2014-飞机总体设计-2第二讲-设计的依据与参数选择
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概念草图
来源：Kirschbaum’s Aircraft Design Handbook, Aircraft Design Aid and Layout Guide 29
2.2.1 wk.baidu.com念构思与概念草图
概念草图
T9（330504）
T1 “潮汐猎人” （330501）
DT02“火蜥蜴” （100510）
来源：Aircraft Engine Design,1987 (2nd Edition, 2002)
16
2.1.4 设计要求示例
任务剖面
14个任务段
20个任务段！
17
2.1.4 设计要求示例
任务剖面
序号 1 2 任务段名称 起飞 水平加速 任务段数据 起飞时间=3min、起飞滑跑距离=304.80m、最小失速速度=53.34m/s、 机场海拔高度=609.60m、跑道摩阻系数=0.05 所在高度=609.60m、起始速度=0.18Ma、终止速度=0.70Ma、 水平加速允许时间=30.42s、军用推力状态 起始高度=609.60m、终止高度=13106.4m、 起始速度=0.70Ma、终止速度=0. 90Ma、军用推力状态 巡航高度=13106.4m、巡航速度=0. 90Ma、巡航距离=277.8km 起始高度=13106.4m、终止高度=9144. 0m 待机高度=9144.0m、待机速度=0. 68Ma、待机时间=0.33h
来源： 方宝瑞. 飞机气动布局设计
4
2.1.1 飞机的设计要求
飞机设计要求是一项技术文件，没有 固定格式 飞机设计要求的基本内容
飞机的用途和任务
• 所设计的飞机是民用机还是军用机？ • 主要用途是什么？ • 其他用途又是什么？
5
2.1.1 飞机的设计要求
飞机设计要求的基本内容（续）
任务剖面
政治上，未来政治环境和冲突规模的估计 经济上，全寿命费用和承受能力的估计 技术上，未来敌机发展的估计和新技术的风险 分析
来源： 方宝瑞. 飞机气动布局设计
3
2.1.1 飞机的设计要求
设计要求的提出—民用飞机
民用飞机很难说有什么“固定客户”，因 此要发展什么样的飞机，一般由飞机公司 提出初步设想，经过与可能用户的商讨， 再制定设计要求 设计要求也需要有正确的预见性，因此必 须必须进行长期的市场调查和详细的分析 研究
环保性指标
11
2.1.2 飞机的设计规范
飞机设计规范由国家的有关部门制定和颁布， 是指导飞机设计工作的通用性技术文件
对各类飞机作了许多指令性的规定
飞机的设计情况 安全系数 过载系数 飞行载荷 突风载荷
飞行品质 飞行包线 起飞与着陆的要求 飞机重心的稳定性裕度 强度和刚度
飞机性能综 合分析评估
结构布局 及重量
第二讲 设计的依据与参数选择
2.1 飞机设计的依据
2.1.1 飞机的设计要求 2.1.2 飞机的设计规范 2.1.3 飞机的总体技术指标 2.1.4 设计要求示例
2.2 飞机总体设计的参数选择
2
2.1.1 飞机的设计要求
设计要求的提出—军用飞机 通常由军方根据如下因素提出：
qmax“裕度”
温度指标 飞行包线 —飞机的飞行特征 和飞行高度的范围
15
2.1.4 设计要求示例
类型与用途
作为与先进战术战斗机（Advanced Tactical Fighter，ATF）进行“高低搭配”的低端机型 执行空对空作战的 单座轻型战斗机 尽可能地采用新技术 以满足任务要求
0.28~0.30
0.10~0.12
0.10~0.12
0.26~0.30
重型
0.25~0.27
0.08~0.10
0.09~0.11
0.35~0.40
超声速客机
0.20~0.24
0.08~0.10
0.07~0.09
0.45~0.52
36
2.2.2 初步参数选择
起飞重量的构成
W0 Wcrew Wpayload Wfuel Wempty
乘员 有效 载荷 燃油 空机 重量
W0 Wcrew Wpayload ( W0 ( W0 Wf W0 )W0 (
功能系统
• 航电、安全、飞控等
隐身性能要求 使用维护要求
10
2.1.1 飞机的设计要求
飞机设计要求的基本内容（续）
机体结构方面的要求
• 正、负最大过载 • 承受动强度、使用寿命
研制周期和费用 经济性指标
• 制造成本 • 直接运营成本（Direct operating costs，DOC） •„
