飞机的外载荷

第一章 飞机的外载荷
一 作用在飞机上的外力
飞机作为运载工具要求反复使用，可能经历各样的复杂
载荷历程。最主要、最基本的有哪些？ 对结构的影响作用 是什么？这是设计师们关心的基本问题；其次是不同载荷形 态与主要载荷的差异以及这些载荷的变化规律（包括大气气 象规律的统计）。 1. 思维要点： ①主要载荷形式；② 主要载荷分类； ③ 作用于结 构如何分析。
① 作为飞机结构设计时重要原始过载；
② n 的大小实际反映了飞机的机动性能；
③ 结合n 和已知的气动力分布，可获得实际作用于结构
上载荷的大小，从而进行设计与校验。 ④ 可通过在飞机重心处安装加速度计来获取。
3 其他飞行姿态的过载

进入俯冲状态：
G v2 v2 Y G cos n y cos g r gr
1 飞机设计规范简介
①
指定设计规范的意义：对飞机设计和研制给出全面要
求的指令性技术文件，是飞机设计员的工作依据.
②
政府与权威研究机构组织制定，也可与设计主管部门
共同制定。
③
设计规范不是统一的，而是针对不同的飞机类型制定
不同的设计规范，因为飞机的任务与技战术要求不同。
④
设计规范与设计手册是飞机设计人员的基本工具。
3 其他飞行姿态的过载
着陆时的过载 ② 着陆时载荷分析:从着陆前到完全着陆瞬间,飞机y向

速度从-Vy减至零, 故此时的减速度为:
a 0 ( v y ) t vy t
所以，减速度 a 指向机体坐标系 y 的正向，故此时的惯性
力(作用于地面)的方向是向下的。 由动平衡分析:
P lg G N y Y t
1 载荷的参照坐标系：机体坐标系
2 基本载荷形态及分析 飞机的外载： 重力（G)、升力（Y)、阻力（X）、推力（P）、起落架载荷。 惯性力：质量乘以加速度的负值 质量力：飞机重力G（mg）和惯 性力N(-ma)均与飞机质 量m有关，故统称为质量力。
二 典型飞行情况和过载
1 俯冲拉起:对称面内作曲线机动飞行情况（纵向飞行） 飞机的升力使飞机保持向心曲线运动。
对称机动飞行包线的A, B, D, E情况;
非对称机动中的滚转机动、滚转改出; 对称着陆情况、偏航着陆、单个起落架着陆情况等。
3 飞行包线及设计情况 i.依据飞机飞行性能、操纵性、稳定性以及技战术要求，结构强 度要求等综合确定的飞机飞行极限（ny—vdl图）。 ii. 典型飞行状况的飞行包线
Ⅲ. 典型飞行载荷工况： a)对称机动飞行下的使用载荷； b)急剧俯仰机动； c)襟翼放下拉起状态； d)滚转与滚转改出机动等。
2 飞机的分类及其相应的过载（结构设计规范）
① 按用途分：
歼击机（J）；强击机（Q）；歼击教练机（JJ）
多用途机（DY）；教练机（JL）；轰炸机（H）
大型运输机（YH）
② 用机动性分
机动类（歼击机，强击机及相应的教练机） ny=-3-8 半机动类（战术轰炸机，多用途飞机） 非机动类（战略轰炸机，运输机） ny=-2-4、 ny=-1-3
分析该曲线运动中，
① ny max
v2 1 gr
的特性：
0o
② n y max与曲线航迹半径成反比，与切线运动速度的平方成 正比，这表明： 若 n y max 一定，v 一定，则运动半径就规定了；太小，则 结构承载发生问题；
若 n y max 一定，r 一定，则速度就要限制。
③ 由此看来，对结构设计是一个重要的无量纲过载。
2 过载的概念
过载定义：除质量力外，作用在飞机某方向上的所有
外力的合力与当时飞机重量的比值，称为该方向上的过载。
Note ：
① 机体坐标系为正向； ② 过载是一矢量，分量用nx、ny、nz表示。
2 过载的概念 过载的物理意义： ① 表示了作用于飞机重心处的外力与飞机重力 的比值关系； ② 表示了飞机质量力（重力与惯性力均与质量有关，
4 飞机设计时最大过载的选取 ② 人对过载的反映： 人在短时间承受较大过载尚可，特别是正过载。较长时间 承受过载能力很差，特别是负过载。 战斗机的过载一般为-3～8;民机则无必要。 ③ 提高人抗过载的能力：抗过载服。 ④ 规范中的过载系数可供选择(飞行包线上给定）。
三 飞行包线、安全系数、设计载荷
Pd Pe f ne Gf nd G Pe
nd Pd f ne Pe
P e [ P] e [ ]
4 安全系数 iii. 使用设计载荷的原因
a) 保证结构安全； b) 反映静不定结构的承载能力，充分发挥静不定结构的承载 能力，可使结构设计得更轻； c) 便于与破坏载荷的理论设计实验验证； d) f值选取的影响因素； e) 设计要求（结构不能有影响功能的永久变形，强度裕度）； f) 材料应力应变特征(控制在一定应力水平和应变条件下）； g) 工艺制造水平； h) 计算、试验误差（粗糙、准确程度）。
（可能为负，说明升力不总是正的）

