2019-飞机总体设计-9第九讲 -重量特性估算
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第九讲
重量特性估算
飞机系 航空工程学院
第九讲 重量特性估算
9.1 飞机重量分类 9.2 近似分类重量法 9.3 统计分类重量法 9.4 估算结果的修正 9.5 重心定位与调整
1
9.1 飞机重量分类
不同等级的重量分析方法
在给定起飞重量的条件下，可采用粗略的统计计 算方法估算空机重量，它只适用于“初始方案” 的分析
11
9.3 统计分类重量法
杂项（通用项目）重量
导弹、火箭、航炮 座椅 仪表 卫生间 拦阻装置、弹射装置等
（参考教材表10.2及方案中所选的有效载荷实际重量值）
12
9.3 统计分类重量法
估算结果应按照类似于分类表的形式给出，如：
如果空机重量大于预计的重量值，则所装的燃油 可能就不足以完成设计任务。此时必须修改飞机 参数和尺寸，而不是简单地在设计起飞总重基础 上增加燃油重量
8
9.3 统计分类重量法
可选的统计公式
教材P.298-P.301
• 战斗机重量估算公式
Raymer, D. P. Aircraft Design: A Conceptual
Approach, 3rd, 1999.
（89年版的中译本：《现代飞机设计》,1992）
• 战斗机／攻击机重量估算公式
进气道 短舱（发动机装在机身里时，该项属于机身）
4
9.2 近似分类重量法
根据过去已有飞机的单位外露面积的重量来 确定机翼和尾翼的重量
根据机身的浸湿面积确定机身重量 起落架的重量按其所占起飞总重的百分数来
估算 装机发动机的重量，是将非装机发动机重量
乘以一个系数 属于空机重量剩余项目的全部重量也可用占
14
9.4 估算结果的修正
种类
重量类别
“软糖系数” (相乘系 数)
机翼Байду номын сангаас
0.85-0.90
尾翼
0.83-0.88
先进复合材料
机身／短舱
0.90-0.95
起落架
0.95-1.0
进气系统
0.85-0.90
舰载机
机身和起落架
1.2-1.3
注意：表中列出的系数可仅仅看成粗略的近似值
15
9.5 重心定位与调整
26
谢 谢！
27
17
9.5 重心定位与调整
各部件重心位置估算（续）
平尾／鸭翼／垂尾: 40%MAC * 注意三种翼面包含范围的不同取法
18
9.5 重心定位与调整
各部件重心位置估算（续）
机身 • 喷气运输机：
– 发动机安装在机翼上： 0.42 ~ 0.45机身长 – 发动机安装在机身后部：0.47 ~ 0.50机身长
更加准确的分类重量估算使用的是用回归分 析方法推导的统计公式，各大飞机公司都有 自己的公式
为了得到用于公式的原始统计资料，重量工 程师们必须尽可能多地收集已有飞机的分类 重量说明和详细的飞机蓝图
直到第一架飞机上天，各项重量的估算才会 有“正确”的答案。一种好的估算方式是采 用几种不同的公式计算每个部件的重量，然 后取其平均值
• 战斗机：
– 发动机安装在机身内： 0.45机身长
• 螺浆单发
– 拉力式: 0.32 ~ 0.35机身长 – 推进式: 0.45 ~ 0.48机身长
• 螺浆双发：
– 拉力式: 0.38 ~ 0.40机身长 – 推进式: 0.45 ~ 0.48机身长
19
9.5 重心定位与调整
各部件重心位置估算（续）
13
9.4 估算结果的修正
上述的统计公式是基于现有飞机的数据库， 但是采用新颖的飞机构型或者某项先进技术 （复合材料结构）的情况下，如果仍采用上 述的公式或相类似的公式，就会有较大误差