19
2.1.4 设计要求示例
任务剖面
14 15 16 17 18 19 20 巡航 减速爬升 巡航高度=9144.0m、巡航速度=1.5Ma、巡航距离=46.3km 起始高度=9144. 0m、终止高度=13106.4m、 起始速度=1.5Ma、终止速度=0. 9Ma、军用推力状态 巡航高度=13106.4m、巡航速度=0.9Ma、巡航距离=277.8km 起始高度=13106.4m、终止高度=3048.0m 待机高度=3048.0m、待机速度=0.3Ma、待机时间=0.33h 起始高度=3048.0m、终止高度=1000.0m 进场高度=1000.0m、着陆接地速度=70m/s、着陆滑跑距离=304.8m、 机场海拔高度=609.6m、跑道摩阻系数=0.4
设计起飞重量 W0 动力装置海平面静推力 T 机翼面积 S 组合参数 • 推重比 T/W0 • 翼载荷 W0 /S (kg) (kg) (m2)
(kg/m2)
32
2.2.1 概念构思与概念草图
符号与单位说明
参数
重量 推力 重力 推重比 翼载荷
《飞机总体设计》
m (kg) F (N) G (N) F0/G0 m0 /S (kg/m2 )
简单剖面： 起飞－爬升－ 巡航－待机－ 下降－着陆
6
2.1.1 飞机的设计要求
飞机设计要求的基本内容（续）
任务剖面
作战剖面： 起飞－爬升－ 巡航－待机－ 下降－投弹－ 爬升－巡航－ 待机－下降－ 着陆
7
2.1.1 飞机的设计要求
飞机设计要求的基本内容（续）
任务剖面
8
2.1.1 飞机的设计要求
12
2.1.2 飞机的设计规范
典型的设计规范
美国
• 军用飞机设计规范（MIL） • 联邦适航性条例（FAR-25、FAR-23）
中国
• 军用飞机强度规范 • 中国民用航空规章（CCAR-25、CCAR-23 ）
13
2.1.3 飞机的总体技术指标
制定
由总设计师和总体设计部门，根据飞机使用技 术要求或战术技术要求，以及有关的设计规范 和适航标准等文件而制定
飞机设计要求的基本内容（续）
飞行性能
• • • • • • • • 最大飞行速度 升限 航程 爬升性能 加速性能 减速性能 盘旋性能 起降性能
9
2.1.1 飞机的设计要求
飞机设计要求的基本内容（续）
有效载荷（商载、酬载，Payload）
• 军机（飞行员、武器） • 民机 （机组、乘客、货物）
飞机总体设计 第二讲
设计的依据与参数选择
飞机系 航空科学与工程学院
本讲内容在设计流程中的位置
主要设计 参数选择
总体布局设计
配平型式选择 飞机设计 的依据 机翼参数选择 尾翼参数选择 机舱与装载布置 推进系统设计 起落架布置 部件及分 系统设计
飞机总体布置 和几何建模
多学科设计 优化(MOD)
经济性、环 保性分析
概念构思的形成
对各专业基本知识的全面了解 ＋创新的思想 ＋美学观点
概念构思的体现 — 概念草图
（Conceptual Sketch）
27
2.2.1 概念构思与概念草图
概念草图
画出多个候选方案，不要指望一开始就知道该怎么做 在可能的情况下对多个方案都进行分析和优化
28
2.2.1 概念构思与概念草图
目的
为了全面指导和协调整个飞机设计的工作
内容
飞机设计要求的具体化和某些必要的补充 考虑当前和今后一个时期内，该指标有一定的 先进性和现实可能性
14
2.1.3 飞机的总体技术指标
具体项目
最大使用过载 1 2 最大最大速压（速压/动压= 2 ）
qmax max qmax qmax qmax 对应于某高度下的最大速度
21
2.1.4 设计要求示例
有效载荷
飞行员 1名 武器
• • • • AMRAAM × 2 AIM-9L × 2 25mm机炮 × 1 炮弹 × 500 326 lb/枚 191 lb/枚 270 lb 550 lb
22
第二讲 设计的依据与参数选择
2.1 飞机设计的依据 2.2 飞机总体设计的参数选择
2.2.1 概念构思与概念草图 2.2.2 初步参数选择
2.2.1 概念构思与概念草图
概念构思的形成
熟知同类用途飞机的布局形式，了解不同布局 的利弊和特点
24
2.2.1 概念构思与概念草图
概念构思的形成
积累数据
• 飞机的数据 • 主要标准部件的形状和重量 – 座椅、炸弹、机炮、集装箱… – 可能的发动机 • 了解相关领域的最新水平 – 气动、结构、飞控系统、隐身技术… “勿在浮砂筑高台”
