【www.shanpow.com--教学设计】
一:[推重比计算]决定飞机性能的两大关键因素:推重比和翼载及其计算方法
“中国指挥与控制学会”可关注我们!
推重比和翼载是影响飞机飞行性能的两个最重要参数,优化这两个参数是初始设计布局完成后需要进行的主要分析和设计工作。但是在初始设计布局之前,需要进行可靠的翼载和推重比估算,否则优化后的飞机可能与初始布局的飞机相差太远,导致设计师们需对其重新设计,浪费大量的人力、资源和时间。
图1 在评估军用飞机的性能时,推重比和翼载是两个重要的参数指标。
推重比的计算方法
推重比直接影响飞机的性能。飞机的推重比越高,加速就越快,爬升就越迅速,可达到的最大高度也越高,转弯角速度也越大。另一方面,飞机的发动机越大,执行全部任务中的油耗也越多,从而使完成设计任务的飞机的起飞重量增加。推重比不是一个常数,在飞行过程中随着燃油消耗,飞机重量不断减小。其次,发动机的推力也随高度和速度变化。
图2 无外挂飞机起飞推重比统计值
设计师们提到飞机的推重比时,通常是指在海平面静止状态(零速度)和标准掉漆条件下,而且是设计起飞重量和最大油门状态下的推重比。确定推重比的过程中,应当注意避免混淆起飞推重比和其他条件下的推重比。如果需要的推重比是在其他条件下得到的,就不能将它折算到起飞条件下,以便于选择发动机的数量和大小。例如,在设计过程中得到了巡航状态的推重比(T/W)巡航,就可以用下面的公式进行折算:
飞机在巡航时,处于水平匀速飞行状态。这个时候飞机的重量等于作用在飞机上的升力,而推力等于阻力,所以推重比等于升阻比L/D的倒数,其计算公式如下:
飞机在爬上状态时,采用的推重比计算公式是:
一般情况下,军用飞机的战技术要求中会给出飞机的起飞滑跑距离值,因此可以根据下面的公式,以起飞滑跑距离来确定推重比。
推重比也可以根据最大平飞速度来确定。如果能够得到最大平飞速度和翼载,就能计算出所需要的推重比。相反,如果已知推重比,就能求出所需要的翼载。
在选取飞机的推重比后,可以根据其不同性质要求求出几个推重比,飞机的推重比取其中的最大值。
翼载的计算方法
翼载是飞机重量除以飞机的参考机翼面积。它会影响飞机的失速速度、爬升率、起飞着陆距离、盘旋距离以及决定设计升力系数,此外还通过对浸湿面积和翼展的影响而改变主力。它对确定飞机的起飞总重量有很大影响。如果翼载减小,机翼就会变大,引起附加的主力和空机重量,导致为完成任务而增加起飞总量。计算翼载的方法主要有以下几个:
图3 无外挂飞机起飞翼载统计值
1首先是根据失速速度来计算翼载。飞机失速是影响飞机安全的主要因素,失速速度直接由翼载和最大升力系数来确定。在计算过程中,可利用失速速度与翼载的关系,来计算满足失速性能的翼载。其计算公式为:
3 计算翼载的第二个方法是通过起飞距离来确定。起飞滑跑距离是指机轮离地前经过的实际距离,正常起飞的离地速度是失速速度的1.1倍。下面两个公式给出了给定起飞距离时所允许的最大翼载。
3第三,根据机动过载确定翼载。飞机的机动性主要反映在一定高度和速度下的过载系数,机动性的好坏依赖于飞机的最大升阻比与发动机推力。一般情况下,战斗机将8或9个g设计为最大使用过载,但是此过载必须对应某个特定的格斗重量。下面公式给出了给定过载系数时所允许的最大翼载。
4第四种方法是根据升限确定翼载,其计算公式如下:
5第五种方法是根据航程来计算翼载。在给定条件下,可以计算出螺旋桨飞机和喷气式飞机最大航程时的翼载。
螺旋桨飞机的翼载计算公式:
喷气式飞机的翼载计算公式:
6第六种方法是根据航时来确定翼载。其中,螺旋桨飞机航时最大时的翼载可以用下列公式进行计算:
喷气式飞机航时最大时的翼载,可以用下列公式进行计算:
在选择机翼翼载时,应根据飞机的不同性能要求计算出翼载,并取其中的最小值。END
来源:科普中国-军事科技前沿”
二:[推重比计算]利刃巨透社:涡扇-15“峨眉”发动机艰辛的发展历程
从八.五时期就开始就开始顶层设计和关键技术分解,九.五进入关键技术设计、新材料新工艺的研究,期间还做了高压压气机、高温升燃烧室、高压涡轮等部件设计,这样一款举国瞩目的发动机,这么久了还没能拉出来溜溜,究竟有多难搞?
