运输类飞机的平尾尾容量初步设计.docxVIP

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运输类飞机的平尾尾容量初步设计

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【摘要】平尾尾容量是飞机尾翼设计的一个重要参数。在方案设计阶段，由于原始数据缺乏，使得无法精确的进行飞行品质计算。本文根据适航规章要求，获得一种快速的确定满足使用要求的平尾尾容量的方法。

【关键词】运输类飞机；平尾尾容量；适航规章

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前言

对于平尾不可调的亚音速运输类飞机，平尾仅作为安定面使用，而纵向操纵由升降舵来实施。平尾尾容量是尾翼设计的一个重要参数，其最终决定了平尾的大小以及与机翼的水平距离。平尾尾容量设计过大，会导致飞机的结构增重；设计过小，又无法满足飞行安全的需求。平尾尾容量又称为平尾静面矩系数VH，其表达式如下

……….…….1()

式中：

SH——平尾面积

lH——平尾力臂

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计算方法和分析

平尾尾容量设计常采用绘制“剪刀图”的方法进行，根据稳定性和操纵性要求绘制不同的边界线。有了边界图后，就可以获得满足重量重心装载需求的平尾尾容量。剪刀图由重心后边界和重心前边界两组边界线组成。方案设计阶段主要考虑如下：

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重心前边界：

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起飞抬前轮时具有足够的升降舵效能

达到失速时具有足够的升降舵效能

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重心后边界：

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静稳定裕度

i)起飞爬升：起飞功率、起飞安全速度V2时的起飞爬升状态

ii)着陆复飞：复飞功率、VREF的着陆复飞状态

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起飞时的纵向操纵

CCAR-25第25.107条规定：在升降舵最大负偏度时能够产生足够的俯仰抬头力矩使飞机在抬前轮速度VR时能够抬起前轮。

起飞时的纵向操纵，主要检查飞机是否具有足够的俯仰操纵能力使飞机在抬前轮速度之前抬起前轮并获得离地姿态。为了充分发挥飞机的起飞性能，应尽可能的保证起飞性能不受俯仰操纵效能限制。

飞机地面滑跑受力图如下：

图1飞机受力分析图

以重心为参考点，此时前轮支反力为零，运动方程如下

………………..2()

消除支反力R,根据力矩平衡可得抬前轮速度的近似计算公式如下

……3()

式中：

zT——重心到推力线的距离，推力线在重心之下为正。

f——轮胎地面摩擦力系数。

xl——主轮与地面的接触点到重心的水平距离，m。

yl——主轮与地面的接触点到重心的垂直距离，m。

α——抬前轮时的迎角。

φT——发动机安装角

CL——升力系数

Cm——俯仰力矩系数（考虑6°/s2的俯仰角加速度，一般大型运输机需考虑6~8°/s2，而小型运输机需考虑8~10°/s2）。

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达到失速的纵向操纵

CCAR-25-R4第25.103条定义的基准失速速度VSR是在前重心，无动力状态下的1g失速速度。失速速度所对应的升力系数即为飞机的最大升力系数CLmax，所对应的升降舵偏度即为拉失速所需的升降舵偏度。

定常直线飞行时的平衡方程为

……...4()

最终确定的升降舵平衡偏度和迎角的近似计算表达式如下

……………...5()

式中：

现阶段用舵量的近似计算采用如下公式

……………...6()

式中，CL采用最大升力系数CLmax即可得失速时的用舵量。

当忽略发动机的影响时，从而可得升降舵最大抬头力矩满足的静稳定裕度满足

…………………...7()

式中：

xG——为飞机的实际重心；

CL(αS，δemin)——为当迎角为αS、升降舵最大负偏度δemin时全机俯仰力矩系数Cm

当焦点至力矩参考点的距离△CGREF为一定值，故上式可转化为

…...8()

上式可以进一步转换成

…………...9()

式中，CGREF为力矩参考点的重心位置。将左边的△CGREF移至右边可得

…...10()

从而可得满足要求的重心前限为

……………...11()

式中：

CGREF为力矩参考点的重心位置

Cm(αS，δemin)——为当迎角为αS、升降舵最大负偏度δemin时全机俯仰力矩系数Cm

通过上述公式就可以，在仅使用升降舵满偏时的升力系数~迎角曲线和俯仰力矩~迎角曲线，快速获得能够达到失速的纵向操纵限制。

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纵向静稳定性

CCAR-25第25.173条规定，在服役中正常遇到的任何条件下，要求有合适的稳定性和操纵感觉。

对于常规非电传飞机，只有当相对重心在中性点之前时，才能保证飞机是静稳定的。通常，静稳定裕度定义为重心和焦点的无量纲距离。静稳定裕度越大，飞机越稳定。不同的文献指出，常规运输类飞机的固持静稳定裕度应为9%~10%cA之间。根据设计经验，初步设计阶段在CCAR-25第25.175条规定的状态下纵向静稳定裕度为10%。

静稳定裕度的计算表达式

………