—候俊杰
《深入浅出MFC》
25
2.2.1 概念构思与概念草图
概念构思的形成
积累数据
• 主要的数据来源 飞机的技术说明书 简氏飞机年鉴 （Jane‘s All The World’s Aircraft） 飞机公司宣传资料 设计教科书 期刊杂志 互联网
26
2.2.1 概念构思与概念草图
30
2.2.1 概念构思与概念草图
草图的作用
确定你对要设计的方案的整体印象 勾画出气动布局 表示出在哪里布置机组、有效载荷、乘员、 起落架、发动机、燃油和主要的子系统 用于总体设计的第一次近似 —估算初始的主要总体设计参数
31
2.2.1 概念构思与概念草图
飞机的主要总体设计参数
飞机相对重量因数统计表（战斗机）
飞机正常起飞重量， 吨 设备重量，吨 14吨 3／0.215 21吨 4.5／0.215 27.1吨（F-22） 4.25／0.169
结构重量，吨 动力装置重量，吨
燃油重量，吨 推重比
4.5／0.32 2.7／0.195
3.8／0.27 1.08~1.18
6.5／0.31 4.1／0.195
3 4 5 6
加速爬升 巡航 下降 巡逻待机
18
2.1.4 设计要求示例
任务剖面
7 水平加速 所在高度=9144.0m、起始速度=0.68Ma、终止速度=1.50Ma、 水平加速允许时间=50s、最大推力状态
8
9 10 11 12 13
巡航
格斗盘旋 格斗盘旋 水平加速 投放有效载荷 投放有效载荷
Aircraft Design: A Conceptual Approach (mks)
W (kg) T (kg)
T/W0 W0 /S (kg/m2 )
升阻比
K=CL/CD
L/D
33
2.2.2 初步参数选择
Sizing－参数选择；定参数
34
2.2.2 初步参数选择
可根据同类飞机的统计数据获得所设计飞机的分 项重量
巡航高度=9144.0m、巡航速度=1.5Ma、巡航距离=185.2km
盘旋高度=9144.0m、盘旋速度=1.6Ma、盘旋圈数=1 盘旋高度=9144.0m、盘旋速度=0.9Ma、盘旋圈数=2 所在高度=9144.0m、起始速度=0.8Ma、终止速度=1.60Ma、 水平加速允许时间=50s、最大推力状态 投放的有效载荷的重量=295.74kg （2枚AMRAAM导弹） 投放的有效载荷的重量=298.0kg （2枚AIM-9L导弹和1/2的炮弹）
巡航 下降 巡逻待机 下降 着陆
20
2.1.4 设计要求示例
性能要求
起飞距离 1500 ft
着陆距离 最大速度
超音速巡航要求
1500 ft 2.0Ma /40k ft
1.5Ma /30k ft
加速性能
持续盘旋过载
0.8-1.6Ma /30k ft t≤50 s
n≥5 at 0.9 /30k ft n≥5 at 1.6Ma /30k ft
5.9／0.28 0.96~1.19
7.2／0.28 3.6／0.14
9.98／0.39 1.17
35
2.2.2 初步参数选择
飞机相对重量因数统计表（民用客机）
飞机种类 结构重量 动力装置 固定设备 燃油
轻型
亚声速干线 客机
0.30~0.32
0.12~0.14
0.12~0.14
0.18~0.22
中型
来源：Kirschbaum’s Aircraft Design Handbook, Aircraft Design Aid and Layout Guide 29
2.2.1 wk.baidu.com念构思与概念草图
概念草图
T9（330504）
T1 “潮汐猎人” （330501）
DT02“火蜥蜴” （100510）
来源：Aircraft Engine Design,1987 (2nd Edition, 2002)
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2.1.4 设计要求示例
任务剖面
14个任务段
20个任务段！
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2.1.4 设计要求示例
任务剖面
