飛行器的質(zhì)量特性計算方法研究

曹勇 趙慧

【摘要】 本文對基于計算流體力學(xué)方法的質(zhì)量特性進行了簡要的講述，描述了質(zhì)量和質(zhì)心的計算原理，簡要介紹了計算質(zhì)心的兩種方法，并將這種方法同以往的統(tǒng)計方法和經(jīng)驗公式方法進行對比，分析了各自的優(yōu)缺點，基于CAD的計算方法更適合當(dāng)下的飛行器設(shè)計。最后，本文研究了由于燃料消耗帶來的質(zhì)心變化問題，講解了質(zhì)心的自動調(diào)整原理和流程，通過調(diào)整內(nèi)部器件的位置使質(zhì)心位置保持在飛控要求的區(qū)間內(nèi)。本文為飛行器設(shè)計前期的質(zhì)量特性計算提供了一種新穎的行之有效的方法，對工程實踐具有一定的參考價值。

【關(guān)鍵詞】 無人機 質(zhì)量特性 計算方法

一、引言

如今，由于計算機技術(shù)的進步，多種計算流體力學(xué)（CAD）軟件得到迅猛發(fā)展，使得幾何建模變得精確、快捷，促進了航天領(lǐng)域飛行器的設(shè)計工作，飛行器總體布置是其中一個重要組成部分[1]。對飛行器質(zhì)量特性的分析是飛行器設(shè)計的基礎(chǔ)，在每個環(huán)節(jié)中都具有重要的作用，可以為總體設(shè)計提供理論依據(jù)，直接影響了飛行器設(shè)計的成功與否。研究飛行器的質(zhì)量特性，就要重點研究其質(zhì)量、質(zhì)心以及轉(zhuǎn)動慣量等[2]。各種配件、零部件、燃料等組成了飛行器的質(zhì)量。本文中飛行器的質(zhì)心指的是其所有質(zhì)量形成的合力的作用點，質(zhì)心位置非常關(guān)鍵。如果已知各器件的質(zhì)量和形狀，可以推知各器件的質(zhì)心，然后進一步計算得到整機的質(zhì)心。因此，在飛行器設(shè)計過程中，特別是在計算流體力學(xué)得到快速發(fā)展之前，往往采用統(tǒng)計方法以及經(jīng)驗公式[3]。

二、質(zhì)量計算

采用CAD計算方法，要通過對飛行器整機各個器件進行分析，依據(jù)質(zhì)量的原始意義，多次循環(huán)計算，適用于使用計算機進行飛行器整機質(zhì)量計算，具有較高的準(zhǔn)確度，其得到的質(zhì)量情況可以采納使用。在質(zhì)心計算過程中，采用空間直角坐標(biāo)系"計算質(zhì)心，需要計算三個方向的質(zhì)心位置。如果飛行器結(jié)構(gòu)是對稱的，也可省略一個方向的質(zhì)心位置計算。

三、質(zhì)心計算

3.1合力方法

這個方法是基于合力平衡的思想。在坐標(biāo)系內(nèi)，計算各個器件圍繞坐標(biāo)O點的力矩，得到每個系統(tǒng)的靜力矩，進而由各個系統(tǒng)的靜力矩之和除以飛行器整機的質(zhì)量，XZ、YZ、ZZ分別為整機質(zhì)心在該軸上的位置，Xi、Yi、Zi分別為第i個器件的質(zhì)心在該軸上的位置，進一步就能得到整機質(zhì)心的坐標(biāo)，Wi表示第i個器件的質(zhì)量，如下所示：

3.2相對質(zhì)心

質(zhì)心坐標(biāo)XZ=（XZ-X0）/C0×100%、ZZ=（ZZ-Z0）/C0×100%，上式中，選擇平均氣動弦為質(zhì)心參考弦，X0、Z0為平均氣動弦前緣的位置，C0為平均氣動弦長，并用百分比來表示。

四、質(zhì)心調(diào)整方法

顯然，隨著燃料的消耗，飛行器的質(zhì)心會發(fā)生一定的變化，能夠通過改變機內(nèi)器件的放置，重新把質(zhì)心調(diào)整到最佳的位置。這個過程大體為輸入質(zhì)心數(shù)據(jù)變化范圍，再通過計算得到真實的質(zhì)心變化范圍，然后根據(jù)控制軟件判斷質(zhì)心是否在此范圍內(nèi)，如果是的話，就不進行調(diào)整，輸出最佳的質(zhì)心位置參數(shù)，如果否的話，先要判斷需要調(diào)整的方向，再進行調(diào)整，最終將質(zhì)心調(diào)整到合理的范圍內(nèi)，輸入結(jié)果終止。流程圖如圖1所示。

五、結(jié)論

本文對基于計算流體力學(xué)方法的質(zhì)量特性進行了簡要的講述，描述了質(zhì)量和質(zhì)心的計算原理，簡要介紹了計算質(zhì)心的兩種方法，并將這種方法同以往的統(tǒng)計方法和經(jīng)驗公式方法進行對比，分析了各自的優(yōu)缺點，基于CAD的計算方法更適合當(dāng)下的飛行器設(shè)計。本文結(jié)論為飛行器設(shè)計前期的質(zhì)量特性計算提供了一種新穎的行之有效的方法，對工程實踐具有一定的參考價值。

參 考 文 獻

[1]余雄慶，徐惠民，昂海松，飛機總體設(shè)計，航空工業(yè)出版社，2000.

[2]陳俊章等，飛機設(shè)計手冊 第八冊 重量平衡與控制，北京，航空工業(yè)出版社，1999.10.

[3]姚銘，基于CAD的飛機總體布置自動化和質(zhì)量特性的估算，南京航空航天大學(xué)，2008.12.

[4]Christopher Jouannet， Sergio E.R.Silva and Petter Krus，Use of CAD tools for weight estimation in aircraft conceptual design ，ICAS，2004-1.1.4.

[5]Christopher Jouannet， Model Based Aircraft Design High Angle of Attack Aerodynamics and Weight Estimations Methods， Dissertation， LinkAoping University， Sweden，2005.