作为和四代机项目同档的科研项目,发展涡扇-15发动机是两代中国航发人的执着的梦想。但是由于早期的保密性质,我们在网上对它所了解的并不多。大家也只是知道,中国正在发展一款先进航空发动机,这款发动机推重比为10一级。
很多人在网上了解某型高推重比发动机时,总会有推重比9和10两个结果,这是由于中外推重比计算方式的差异,而非两款大推力发动机,我们所研制的推重比10一级发动机只是外军标准,如果按照我们国内的计算标准,它是只有9的。以AL-31F为例,它在独联体和俄罗斯的计算框架内计算,其推重比达到了惊人的8.127。但是在换算到国内标准后,便只有6.948。
还要能为飞机提供短距/垂直起飞和非常规机动能力(矢量推力)、有良好的隐身能力,发动机的信号特征要尽量小、采用双余度全权限数字电子控制、零件数量减少40%~60%,可靠性提高一倍,耐久性提高两倍、寿命期内费用降低25%~30%。2016年珠海航展,两架歼-20战斗机使用着非涡扇-15发动机亮相,观众们除了被它优秀的机动性所震撼外,也为它的动力感到了深深的疑惑。
同样的,解放军空军目前正在使用的涡扇-10B(14吨一级版本)在推重比上达到了8.3,这个数字可能也是国内标准,如果换算成俄标,那就会更大,而对于涡扇-15的核心数据,目前并没有一个准确的定论。据知情人士透漏,高层对涡扇-15的要求是;推重比为10一级、具有超音速巡航能力,不加力在h=11~13km能以Ma=1.5~1.6持续巡航。
从八.五时期就开始就开始顶层设计和关键技术分解,九.五进入关键技术设计、新材料新工艺的研究,期间还做了高压压气机、高温升燃烧室、高压涡轮等部件设计的发动机,到现在应该可以拉出来溜溜的啊?不过考虑到航空发动机是中国航空工业的短板,历史欠账太多,病去如抽丝,急不得。
每出现一架三代机,那就意味着对于发动机的需求又大了一点。太行发动机的产能目前难以维持解放军庞大的三代机需求,所以不得不用AL-31系列发动机做垫板。这其中,既有基础工业不足,人员培训不够的原因,也有航发体系不够完善的弊端。涡扇-15进度缓慢,和这些原因不无关系。(利刃图文版权所有,未经允许禁止转载)向奋斗在中国航发事业第一线的军工工作者致敬!
三:[推重比计算]基本名词/概念介绍
火箭篇:推力/thrust:这个用说?游戏中推力的单位是千牛(kn)推重比/TWR:顾名思义,就是火箭的推力火箭的重量之比,推重比的大略计算方式是把你的推力除以10(以千牛为单位 )再除以火箭的重量(吨),然后显而易见的……推重比小于一是飞不起来的……*关于推重比的小技巧1:合适的起飞推重比在1.3-2之间,推重比太低浪费燃料,推重比太高小心火箭散架 ,在FAR(真实气动)插件下,高推重比的火箭在转向过程中很有可能咔擦!*关于推重比的小技巧2:美国设想中的SLS货运型起飞重量2900吨,芯级推力1300吨多点 ,飞不起来?人家有固推,固推和芯级同时点火,等固推烧完扔了,芯级的推重比就大于1了(燃料消耗减轻了重量)*关于推重比的小技巧3:重力转向到一定程度之后,火箭的推重比就不需要大于1了,因此火箭的上面级不需要过度追求推重比,当然大一点的推重比会让你的入轨过程更加顺畅,但是由于推力太大不好控制,大推重比火箭入轨之后微调会比较麻烦*关于推重比的小技巧4:入轨之后哪怕你的推重比是0.01,也是不会掉下来的!这就是核推为什么只有60kn的推力依然是深空探测的神器的原因——但是注意,过小的推重比会让你的加速过程变得无比漫长,而且如果你在一个周期较短的轨道(如各卫星)上进行需要大量DV的加速,过小的推重比会导致开始加速时和加速接近结束时火箭离轴角过大,浪费DV。