轻型复合材料飞机重量估算方法研究

顾超 刘福佳

摘要：随着复合材料的迅速发展，飞机采用复合材料可以降低20%～30%的重量，因此，目前多数轻型飞机的结构设计开始使用复合材料。文章结合某轻型双座复合材料电动飞机的重量数据，对传统的通用飞机估算方法进行了修正，给出了在总体方案设计阶段轻型复合材料飞机的全机重量及飞机的各部分重量的估算方法，通过算例对其进行了验证。

关键词：复合材料；全机重量；飞机重量估算方法；轻型飞机；重量数据 文献标识码：A

中图分类号：V221 文章编号：1009-2374（2016）06-0023-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.06.012

在进行飞机总体方案设计时，开始不可能精确地求出飞机的全机重量值，而只能进行初步的估算。飞机重量的估算方法有许多种，简繁和准确程度也很不一样，但在飞机总体设计阶段所使用的方法，在原理上都是利用统计资料和一些近似计算公式，按逐步逼近的方法求解全机重量的近似值。

在飞机初步设计阶段，飞机的重量对飞机设计的影响比其他任何设计参数都大。在飞机初步方案设计阶段，对各部件、各系统的重量和重心计算是比较困难的，将这些重量和重心求出来以后，进一步计算全机的重量和重心就比较容易了。因此，对飞机各部分重量的估算在飞机初步设计阶段起着关键的作用。

本文通过对传统的飞机估算方法的研究，结合某轻型复合材料电动飞机的重量数据，给出在总体方案设计阶段轻型复合材料电动飞机的全机重量及飞机的各部分重量的估算方法。

1 飞机重量的分类

飞机的构造复杂，由众多零构件和各种设备组成。对飞机重量进行精确的计算，理应从每一个零件和每一种设备入手，但在总体方案设计阶段，这是根本不可能的，也是不必要的。为了分析研究和计算的方便，通常是将飞机的重量划分成若干个组成部分或者叫做分类。这种划分可粗可细，但在飞机总体方案设计阶段，比较典型的分法，如图1所示：

图1 飞机重量分类图

飞机的全机重量通常是指飞机的正常起飞重量，是飞机各部分重量的代数和。如果飞机各部分重量是已知的，则可以很容易地直接算出全机的重量，但实际上这是不可能的，因为飞机各部分的重量取决于全机重量的大小，不知道全机重量就无法确定其各组成部分的重量，而各部分的重量就无法确定其各组成部分的重量，各部分的重量未定时也就无法用上式对全机重量进行计算。换言之，就是因为飞机的全机重量与飞机各部分的重量互为因果，故无法直接进行计算，这一点正是在飞机设计工作中进行重量计算的难点。

因此，为了节省设计时间，开始通常不得不用粗略的计算方法和公式对飞机各部分的重量进行估算，初步求出飞机的全机重量，然后再用逐次逼近的迭代方法来求解飞机的全机重量。

2 轻型复合材料飞机全机重量近似计算

由于轻型飞机的结构及系统组成相对简单，因此复合材料轻型电动飞机的全机重量主要包括结构重量、电动力系统重量、航电仪表系统重量、操纵系统重量、有效载荷。

2.1 结构重量估算

飞机结构估算主要包括对机身结构估算、机翼结构估算、尾翼结构估算、起落架结构估算，即：

2.1.1 机身结构重量估算。机身结构估算公式如下：

式中：L为座舱长度；BF为机身宽度；H为机身高度；VD为飞机的俯冲速度。

2.1.2 机翼结构重量估算。机翼结构估算公式如下：

式中：b为机翼展长；S为机翼面积；δ为机翼1/4弦线后掠角；λ为机翼梢根比；τ为翼型厚度；M为飞机最大起飞重量；N为法向设计过载系数的1.5倍；VD为飞机的设计俯冲速度。

2.1.3 尾翼结构重量估算。尾翼的结构重量大概为最大起飞重量的1.7%，因此尾翼结构估算公式如下：

2.1.4 起落架结构重量估算。起落架的结构重量大概为最大起飞重量的7%，因此，起落架结构估算公式如下：

2.2 动力系统重量估算

2.2.1 电动力系统重量估算。轻型电动飞机的电动力系统主要包括螺旋桨、电机、电池组、控制器、BMS、综合显示器及其他附件重量，其重量可以根据所选的型号给出的具体重量进行计算。结合某型电动飞机的实际电动力系统所占全机重量的比例，给出电动力系统的估算公式如下：

2.2.2 燃油飞机动力系统重量估算。轻型燃油飞机的动力系统主要包括螺旋桨、发动机、燃油系统等重量，其重量可以根据所选的型号给出的具体重量进行计算。燃油飞机动力系统的估算公式如下：

2.3 航电仪表系统重量估算

轻型飞机的航电仪表系统较为简单，主要包括电台、电缆、空速表、高度表、升降速率表、磁罗盘、侧滑仪等。结合某型号电动飞机的实际航电仪表系统所占全机重量的比例，给出航电仪表系统的估算公式如下：

2.4 操纵系统重量估算

轻型飞机的操纵系统主要采用机械传动方式，主要包括操纵杆、脚蹬、传动机构及连接结构。结合某型号电动飞机的实际操纵系统所占全机重量的比例，给出操纵系统的估算公式如下：

2.5 有效载荷

2.5.1 乘员重量估算。轻型飞机的乘员重量可以根据适航条例的规定进行取值，单个乘员的重量为80kg（包括行李重量），因此在进行全机重量估算时，有效载荷的计算公式如下：

式中：n为乘员数量。

2.5.2 燃油重量估算。对于轻型电动飞机来说，不包括对燃油重量的估算，本公式适用于传统的燃油飞机。轻型飞机受到适航条例中规定的最大起飞重量的限制，一般燃油的重量较低，可以根据所需燃油体积V及所用燃油密度ρ进行估算，具体估算公式如下：

3 轻型复合材料飞机全机重量近似计算算例

由于飞机的全机结构重量中，结构重量所占比例较大，而且本文主要给出复合材料飞机的结构重量估算公式，通过对Nemesis飞机结构的详细数据的收集，可以用来验证估算公式。

Nemesis飞机的详细资料可在专业期刊和Nemesis网站上获得。它们有详细的重量说明，可以用来对比本文的重量估算结果。具体结果详见表1：

表1 Nemesis飞机的实际重量与估算重量对比

表1中的固定设备重量为航电系统重量和操纵系统重量之和。从表1的数据中能够看出，本文提供的方法低估了Nemesis飞机的机翼结构重量，高估了机身重量。因为很难将机翼和机身连接件归入机翼还是机身部分，因此精确区分机翼和机身部件的重量存在不确定性。起飞总重量的误差为：

4 结语

本文结合某轻型双座复合材料电动飞机的重量数据，对传统的通用飞机估算方法进行了修正，给出了在总体方案设计阶段，轻型复合材料飞机的全机重量及飞机的各部分重量的估算方法。通过对比Nemesis飞机的实际重量数据，对其进行了验证，估算结果为3%的误差，可以在总体方案设计阶段时重量估算的使用。

参考文献

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[6] 劳埃德.R.詹金森.民用喷气飞机设计[M].北京：航空工业出版社，2014.

作者简介：顾超，男，江苏宜兴人，沈阳航空航天大学辽宁通用航空研究院工程师，在读工程硕士，研究方向：新能源飞机；刘福佳，男（蒙古族），沈阳航空航天大学辽宁通用航空研究院助理工程师，硕士，研究方向：飞机总体设计。

（责任编辑：周 琼）