一种客机机翼结构重量估算方法的验证

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1、一种客机机翼结构重量估算方法的验证陈剑波余雄庆(南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室，江苏南京210016)摘要：飞机重量估算是飞机总体方案论证的一个重要内容，重量估算的精度是保证飞机总体方案论证可靠性的关键之一。机翼结构重量是飞机重量的重要组成部分。本文讨论了在客机总体方案论证阶段的一种机翼重量的估算方法，用典型机型的机翼重量数据检验了该估算方法的准确性。验证结果表明，估算结果能满足工程精度要求。关键词：机翼；重量；总体设计；估算方法飞机重量估算是飞机总体方案论证的一个重要内容。准确可靠的重量估算是比较各种总体方案和确定

2、总体参数的重要依据之一，也是保证飞机总体方案能达到设计指标的基石，同时也是制定各部件和分系统重量指标的依据。如果重量估算过于保守，会导致飞机总体方案丧失最优方案，使总体方案缺乏竞争力；相反，如果重量估算过于乐观，会导致飞机总体方案存在很大风险，给后期阶段的重量控制带来很大的麻烦，甚至最后制造出来的飞机有可能达不到设计指标。因此，重量估算的准确度是保证飞机总体方案论证可靠性的关键之一。飞机构造复杂，由众多零构件和各种设备组成。在飞机总体方案设计阶段，不可能获得每一个零件和设备的细项重量，因此对飞机重量进行精确的计算是不现实的。只能对飞机重量

3、划分为若干个组成部分，作相应的估算。由于机翼重量占飞机结构重量的比例较大，且其[1]重量分布对载荷、气弹、强度等影响也较大，所以机翼重量的确定就较为重要。在飞机总体方案论证阶段，机翼重量的确定通常按照统计方法进行估算，具体可以分为[2][3]相对重量系数法、统计分析法、单位面积估算法，单位体积估算法等。文献[4]比较了基于统计方法的重量公式，发现各种估算方法的计算结果相差较大。因此，在飞机总体方案论证阶段，寻找一种合理可靠的重量估算方法是非常必要的。英国Cranfield大学的Howe[5][6]教授基于大量飞机数据，归纳出了一种机翼重量

4、估算公式。由于这种机翼重量估算公式的发表较晚，我国出版的飞机设计手册第8分册（重量平衡与控制）没有列出这种估算方法。本文在探讨Howe给出的机翼重量估算方法基础上，用二种典型客机的机翼重量数据检验该估算方法的准确性，目的是为飞机设计人员在选择机翼重量估算方法时提供参考。1机翼结构估算公式文献[6]中机翼重量估算方法的基本思路是：①根据强度要求和简化的受力分析，估算理想情况下的机翼主结构（盒段）重量，获得估算公式；②考虑实际机翼盒段结构中各种因素的影响，用修正系数的方法对机翼主结构重量估算公式进行修正；③考虑机翼次结构和机身宽度对机翼结构重

5、量的影响，用修正系数的方法对机翼主结构重量估算公式进行修正；④根据理想情况下的机翼主结构重量估算公式和修正系数，估算出整个机翼的结构重量。以下给出估算公式和修正系数。1）理想的主结构重量MIPS理想的主要结构是指承受载荷的机翼盒段，包括机翼盒段的梁、蒙皮、桁条、梁腹板和翼肋。其重量估算公式是根据简化的受力分析、强度要求和统计数据获得的。理想的主要结构重量MIPS的计算公式如下：MIPS=+mm(1)CrM01.50.5mA=+1920SNr(1λ)secsec/φϕτf(2)Ca1.250.50.53SSτ⎡⎤22⎛⎞mr=−0.25⎢⎥

6、()10.34λλτ+0.44+−2.2⎜⎟()1λλ+0.72(3)MA0⎢⎥⎣⎦⎝⎠A其中，M0为全机重量(kg)；mc为承受弯矩和剪力的机翼盒段材料（梁、蒙皮、桁条、梁腹2板）的重量系数；mr为翼肋的重量系数；A是机翼展弦比；S是机翼面积(m)；φ是机翼1/4弦线处后掠角；ϕ是机翼结构后掠角，许多情况下近似看作等于φ；λ是梯形比；VD是海平面高度的设计最大速度（m/s）；τ是机翼根部相对厚度。__N为最大过载因子，计算公式如下：NV=⋅+max1.652.5,1.656.45⎡⎤⎣⎦⋅D⋅S(M0⋅2A+secϕ)f为机翼材料的工作

7、许用应力，其计算公式为：a0.5⎡⎤1.75NrAM02.552fa=+×1.12⎢⎥0.751.5()1λφsecsecϕ10(Nm/)⎣⎦Sτr为考虑发动机和燃油对结构卸载的影响因子，计算公式为：机身尾吊：rM=−10⎡⎣.121+−(ZW/M0)⎤⎦翼吊双发：rM=−10⎡⎣.21+−(ZW/M0)⎤⎦翼吊四发：rM=−10⎡⎣.221+−(ZW/M0)⎤⎦−5其中，(1/−MM)可以用()0.12+⋅Range⋅10来估算，Range为客机的航程(km)。ZW0M为零燃油重量，等于最大起飞重量减去燃油重量。ZW2）修正系数上述估算

8、的结果为理想情况下的机翼主结构重量，但实际机翼盒段中还有一些其它因素必须考虑，如固定推进系统的连接结构、固定起落架和装载的连接结构等。表1给出了各种因素对机翼盒段结构重量的修正系数，这个修正系