垂直俯冲状态：
nx T X (G N x ) N x G G G G
(外作用合力等于惯性力合力的负值)
3 其他飞行姿态的过载

等速水平盘旋：（非对称机动飞行）
Y cos G G Y cos 1 ny cos
1 疲劳载荷
飞机遇到载荷长期反复变化地作用，这种作用会导致结构的“疲 劳” 破坏，因此这种载荷历程一般称为“疲劳”载荷。结构疲劳 导致缺陷生长成裂纹并不断发展，最终导致断裂。
类 型：
突风载荷：大气紊流的作用，是民机、运输机的重要疲劳 载荷，大气紊流的强度以及作用的次数统计； 机动载荷：飞机机动（变速）飞行中升力变化载荷，是军机的 主要疲劳载荷，机动飞行的种类,飞行次数等；
故统称为质量力）与重力的比率。
（应注意质量力与外力方向相反）
nG n Gi ③飞机的质量力应当是飞机的各部分质量力之和： i
2 过载的概念 过载的物理意义： ④飞机中的某集中质量 GI=mig，作用在结构上的质量力为：
Pi nGi 或分量 Piy n y Gi
⑤当飞机沿x方向有变速运动时，x向惯性力：
3 飞行包线及设计情况
设计情况具有代表性的最严重的各种飞机载荷情况。使飞机结构易遭到破 坏、人员设备易受损伤的载荷情况都应入选.


最大的正向和反向载荷情况;
对主要结构件将产生危险损坏的载荷情况; 对飞行战术技术性能将产生严重影响的载荷情况; 对人员将产生损伤的载荷情况; 总载不大，但载荷作用的具体情况特殊，影响严重也应作为设计情况考虑 ;
xi
Niy
xi
n y n yt n yr
i表示转动轴线上的任意位臵
3 其他飞行姿态的过载

着陆时的过载
① 这里的过载定义与空中飞行情况不同。 当空中匀速飞行时, ny=1 表示Y/G=1, 地面滑行或停止态时, 再以升力来定义已毫无意义,应以地面的支撑载荷与重量之 比来定义,即ny=1=Plg/G. Note: i. 这两种情况下的ny=1,但飞机结构的承载方式却完全不同,匀速 平飞是一种分布载荷作用,而着陆主要是以集中力形式作用 于起落架上,通过起落架作用于机身。 ii. 工程上,常称 平飞时ny=1为平飞的1g； 停机时 ny=1 为停机的1g.
750 ~ 800 ， n y 4 ~ 6
3 其他飞行姿态的过载

垂直突风 (在航迹运动坐标系中分析)
Y KC y SQ
u v0
1 2
（1）计算突风引起的升力变化:
C y C y
q
2 H v0
（2）计算过载
u 1 2 H uv0 Y KC y H v0 S KC y S v0 2 2
1 俯冲拉起
动平衡关系：（机体坐标系y向）
,表现了运动的变速特征（曲线运动）
G v2 即： Y G cos N y G cos g r Y v2 cos G gr
升力等于G乘上一个系数， 该系数称为过载。 Y v2 ny cos G gr
1 俯冲拉起


增压载荷：气密压舱一个飞行起落中，压力的变化，增压载
荷的变化规律，作用次数等统计； 着陆撞击载荷：一个起落一次撞击，撞击载荷的强度；
1 疲劳载荷 地面滑行载荷：指地面滑行飞机颠簸所受到的载荷，与 飞机跑道的质量、飞机的重量等有关； 发动机动力装臵的热反复载荷； 地-空-地循环载荷：飞行地面滑行时的1g载荷变化到空 中飞行的1g载荷，这种均值载荷的变化也是疲劳载荷； 其他：机翼尾流对尾翼的周期性作用
N x m a G dv g dt
若俯冲拉起中的曲线运动中，切向是加速运动，则：
n x (T X ) / G N x G sin 1 dv sin G g dt
⑥ nz= 0（飞机展向变速平移难）；nz一般较小，在大机动飞 行中可能出现。
2 过载的概念 过载的实用意义
3 其他飞行姿态的过载

着陆时的过载
③ 由着陆时的载荷(地面给予的外载荷)与重量之比 的过载定义,即设:
ny
P lg P ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ lg

G N y Yt G
④ 这个过载不允许过大,一般ny=3-4 (因为与飞行时对结构 与人的作用不同) 着陆或滑时的情况多样,还可能发生nx,或nz.
4 飞机设计时最大过载的选取 ① 影响选择最大过载的因素: i. 过载实际反映了飞机的机动性能,因此越大越好,但对运 输机或客机则没有太大必要。 Ⅱ. 过载又反映了对结构的载荷作用, 过载越大,表明飞机 结构的承载越大,要有足够的刚、强度，则结构重量大。 Ⅲ. 过载的载荷作用，不仅对结构有作用，而且对机载设备 及乘员有载荷作用。过载越大，对他们的作用越强，要 视他们的承受能力而定。 Ⅳ. 飞行时的过载（除突风干扰外），一般来自于发动机的 推力，过载大，结构要重，发动机的加力性能要好，即 剩余推力要大。 Ⅴ. 过载的选择影响因素众多，要依据技术性能要求综合确 定,并不是越大越好。