序号 1 2 任务段名称 起飞 水平加速 任务段数据 起飞时间=3min、起飞滑跑距离=304.80m、最小失速速度=53.34m/s、 机场海拔高度=609.60m、跑道摩阻系数=0.05 所在高度=609.60m、起始速度=0.18Ma、终止速度=0.70Ma、 水平加速允许时间=30.42s、军用推力状态 起始高度=609.60m、终止高度=13106.4m、 起始速度=0.70Ma、终止速度=0. 90Ma、军用推力状态 巡航高度=13106.4m、巡航速度=0. 90Ma、巡航距离=277.8km 起始高度=13106.4m、终止高度=9144. 0m 待机高度=9144.0m、待机速度=0. 68Ma、待机时间=0.33h
来源： 方宝瑞. 飞机气动布局设计
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2.1.1 飞机的设计要求
飞机设计要求是一项技术文件，没有 固定格式 飞机设计要求的基本内容
飞机的用途和任务
• 所设计的飞机是民用机还是军用机？ • 主要用途是什么？ • 其他用途又是什么？
5
2.1.1 飞机的设计要求
飞机设计要求的基本内容（续）
任务剖面
政治上，未来政治环境和冲突规模的估计 经济上，全寿命费用和承受能力的估计 技术上，未来敌机发展的估计和新技术的风险 分析
来源： 方宝瑞. 飞机气动布局设计
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2.1.1 飞机的设计要求
设计要求的提出—民用飞机
民用飞机很难说有什么“固定客户”，因 此要发展什么样的飞机，一般由飞机公司 提出初步设想，经过与可能用户的商讨， 再制定设计要求 设计要求也需要有正确的预见性，因此必 须必须进行长期的市场调查和详细的分析 研究
环保性指标
11
2.1.2 飞机的设计规范
飞机设计规范由国家的有关部门制定和颁布， 是指导飞机设计工作的通用性技术文件
对各类飞机作了许多指令性的规定
飞机的设计情况 安全系数 过载系数 飞行载荷 突风载荷
飞行品质 飞行包线 起飞与着陆的要求 飞机重心的稳定性裕度 强度和刚度
飞机性能综 合分析评估
结构布局 及重量
第二讲 设计的依据与参数选择
2.1 飞机设计的依据
2.1.1 飞机的设计要求 2.1.2 飞机的设计规范 2.1.3 飞机的总体技术指标 2.1.4 设计要求示例
2.2 飞机总体设计的参数选择
2
2.1.1 飞机的设计要求
设计要求的提出—军用飞机 通常由军方根据如下因素提出：
qmax“裕度”
温度指标 飞行包线 —飞机的飞行特征 和飞行高度的范围
15
2.1.4 设计要求示例
类型与用途
作为与先进战术战斗机（Advanced Tactical Fighter，ATF）进行“高低搭配”的低端机型 执行空对空作战的 单座轻型战斗机 尽可能地采用新技术 以满足任务要求
0.28~0.30
0.10~0.12
0.10~0.12
0.26~0.30
重型
0.25~0.27
0.08~0.10
0.09~0.11
0.35~0.40
超声速客机
0.20~0.24
0.08~0.10
0.07~0.09
0.45~0.52
36
2.2.2 初步参数选择
起飞重量的构成
W0 Wcrew Wpayload Wfuel Wempty
乘员 有效 载荷 燃油 空机 重量
W0 Wcrew Wpayload ( W0 ( W0 Wf W0 )W0 (
功能系统
• 航电、安全、飞控等
隐身性能要求 使用维护要求
10
2.1.1 飞机的设计要求
飞机设计要求的基本内容（续）
机体结构方面的要求
• 正、负最大过载 • 承受动强度、使用寿命
研制周期和费用 经济性指标
• 制造成本 • 直接运营成本（Direct operating costs，DOC） •„
19
2.1.4 设计要求示例
任务剖面
14 15 16 17 18 19 20 巡航 减速爬升 巡航高度=9144.0m、巡航速度=1.5Ma、巡航距离=46.3km 起始高度=9144. 0m、终止高度=13106.4m、 起始速度=1.5Ma、终止速度=0. 9Ma、军用推力状态 巡航高度=13106.4m、巡航速度=0.9Ma、巡航距离=277.8km 起始高度=13106.4m、终止高度=3048.0m 待机高度=3048.0m、待机速度=0.3Ma、待机时间=0.33h 起始高度=3048.0m、终止高度=1000.0m 进场高度=1000.0m、着陆接地速度=70m/s、着陆滑跑距离=304.8m、 机场海拔高度=609.6m、跑道摩阻系数=0.4
