超轻型飞机概念设计中设计参数的选取

摘要：超轻型飞机是通用航空技术发展的方向之一。统计国外超轻型飞机的性能参数，得到翼载荷和重功比与飞机的最大平飞速度、失速速度、起飞距离、爬升率的关系。针对这些关系式，结合超轻型飞机的设计要求，提出一套超轻型飞机设计参数选取的方法。此方法不只是限于超轻型飞机，对其他类型的飞机同样适用。

关键词：超轻型飞机；统计数据；性能参数；设计参数

中图分类号：V221 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）28-0010-03

近年来，超轻型飞机的发展引起了我国航空界人士和使用部门的极大关注，主要原因在于，超轻型飞机具有低空、低速、稳定和安全等特点，而且结构简单、重量轻、价格便宜、容易操纵、维护方便，可广泛应用于农林牧业、勘探、航空摄影、航空体育运动和旅游等。因此，随着我国的经济发展和人民生活水平的提高，这种飞机将会有广泛的应用前景，是通用航空技术发展的方向之一。

国外的超轻型飞机的发展始于20世纪70年代，主要包括：Kolb Firestar 、Gull 2000、Aerolite 103等。目前我国的超轻型飞机种类较少，主要包括：“蜜蜂”-2、“蜻蜓”-5等，这几款飞机研制于20世纪80年代。因此，设计一款适合当今社会需要的新型飞机对我国通用航空的发展有很大的促进作用。任何类型飞机的设计都要满足一定的设计参数要求，飞机的设计参数要求在飞机的概念设计中提出，飞机的设计过程中要以这些参数要求为基准进行设计，所以飞机的设计参数要求在飞机的设计中起着至关重要的作用。

本文结合传统的飞机设计方法，提出一套超轻型飞机设计参数选取的方法：通过对超轻型飞机的数据统计，得出翼载荷和重功比与飞机的最大平飞速度、失速速度、起飞距离、爬升率的关系式，通过调整这些参数的取值，得到这些关系式的交点，这个交点就是新型飞机的最佳翼载荷和重功比的取值，进而得出超轻型飞机的性能参数。

1 超轻型飞机的市场调研

本文收集了29种国外的超轻型飞机，这些超轻型飞机的空机重量都是在116kg附近。表1列出了所收集的超轻型飞机的主要性能参数。

2 超轻型飞机的参数分析

2.1 最大平飞速度与翼载荷和重功比的线性关系

最大平飞速度与翼载荷和功重比的关系式如下：

（1）

其中IP为功率系数。

将每架飞机对应的最大平飞速度Vmax和功率系数IP的值，绘制在一张图中，能够得到如图1的图像：

图1 最大平飞速度Vmax和功率系数IP的关系曲线

这样我们就得到了最大平飞速度Vmax和功率系数IP的线性关系式。

Vmax=83.667×IP=83.667× （2）

2.2 失速速度与翼载荷线性关系

失速速度Vstall与翼载荷W/S的关系为：

（3）

其中IW为翼载荷系数。

将每架飞机对应的失速速度Vstall和翼载荷系数的值，绘制在一张图中，能够得到如图2的图像：

图2 失速速度Vstall和翼载荷系数的关系

从图2中，我们能够得到失速速度Vstall和翼载荷系数拟合的线性关系式为：

Vstall=10.048× （4）

从这个线性关系式中，我们能够推出超轻型飞机的最大升力系数CLmax=2.05和离地升力系数CLt=1.697。

2.3 起飞距离与翼载荷和重功比的线性关系

起飞距离lT，g与翼载荷和重功比的关系式如下：

=K×IL （5）

图3 起飞距离lT，g和离地系数IL的关系曲线

方程式中IL为离地系数，式中的离地升力系数CLt在前面已经算出为1.697。

将每架飞机对应的起飞距离lT，g和离地系数IL的值，绘制在一张图中，能够得到如下的图像（图3所示）。

从图3中我们能够拟合成的起飞距离lT，g与离地系数的关系式，如下：

（6）

2.4 爬升率与翼载荷和重功比的线性关系

根据爬升率与可用功率和平飞需用功率的关系式，如下：

（7）

其中，P为发动机的最大功率，，ppx为飞机平飞时的需用功率，经过整理，可以推导出爬升率Vy与翼载荷和重功比的线性关系，如下：

（8）

根据收集的数据均值，这里取为0.1236，整理上式可以得到：

（9）

其中IY为爬升系数。

将每架飞机对应的爬升率Vy和爬升系数IY的值绘制在一张图上，得到如下的图像（图4所示）。

图4 爬升率Vy和爬升系数IY的关系

这样，我们拟合的爬升率与翼载荷和重功比的线性关系式如下：

（10）

3 超轻型飞机设计参数的选取

3.1 设计点的求解

将式（2）、式（4）、式（6）、式（10）变形整理得到翼载荷W/S与重功比W/P的关系式如下：

（11）

（12）

（13）

（14）

将想要得到的超轻型飞机性能参数值代入上面的四组关系式中，并且在同一个坐标系中绘制出来，这样就会得到四条曲线，但是这四条曲线不是相交的，通过调整这四个性能参数中的某个值，直到这四条曲线有一个共同的交点，这个交点的横坐标值为翼载荷W/S，纵坐标值为W/P，此时对应的输入参数为所需的设计参数。

3.2 设计参数选取举例

超轻型飞机的适航对飞机的最大平飞速度的限制是不超过100km/h，失速速度不超过45km/h，所以这里取，通过整理超轻型飞机的数据，取，代入四组方程中得到的图像如图5所示：

图5 四条曲线不相交

很明显，这四条曲线不是相交的，这时要更改它们的取值，取Vmax=100km/h，Vstall=40km/h，lT，g=45m，Vy=2.5m/s，代入上面四组方程得到的图像如图6所示：

图6 四条曲线相交

图6中四条曲线的交点，就是我们需要的设计点，其中，，这里取飞机的最大起飞重量W=115kg+15kg+90kg=220kg，这

样机翼面积，发动机的功率为

，因此，以上就得到超轻型飞机

的主要的设计参数要求。

4 结语

本文通过对超轻型飞机的数据统计，得到翼载荷和重功比与飞机的最大平飞速度、失速速度、起飞距离、爬升率的关系式，通过对输入的性能参数的调整，得到了这些关系式的交点，进而得到超轻型飞机的设计参数要求。从这个过程中能够得到以下结论：

（1）飞机概念设计的关键是对相似类型飞机资料的收集，整理相关性能参数及飞机特点，这样对后期设计起到很大的作用。

（2）飞机的概念设计中，要选择合适的经验公式进行应用，运用合适的经验公式计算的结果能够提高后期设计的准确性。

参考文献

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