可以采用“软糖系数（ Fudge factor ）”来 修正统计公式估算的结果 ——软糖系数是一个可改变的常数，用它乘 以估算值，得到正确的结果
2. 移动发动机位置
• 在需要重心调整量大时，可以向前或向后移动发动 机；或者只移动发动机主机部分，更改发动机延伸 筒长度保持尾喷口位置不变
24
9.5 重心定位与调整
总体布置时调整重心的主要措施（续） 3. 移动机翼前后位置
• 这种方法对重心位置的影响最大，将涉及机身与机 翼的对接框、尾翼的安装、燃油箱的布置等，一般 只在方案论证初期阶段采用
起飞总重的百分数估算
5
9.2 近似分类重量法
项目
战斗机
运输机和 轰炸机
通用航空飞机
Lb/ft2 {kg/m2} Lb/ft2 {kg/m2} Lb/ft2 {kg/m2}
相乘系数
机翼 平尾 垂尾
9.0 {44} 10.0 {49} 2.5 {12} 4.0 {20} 5.5 {27} 2.0 {10} 5.3 {26} 5.5 {27} 2.0 {10}
有效载荷（乘客和行李、 货物或武器） • 根据有效载荷的布置确定
空机其余部分 • 40~50%机身长
21
9.5 重心定位与调整
飞机重心位置一般用其与机翼平均气动弦（MAC） 之比来表示
xzx xzx xA bA 100%
xA—机翼MAC的前缘点到重心定位参考坐标系原点的距离 bA—机翼MAC的长度
4. 更改机身长度
• 重心位置需要向前调时，可以加长前机身长度；反 之则缩短前机身。应注意加长机身会使飞机总重增 加，缩短前机身会减少飞机装载容积，并需要同时 修改立尾或腹鳍参数
5. 其他调整重心措施，如采用先进的燃油管理系 统、采用主动控制技术等
25
复习题
1. 简述飞机总体布置时调整重心的主要措施
较成熟和更完善的重量估算方法可以分别算出飞 机各部件的重量，然后总加起来得到空机重量 • 根据平面形状面积、浸湿面积和总重百分数， 大致估算出部件重量，可用于检验用详细统计 方法估算的结果 • 用详细的统计公式估算各类部件的重量
2
9.1 飞机重量分类
世界航空发达国家都制定了重量分类标准 （如美国的MIL-STD-1374 ），而不同的飞 机公司也常从自己的具体情况出发进行分类
有后尾翼的不稳定飞机，机翼位置取决于所选择的 不稳定水平，通常应使重心位于MAC的40%处
对于鸭式飞机，由于鸭翼下洗对机翼的影响，这些 经验法则很不可靠。对于带有计算飞控系统的操纵 型鸭翼(即不稳定飞机)，机翼最初应布置在使飞机重 心位于机翼MAC大约15~20%处
7
9.3 统计分类重量法
10
9.3 统计分类重量法
着陆极限过载Nl
Nl = 1.5 ×N起落架 起落架过载N起落架等于
所有减震器载荷的平 均值除以着陆重量， 不同类型飞机所允许 的N起落架典型值见右表
飞机类型
大型轰炸机 商用飞机
通用航空飞机 空军战斗机
海军战斗机
N起落架
2.0~3 2.7~3
3 3.0~4 5.0~6
机动性高的飞机的重心 位置变化范围应尽量小， 通常小于8%MAC； 机动性低的飞机的变化 范围可大一些，通常达 到20%MAC左右
23
9.5 重心定位与调整
总体布置时调整重心的主要措施
1. 移动重量较重的飞机固定装载
• 在重心位置只须少量移动就能满足要求时，可以在 基本不影响布置合理性的情况下，将较重的设备根 据情况前移或后移
起落架 • 如果起落架支柱详细位置还未确定，可以取 飞机重心，或者几何尺寸已知的话，取在机 轮的中心处
短舱 • 从短舱头部算起40%的短舱长度
动力装置 • 由发动机重心位置来确定
20
9.5 重心定位与调整