设计起飞重量 W0 动力装置海平面静推力 T 机翼面积 S 组合参数 • 推重比 T/W0 • 翼载荷 W0 /S (kg) (kg) (m2)
(kg/m2)
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2.2.1 概念构思与概念草图
符号与单位说明
参数
重量 推力 重力 推重比 翼载荷
《飞机总体设计》
m (kg) F (N) G (N) F0/G0 m0 /S (kg/m2 )
简单剖面： 起飞－爬升－ 巡航－待机－ 下降－着陆
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2.1.1 飞机的设计要求
飞机设计要求的基本内容（续）
任务剖面
作战剖面： 起飞－爬升－ 巡航－待机－ 下降－投弹－ 爬升－巡航－ 待机－下降－ 着陆
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2.1.1 飞机的设计要求
飞机设计要求的基本内容（续）
任务剖面
8
2.1.1 飞机的设计要求
12
2.1.2 飞机的设计规范
典型的设计规范
美国
• 军用飞机设计规范（MIL） • 联邦适航性条例（FAR-25、FAR-23）
中国
• 军用飞机强度规范 • 中国民用航空规章（CCAR-25、CCAR-23 ）
13
2.1.3 飞机的总体技术指标
制定
由总设计师和总体设计部门，根据飞机使用技 术要求或战术技术要求，以及有关的设计规范 和适航标准等文件而制定
飞机设计要求的基本内容（续）
飞行性能
• • • • • • • • 最大飞行速度 升限 航程 爬升性能 加速性能 减速性能 盘旋性能 起降性能
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2.1.1 飞机的设计要求
飞机设计要求的基本内容（续）
有效载荷（商载、酬载，Payload）
• 军机（飞行员、武器） • 民机 （机组、乘客、货物）
飞机总体设计 第二讲
设计的依据与参数选择
飞机系 航空科学与工程学院
本讲内容在设计流程中的位置
主要设计 参数选择
总体布局设计
配平型式选择 飞机设计 的依据 机翼参数选择 尾翼参数选择 机舱与装载布置 推进系统设计 起落架布置 部件及分 系统设计
飞机总体布置 和几何建模
多学科设计 优化(MOD)
经济性、环 保性分析
概念构思的形成
对各专业基本知识的全面了解 ＋创新的思想 ＋美学观点
概念构思的体现 — 概念草图
（Conceptual Sketch）
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2.2.1 概念构思与概念草图
概念草图
画出多个候选方案，不要指望一开始就知道该怎么做 在可能的情况下对多个方案都进行分析和优化
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2.2.1 概念构思与概念草图
目的
为了全面指导和协调整个飞机设计的工作
内容
飞机设计要求的具体化和某些必要的补充 考虑当前和今后一个时期内，该指标有一定的 先进性和现实可能性
14
2.1.3 飞机的总体技术指标
具体项目
最大使用过载 1 2 最大最大速压（速压/动压= 2 ）
qmax max qmax qmax qmax 对应于某高度下的最大速度
21
2.1.4 设计要求示例
有效载荷
飞行员 1名 武器
• • • • AMRAAM × 2 AIM-9L × 2 25mm机炮 × 1 炮弹 × 500 326 lb/枚 191 lb/枚 270 lb 550 lb
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第二讲 设计的依据与参数选择
2.1 飞机设计的依据 2.2 飞机总体设计的参数选择
2.2.1 概念构思与概念草图 2.2.2 初步参数选择
2.2.1 概念构思与概念草图
概念构思的形成
熟知同类用途飞机的布局形式，了解不同布局 的利弊和特点
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2.2.1 概念构思与概念草图
概念构思的形成
积累数据
• 飞机的数据 • 主要标准部件的形状和重量 – 座椅、炸弹、机炮、集装箱… – 可能的发动机 • 了解相关领域的最新水平 – 气动、结构、飞控系统、隐身技术… “勿在浮砂筑高台”
