性能、設計、經濟性和管理規章等方面的重要性如圖1所示。

圖1 對飛機重量的影響

電動飛機與傳統燃油飛機相比，其能源來源于電池，因此，其全機重量m可以用下式來表達：

m=m結構+m動力+m航電+m操縱+m有效

其中動力系統的重量包括電池重量。

此時表明，如果飛機各部分重量是已知的，則可以很容易地直接算出全機的重量，但實際上這是不可能的，因為飛機各部分的重量取決于全機重量的大小，不知道全機重量就無法確定其各組成部分的重量，而各部分的重量就無法確定其各組成部分的重量，而各部分的重量未定時，也就無法用上式對全機重量進行計算。換言之，就是因為飛機的全機重量與飛機各部分的重量，互為因果，故無法直接進行計算，這一點，正是在飛機設計工作中，進行重量計算的難點。因此，通常不得不用逐次逼近的迭代方法來求解飛機的全機重量，同時為了節省設計時間，開始總是用粗略的近似方法來計算，然后再用越來越精確的計算方法和公式完成計算。

當確定某一部件的絕對重量是不可能時（或許是由于已知資料不詳細），為了減弱飛機各部分的重量對全機重量m的依賴關系，可使用標準化的重量比（相對重量），即：部件重量/起飛重量。利用相對重量的統計數據，對飛機的全機重量可以簡便直接地進行第一輪的近似計算。

由于在初步方案設計階段，不可能對飛機各個部件的尺寸有非常詳細的了解，但是有可能使用預先估算的方法，在飛機幾何尺寸確定過程中逐漸變得準確，因此這個比值能從與所研究的飛機相似形式的現有飛機中確定。

通過收集某型雙座電動飛機的全機重量數據，包括結構重量（機身結構重量、機翼結構重量、尾翼結構重量、起落架結構重量）、電動力系統重量（螺旋槳、電動機、電池、控制器等）、航電系儀表統重量、操縱系統重量、有效載荷（機組人員重量），給出某型雙座電動飛機各部分的重量及各部分重量占全機重量的百分比（詳見表1）。

表1 某型雙座電動飛機各部分的重量及各

部分重量占全機重量的百分比

因此，在進行輕型復合材料電動飛機初步方案設計階段，可以參照表1中的數據對飛機各部分的重量進行初步分配與計算，進而求出輕型復合材料電動飛機各部分的重量占全機重量的比例，準確地計算出全機重量的初步分配。

2 輕型復合材料電動飛機重心前限和后限計算

當已知所有部件重量時，確定飛機重心位置是相對容易的任務。在初步方案設計階段，有了每個部件重量的估計和飛機的總體布局圖，采用有把握的推測，確定每個部件的重心是有可能，這就可以確定不同載荷情況下（即有效載荷的不同組合）飛機的重心。而且在草圖設計的初期階段了解全機重心位置是必要的，這樣可以使機翼有可能在飛機總體布置圖上正確地沿機身定位。

然而對于飛機重心位置的近似計算和重心定位，不是一次就能完成的，而是一個反復進行、逐步逼近的過程。

在第一次進行飛機重心位置的近似計算時，飛機各部分的重量分類比較粗，各部分的重量及重心位置也都是采用初步的估算值，或按同類飛機的統計數據選取，然后列表進行計算。

全機的重心計算原理很簡單，用靜力矩平衡解析法即可求出，但為了能把重心調整到所需的位置，往往需要進行多次反復的計算，計算的工作量比較大。

用于計算的坐標系原點，可以取機身頭部最前的端點，這樣可以使所有載重的坐標值均為正值。一般取飛機設計水平基準線（通常即機身軸線）為ox軸。

坐標選定后，分別對飛機各組成部分相對坐標原點的靜力矩進行計算，得出每一組成部分的靜力矩（mgx）i，然后將各部分靜力矩的總和除以全機的重量即得到飛機重心的坐標，計算公式為：

xG=

飛機重心的位置是相對于平均空氣動力弦而言的，而且一般都用其與平均空氣動力弦bA之比的百分數的相對值來表示，所以用上式求出飛機重心的位置需按下式來換算：

G=×100%

第一次重心定位計算時，可以采用如下規律：

（1）機翼重心位置在40%～50%bA處;（2）尾翼重心位置在45%～50%尾翼的平均氣動力弦處;（3）機身的重心位置，對于直機翼的飛機，取在50%機身長度處;對于采用后掠翼的飛機，取在60%機身長度處;（4）設備和操縱系統的重心取在機身的重心上。

有了每個部件重量的估算和重心的位置估算，這就可以確定不同載荷情況下（即有效載荷的不同組合）飛機的重心，對于燃油飛機，在進行總體布置時，注意盡量減小重心的變化，一般要求燃油的重心靠近飛機的重心，燃油消耗引起的重心變化應小于5%bA。然而，對于電動飛機的重心，其重心位置也隨著有效載荷的不同組合而變化，但由于不消耗燃油，其不存在飛機飛行過程中重心的變化，方便了飛機重心前限和后限的計算。文章結合某型雙座電動飛機重量和重心位置，給出輕型復合材料電動飛機初步方案設計時的重心前限和后限的計算列表，詳見表2。

3 結束語

文章通過給出某型雙座電動飛機的各部分重量及各部分重量所占全機重量的比例，為輕型復合材料電動飛機各部分的重量在初步方案階段的分配時，提供有效的數據基礎。通過對某型雙座電動飛機重心前限和后限的計算，給出了輕型復合材料電動飛機重心前限和后限的計算方法。

參考文獻

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