各部件重心位置估算（续）
燃油 • 根据油箱布置的位置、油箱的体积和燃油重 量确定
在方案设计阶段，重量报告只要按“简要分 类说明”分类即可（教材表10.1），其中的 空机重量可以划分为三种主要类别
结构类 动力装置类 固定设备类
3
9.1 飞机重量分类
结构重量分类
机身（含座舱盖） 机翼 平尾（含转轴）／前翼 立尾（含腹鳍） 起落装置
• 主起落架 • 前起落架／尾轮 • 减速伞系统／着陆拦阻装置
• 货机／旅客机重量估算公式
——英制单位！
（详见课程网站上的补充材料）
其他资料
9
9.3 统计分类重量法
对大作业而言，统计公式的使用只要求到 结构类
设计起飞总重是估算的重要原始数据之一
设计限制过载
战斗机
8~9，也有取7.33
教练机和攻击机 5~6
轰炸机
3~4
运输机和货机 1.5~2.5
极限过载=1.5 ×设计过载
S外露面积 S外露面积 S外露面积
机身
4.8 {23} 5.0 {24} 1.4 {7}
S浸湿面积
起落架1 发动机装机
0.033
海军: 0.045
1.3
0.043 1.3
0.057 1.4
起飞总重 发动机重量
空机其余部分 0.17
0.17
0.10
起飞重量
1前起落架占15%，主起落架占 85%
近似重心 位置
不同类型飞机的大致范围
对直机翼
0.20~0.25
后掠角30°~40 ° 0.26~0.30
后掠角40°~50 ° 0.30~0.34
小展弦比三角翼 0.32~0.36
22
9.5 重心定位与调整
重心随飞机燃油的消耗和武器的投放而变化。根据 飞机稳定性和操纵性分析，规定重心限制范围。为 了确定飞机重心是否保持在该范围之内，要绘制 “重心包线”
40%MAC 40%MAC 40%MAC 40%-50%
机身长
40%-50% 机身长
6
9.2 近似分类重量法
可以把重心估算的结果，与期望的相对于机 翼气动力中心的重心位置比较
尾翼在后的稳定飞机，机翼的最初位置应使飞机重 心位于30% MAC处；考虑机身和尾翼的影响后，重 心应大致在25% MAC处
根据各部件重心到重心基准（任意参考点）的距 离，可计算出力矩；该力矩的总和除以总重，就 可确定出实际的重心（CG）位置
xzx
mi xi mi
16
9.5 重心定位与调整
各部件重心位置估算*
机翼
平直翼
后掠或三角翼
*这部分数据取自南京航空航空大学《飞机总体设计》课件、 《民用喷气飞机设计》及P.7所列之表，而不同的参考资料中的数 据会有一定的差异
重量特性估算
飞机系 航空工程学院
第九讲 重量特性估算
9.1 飞机重量分类 9.2 近似分类重量法 9.3 统计分类重量法 9.4 估算结果的修正 9.5 重心定位与调整
1
9.1 飞机重量分类
不同等级的重量分析方法
在给定起飞重量的条件下，可采用粗略的统计计 算方法估算空机重量，它只适用于“初始方案” 的分析
11
9.3 统计分类重量法
杂项（通用项目）重量
导弹、火箭、航炮 座椅 仪表 卫生间 拦阻装置、弹射装置等
（参考教材表10.2及方案中所选的有效载荷实际重量值）
12
9.3 统计分类重量法
估算结果应按照类似于分类表的形式给出，如：
如果空机重量大于预计的重量值，则所装的燃油 可能就不足以完成设计任务。此时必须修改飞机 参数和尺寸，而不是简单地在设计起飞总重基础 上增加燃油重量
8
9.3 统计分类重量法
可选的统计公式
教材P.298-P.301
• 战斗机重量估算公式
Raymer, D. P. Aircraft Design: A Conceptual
Approach, 3rd, 1999.
