飞机结构设计第2章飞机的外载荷

面
起飞着陆时作用在前、 力
主起落架的地面反力
Pn 、 Pm
2.1.1 过载的概念
定义：飞机所受除重力之外的表面力总和与 飞机重量之比称为过载系数n，简称 过载。
n = Rf /G
n = nxi + ny j + nz k
n=
n
2 x
+
n
2 y
+
n
2 z
过载系数可正，可负；与坐标轴方向一致 为正，反之为负
过载系数的实用意义
知道了过载系数ny→P=ny﹒G（CG处）→ 各点Psj，Psj=ny﹒Gj
z 它是飞机设计中很重要的一个原始参 数，与飞行状态机动性密切相关
z ny可由过载表测量获得
2.2 不同飞行条件下的过载
2.2.1 水平面内的定常直线飞行 2.2.2 垂直平面内的曲线飞行 2.2.3 水平面内的曲线飞行(正常布局) 2.2.4 最大过载ny max 2.2.5 非质心处质量的过载 2.2.6 突风过载 2.2.7 着陆过载
nmax愈大，机动性愈好；但nmax增大使 结构受力增大，结构重量也增加，反过来又 影响整个飞机的性能
nmax ↑，各种设备的惯性力↑，而很多 设备对惯性力的承受也有限度，∴nmax↑对 设备的要求也相应提高
人对nmax的承受能力也有限
飞行员承受过载的能力与过载方向和时间的关系
图2.5 抗过载服系统 1-发动机引来的压缩空气；
Θ
Ny
=
m ⋅ay
=
G g
⋅V 2 R
∴ny
=
Y G
=
−
1 g
⋅V 2 R
+ cosθ
=
cos θ
−
V2 gR
nx
=T−X G
=
Nx G
− sin θ
=
1 ⋅ ∂V g ∂t
− sin θ
俯冲后拉起
∑Fy=0 Y = Ny + G
n y = cos θ
当θ=0时,ny→max,
⋅
cosθ =
+V2 gR
2.2.1 水平面内的匀速直线飞行
图2.2 匀速水平飞行
∑Fx=0 ∑Fy=0
T=X Y=G
nx
=
T
−X G
=0
nz
=
Z G
=
0
ny
=
Y G
=1
等速平直倒飞：ny= -1
2.2.2 垂直平面内的曲线飞行
进入俯冲
∑Fx =0:
T − X + G sin θ = N x
∑Fy=0:
Y + N y − G cos θ = 0
习惯上将过载系数称为过载；平时所说的 过载是指ny，∵一般地nx和nz均很小，且x方 向的强度、刚度一般较好
Θ 平衡方程
P cos(α + ϕ ) − X = G sinθ + maτ ; aτ = dV / dt Y + P sin(α + ϕ ) = G cosθ + man; an = V 2 / R
n max
V2 G
gR =1+
+ G cosθ
V2 gR
垂直俯冲
nx
=T
−X G
=
− (G − N x ) G
=
Nx −G G
特例：自由坠落情况
2.2.3 水平面内的曲线飞行(正常布局)
z 如知道γ
∑Fn=0
Y sin γ = N = G ⋅ V 2
∑Fv=0
gR
Y cos γ = G
ny
2.飞机的过载来源于加速度。如果飞行加速 度为0，则 n y =1。
就Y方向而言，过载系数又表示了飞机实 际的质量力情况：
ny=质量力/G 质量力与飞机所受的外力大小相等，但方
向相反（它们是平衡力系）；
因此，如以质量力来决定过载的方向，就 应该是与飞机坐标轴正方向相反为正，反 之为负。
R为飞机运动轨迹的曲率半径
∴
nx
=
P cos(α + ϕ ) − X
G
= sinθ
+
1 g
dV dt
ny
=
Y
+
P sin(α
G
+ϕ)
=
cosθ
+
1 g
V2 R
2.1.2 过载与加速度的关系
n = Rf m = a Gg m
nx
=
sinθ
+
aτ g
ny
=
cosθ
+
an g
过载的物理意义：
1.过载系数表示了作用于飞机重心处(坐标 原点)飞机所受的实际外力与飞机重力的关 系。
第2章
飞机的外载荷
南京航空航天大学 飞机设计技术研究所
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）。 学习要点：
① 主要载荷形式； ② 主要载荷分类； ③ 作用于结构如何分析。
2.1 飞机结构上的主要载荷 2.2 不同飞行条件下的过载 2.3 其它载荷情况 2.4 疲劳载荷 2.5 飞机设计规范简介
2.1 飞机结构上的主要载荷
飞机在飞行、起飞、着陆、地面维护等使 用过程中，作用在飞机上的外力称为飞机 的外载荷
(1)飞行时的外载荷。 (2)起飞、着陆时的外载荷。
=
Y G
=
1
cosHale Waihona Puke Baiduγ
如果用过载仪测出ny，也就知道γ，cosγ
=
1 ny
z 如知道V和R：
1
Y=
G2
+ N2
=
G
⋅
⎡ ⎢1 ⎣
+
V2 gR
⎤ ⎥ ⎦
2
1
ny
=
⎡ ⎢1
+
⎣
V 2 ⎤2
gR
⎥ ⎦
ny
=
Y G
=
1
cos γ
1
ny
=
⎡ ⎢1
+
⎣
V2 ⎤2
gR
⎥ ⎦
Y sin γ = N = G ⋅ V 2
很明显，此时将产生相当大的
载荷系数。
2.2.4 最大过载ny max
ny max
= Ymax G
= cy max
ρ H Vm2ax
2
1 G/S
=
1
f
(cy max , H ,Vmax ,
) p
式中：p=G/S
Cymax 1.2
0.4 M
H
Vmax
V
最大过载nmax的选取与飞机性能、设备 性能和人的生理机能等均有关
2-气滤；3-调压器； 4-通信号灯；胶囊
gR
盘 旋 倾 斜 角 越 大 ， ny 越 大 。 当γ=75º~80º时， ny=4~6。
当飞行速度增大时，如仍
1
ny
=
⎡ ⎢1 ⎣
+
V2 gR
⎤ ⎥ ⎦
2
需作小半径盘旋，则需要采用
大迎角飞行以产生大的升力，
同时，需要克服升力增加所引
起的阻力增大，还需要大的倾
斜角，以产生作此盘旋所需的
升力的水平分量（向心力）。
机体坐标系
速度坐标系
载荷分类
1.质量力Rm—与飞机的质量和加速度有关的 力，如：重力G；惯性力Nx等
2.表面力Rf —由物 体之间直接接触
作用而产生的作
用在飞机表面上
的力，如：气动 力 Y 、 Yt ； 发 动 机 推力T；地面支反 力等
升力 Y（L）
阻力 X （D）
动力装置产生的推力 表
T （F）