—候俊杰
《深入浅出MFC》
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2.2.1 概念构思与概念草图
概念构思的形成
积累数据
• 主要的数据来源 飞机的技术说明书 简氏飞机年鉴 （Jane‘s All The World’s Aircraft） 飞机公司宣传资料 设计教科书 期刊杂志 互联网
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2.2.1 概念构思与概念草图
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2.2.1 概念构思与概念草图
草图的作用
确定你对要设计的方案的整体印象 勾画出气动布局 表示出在哪里布置机组、有效载荷、乘员、 起落架、发动机、燃油和主要的子系统 用于总体设计的第一次近似 —估算初始的主要总体设计参数
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2.2.1 概念构思与概念草图
飞机的主要总体设计参数
飞机相对重量因数统计表（战斗机）
飞机正常起飞重量， 吨 设备重量，吨 14吨 3／0.215 21吨 4.5／0.215 27.1吨（F-22） 4.25／0.169
结构重量，吨 动力装置重量，吨
燃油重量，吨 推重比
4.5／0.32 2.7／0.195
3.8／0.27 1.08~1.18
6.5／0.31 4.1／0.195
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加速爬升 巡航 下降 巡逻待机
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2.1.4 设计要求示例
任务剖面
7 水平加速 所在高度=9144.0m、起始速度=0.68Ma、终止速度=1.50Ma、 水平加速允许时间=50s、最大推力状态
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9 10 11 12 13
巡航
格斗盘旋 格斗盘旋 水平加速 投放有效载荷 投放有效载荷
Aircraft Design: A Conceptual Approach (mks)
W (kg) T (kg)
T/W0 W0 /S (kg/m2 )
升阻比
K=CL/CD
L/D
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2.2.2 初步参数选择
Sizing－参数选择；定参数
34
2.2.2 初步参数选择
可根据同类飞机的统计数据获得所设计飞机的分 项重量
巡航高度=9144.0m、巡航速度=1.5Ma、巡航距离=185.2km
盘旋高度=9144.0m、盘旋速度=1.6Ma、盘旋圈数=1 盘旋高度=9144.0m、盘旋速度=0.9Ma、盘旋圈数=2 所在高度=9144.0m、起始速度=0.8Ma、终止速度=1.60Ma、 水平加速允许时间=50s、最大推力状态 投放的有效载荷的重量=295.74kg （2枚AMRAAM导弹） 投放的有效载荷的重量=298.0kg （2枚AIM-9L导弹和1/2的炮弹）
巡航 下降 巡逻待机 下降 着陆
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2.1.4 设计要求示例
性能要求
起飞距离 1500 ft
着陆距离 最大速度
超音速巡航要求
1500 ft 2.0Ma /40k ft
1.5Ma /30k ft
加速性能
持续盘旋过载
0.8-1.6Ma /30k ft t≤50 s
n≥5 at 0.9 /30k ft n≥5 at 1.6Ma /30k ft
5.9／0.28 0.96~1.19
7.2／0.28 3.6／0.14
9.98／0.39 1.17
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2.2.2 初步参数选择
飞机相对重量因数统计表（民用客机）
飞机种类 结构重量 动力装置 固定设备 燃油
轻型
亚声速干线 客机
0.30~0.32
0.12~0.14
0.12~0.14
0.18~0.22
中型