（89年版的中译本：《现代飞机设计》,1992）
• 战斗机／攻击机重量估算公式
进气道 短舱（发动机装在机身里时，该项属于机身）
4
9.2 近似分类重量法
根据过去已有飞机的单位外露面积的重量来 确定机翼和尾翼的重量
根据机身的浸湿面积确定机身重量 起落架的重量按其所占起飞总重的百分数来
估算 装机发动机的重量，是将非装机发动机重量
乘以一个系数 属于空机重量剩余项目的全部重量也可用占
14
9.4 估算结果的修正
种类
重量类别
“软糖系数” (相乘系 数)
机翼Байду номын сангаас
0.85-0.90
尾翼
0.83-0.88
先进复合材料
机身／短舱
0.90-0.95
起落架
0.95-1.0
进气系统
0.85-0.90
舰载机
机身和起落架
1.2-1.3
注意：表中列出的系数可仅仅看成粗略的近似值
15
9.5 重心定位与调整
26
谢 谢！
27
17
9.5 重心定位与调整
各部件重心位置估算（续）
平尾／鸭翼／垂尾: 40%MAC * 注意三种翼面包含范围的不同取法
18
9.5 重心定位与调整
各部件重心位置估算（续）
机身 • 喷气运输机：
– 发动机安装在机翼上： 0.42 ~ 0.45机身长 – 发动机安装在机身后部：0.47 ~ 0.50机身长
更加准确的分类重量估算使用的是用回归分 析方法推导的统计公式，各大飞机公司都有 自己的公式
为了得到用于公式的原始统计资料，重量工 程师们必须尽可能多地收集已有飞机的分类 重量说明和详细的飞机蓝图
直到第一架飞机上天，各项重量的估算才会 有“正确”的答案。一种好的估算方式是采 用几种不同的公式计算每个部件的重量，然 后取其平均值
• 战斗机：
– 发动机安装在机身内： 0.45机身长
• 螺浆单发
– 拉力式: 0.32 ~ 0.35机身长 – 推进式: 0.45 ~ 0.48机身长
• 螺浆双发：
– 拉力式: 0.38 ~ 0.40机身长 – 推进式: 0.45 ~ 0.48机身长
19
9.5 重心定位与调整
各部件重心位置估算（续）
13
9.4 估算结果的修正
上述的统计公式是基于现有飞机的数据库， 但是采用新颖的飞机构型或者某项先进技术 （复合材料结构）的情况下，如果仍采用上 述的公式或相类似的公式，就会有较大误差
可以采用“软糖系数（ Fudge factor ）”来 修正统计公式估算的结果 ——软糖系数是一个可改变的常数，用它乘 以估算值，得到正确的结果
2. 移动发动机位置
• 在需要重心调整量大时，可以向前或向后移动发动 机；或者只移动发动机主机部分，更改发动机延伸 筒长度保持尾喷口位置不变
24
9.5 重心定位与调整
总体布置时调整重心的主要措施（续） 3. 移动机翼前后位置
• 这种方法对重心位置的影响最大，将涉及机身与机 翼的对接框、尾翼的安装、燃油箱的布置等，一般 只在方案论证初期阶段采用
起飞总重的百分数估算
5
9.2 近似分类重量法
项目
战斗机
运输机和 轰炸机
通用航空飞机
Lb/ft2 {kg/m2} Lb/ft2 {kg/m2} Lb/ft2 {kg/m2}
相乘系数
机翼 平尾 垂尾
9.0 {44} 10.0 {49} 2.5 {12} 4.0 {20} 5.5 {27} 2.0 {10} 5.3 {26} 5.5 {27} 2.0 {10}
有效载荷（乘客和行李、 货物或武器） • 根据有效载荷的布置确定
空机其余部分 • 40~50%机身长
21
9.5 重心定位与调整
飞机重心位置一般用其与机翼平均气动弦（MAC） 之比来表示
xzx xzx xA bA 100%
xA—机翼MAC的前缘点到重心定位参考坐标系原点的距离 bA—机翼MAC的长度
4. 更改机身长度
• 重心位置需要向前调时，可以加长前机身长度；反 之则缩短前机身。应注意加长机身会使飞机总重增 加，缩短前机身会减少飞机装载容积，并需要同时 修改立尾或腹鳍参数
5. 其他调整重心措施，如采用先进的燃油管理系 统、采用主动控制技术等
25
复习题
1. 简述飞机总体布置时调整重心的主要措施
较成熟和更完善的重量估算方法可以分别算出飞 机各部件的重量，然后总加起来得到空机重量 • 根据平面形状面积、浸湿面积和总重百分数， 大致估算出部件重量，可用于检验用详细统计 方法估算的结果 • 用详细的统计公式估算各类部件的重量