*关于推重比的小技巧5:发动机本身的推重比(发动机推力和重量之比)越高越好,越高相当于死重越小*关于推重比的小技巧6:造火箭时MJ计算的推重比都是按照kerbin的重力计算的,由于各星体引力不同,在kerbin上推重比小于1的火箭在其他星体上是可能飞得起来的,比如你要造一个可以从duna起飞的火箭,只需要达到0.4的推重比就可以了比冲/ISP: 概念比较拗口,为了不露马脚我就不解释了,简单地说,比冲就是火箭发动机的效率,同样推力同样燃料量的前提下,比冲越高的发动机工作的时间越长,能带来的DV也就越多,所有发动机的大气比冲都低于真空比冲*关于比冲的小技巧1:真空比冲高的发动机一般大气比冲低,用来作第一级不划算*关于比冲的小技巧2:同样直径的发动机,推力大的比冲低*关于比冲的小技巧3:随着海拔的上升,发动机的比冲随之上升,但不是飞出了大气层才上升到真空比冲,大约到4W米左右比冲就达到最大值了,而且在最初的几千米上升速度最快,因此用高比冲发动机做第二级是可行的
轨道篇:近拱点/PE:一条轨道上高度最低的点,在这个点上航天器的速度最快,在这个点上加速是最划算的远拱点/AP:一条轨道上高度最高的点,在这个点上航天器的速度最慢,在这个点上加速是最不划算的,如果你想要脱离行星引力,请在近拱点加速轨道倾角:轨道平面和母星赤道平面的夹角,0度和180度的轨道平面都与赤道平面重合,不同的是0度轨道上的航天器公转方向与母星自转方向相同,180度轨道则相反;90度和270度为极地轨道,轨道平面和赤道平面垂直。升交点/AN:轨道倾角不为0或180度时,航天器由南到北穿过赤道平面的一点称为轨道的升交点,反之为降交点/DN,要改变轨道倾角请在这两个点变轨。偏心率:椭 圆两焦点间距离和长轴长度的比值,正圆轨道偏心率为0,轨道越扁,偏心率越大。同步轨道:公转周期和母星自转周期相同的轨道,kerbin的同步轨道高度为2868.4km,在真实太阳系(RSS)MOD下,同步轨道高度和地球同步轨道高度相同,为35786公里*Duna的同步轨道和其天然卫星轨道重合,因此几乎不可能放置Duna同步轨道卫星。*定位足够精确的话是可以的,感谢@Eimon 补充
星际航行篇:匹配倾角:进行交会对接时必须进行的动作,指将两个航天器的轨道平面重合,一般在两个航天器轨道平面的交点(即升/降交点)执行变轨动作霍曼转移:交会对接和从一个天体飞往另一个天体必须的动作,在航天器和目标天体处于一个特定位置时加速或者减速,让航天器处于AP/PE点时正好进入目标天体的引力范围——其实只要是航天器在某一点进入目标天体的引力范围也可以。谢谢@littlemite 提供的霍曼转移时行星间相角图:
速增量/DV/Δ-V:一个航天器能获得的速度变化量的总和(增加或减少),这个数字直观地决定了你的航天器能飞到哪儿去,这里上一个图,关于在坎巴拉太空计划中去各大天体所需要的DV:双曲线轨道:大多数情况下,在你的航天器被目标天体引力捕获之后形成的就是双曲线轨道,这种轨道只有PE点没有AP点,如果你不做任何动作,你的航天器将会沿着这条轨道飞出目标天体引力圈,除非你的PE点在目标天体大气层内,那么你可能通过大气减速而形成环绕轨道,如果不是,你需要在PE点点燃火箭发动机进行减速直到AP点出现。对于有大气的星球,更方便的办法是形成双曲线轨道后第一时间将PE点降到大气层之内,至于需要降到多高,推荐使用大气刹车计算器:http://alterbaron.github.io/ksp_aerocalc/自由返回轨道:这个是高玩的东西,反正我是没拉出来过,通常用于在从一个行星的环绕轨道转移至其卫星,成型后为一个八字形轨道,如果在被卫星引力捕获后不做任何动作的话会自动脱离卫星引力返回行星的环绕轨道。@Eimon 补充的自由返回轨道做法:当卫星飞跃月亮的时候,让卫星的近拱点处于月亮之前(月球在轨道上运动的方向相同称为前,相反称为后)就能利用月球减速,这个近拱点越近,脱离月球引力之后的近地点越低拉格朗日点:在环绕运行的两个天体之间的5个点,在这五个点上航天器可以保持与两个天体相对静止的状态。首先……KSP里面没有真正意义上的拉格朗日点,因为系统不同时计算两个星体的引力,相当于拉格朗日点的位置是有的,如在kerbin公转方向前方或后方,轨道和kerbin完全重合,公转周期相同的点,也可以当拉格朗日点用,如果你装了通讯MOD,这些位置有重要的价值。