2
9.1 飞机重量分类
世界航空发达国家都制定了重量分类标准 （如美国的MIL-STD-1374 ），而不同的飞 机公司也常从自己的具体情况出发进行分类
有后尾翼的不稳定飞机，机翼位置取决于所选择的 不稳定水平，通常应使重心位于MAC的40%处
对于鸭式飞机，由于鸭翼下洗对机翼的影响，这些 经验法则很不可靠。对于带有计算飞控系统的操纵 型鸭翼(即不稳定飞机)，机翼最初应布置在使飞机重 心位于机翼MAC大约15~20%处
7
9.3 统计分类重量法
10
9.3 统计分类重量法
着陆极限过载Nl
Nl = 1.5 ×N起落架 起落架过载N起落架等于
所有减震器载荷的平 均值除以着陆重量， 不同类型飞机所允许 的N起落架典型值见右表
飞机类型
大型轰炸机 商用飞机
通用航空飞机 空军战斗机
海军战斗机
N起落架
2.0~3 2.7~3
3 3.0~4 5.0~6
机动性高的飞机的重心 位置变化范围应尽量小， 通常小于8%MAC； 机动性低的飞机的变化 范围可大一些，通常达 到20%MAC左右
23
9.5 重心定位与调整
总体布置时调整重心的主要措施
1. 移动重量较重的飞机固定装载
• 在重心位置只须少量移动就能满足要求时，可以在 基本不影响布置合理性的情况下，将较重的设备根 据情况前移或后移
起落架 • 如果起落架支柱详细位置还未确定，可以取 飞机重心，或者几何尺寸已知的话，取在机 轮的中心处
短舱 • 从短舱头部算起40%的短舱长度
动力装置 • 由发动机重心位置来确定
20
9.5 重心定位与调整
各部件重心位置估算（续）
燃油 • 根据油箱布置的位置、油箱的体积和燃油重 量确定
在方案设计阶段，重量报告只要按“简要分 类说明”分类即可（教材表10.1），其中的 空机重量可以划分为三种主要类别
结构类 动力装置类 固定设备类
3
9.1 飞机重量分类
结构重量分类
机身（含座舱盖） 机翼 平尾（含转轴）／前翼 立尾（含腹鳍） 起落装置
• 主起落架 • 前起落架／尾轮 • 减速伞系统／着陆拦阻装置
• 货机／旅客机重量估算公式
——英制单位！
（详见课程网站上的补充材料）
其他资料
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9.3 统计分类重量法
对大作业而言，统计公式的使用只要求到 结构类
设计起飞总重是估算的重要原始数据之一
设计限制过载
战斗机
8~9，也有取7.33
教练机和攻击机 5~6
轰炸机
3~4
运输机和货机 1.5~2.5
极限过载=1.5 ×设计过载
S外露面积 S外露面积 S外露面积
机身
4.8 {23} 5.0 {24} 1.4 {7}
S浸湿面积
起落架1 发动机装机
0.033
海军: 0.045
1.3
0.043 1.3
0.057 1.4
起飞总重 发动机重量
空机其余部分 0.17
0.17
0.10
起飞重量
1前起落架占15%，主起落架占 85%
近似重心 位置
不同类型飞机的大致范围
对直机翼
0.20~0.25
后掠角30°~40 ° 0.26~0.30
后掠角40°~50 ° 0.30~0.34
小展弦比三角翼 0.32~0.36
22
9.5 重心定位与调整
重心随飞机燃油的消耗和武器的投放而变化。根据 飞机稳定性和操纵性分析，规定重心限制范围。为 了确定飞机重心是否保持在该范围之内，要绘制 “重心包线”
40%MAC 40%MAC 40%MAC 40%-50%
机身长
40%-50% 机身长
6
9.2 近似分类重量法
可以把重心估算的结果，与期望的相对于机 翼气动力中心的重心位置比较
尾翼在后的稳定飞机，机翼的最初位置应使飞机重 心位于30% MAC处；考虑机身和尾翼的影响后，重 心应大致在25% MAC处
根据各部件重心到重心基准（任意参考点）的距 离，可计算出力矩；该力矩的总和除以总重，就 可确定出实际的重心（CG）位置
xzx
mi xi mi
16
9.5 重心定位与调整
各部件重心位置估算*
机翼
平直翼
后掠或三角翼
*这部分数据取自南京航空航空大学《飞机总体设计》课件、 《民用喷气飞机设计》及P.7所列之表，而不同的参考资料中的数 据会有一定的差异