超音速客机概念设计项目组工作报告

超音速客机的概念设计——团队工作报告

专业名称航空学院—飞行器设计与工程

团队成员龚雪淳潘环龚德志李亮

指导教师张科施杨华保李斌宋科范宇

完成时间 2008年6月15日

摘要

本项目是进行一款新型的超音速客机的概念设计，项目团队成员由来自西北工业大学航空学院2004级飞行器设计与工程专业的四名本科生及四名指导教师和一名研究生组成。

该项目完成了一款载客量200人，巡航马赫数2.0，航程10000～12000公里的超音速客机概念设计。项目团队成员分别是龚雪淳(团队组长)、潘环、龚德志、李亮，项目指导教师分别是杨华保、张科施、李斌、宋科、范宇。

21世纪,人类对航空器的研究将更加关注,航空技术将成为世界各个国家经济发展的一个最重要的标志！5年前，“协和”客机最后一次让乘客感受突破音障的激动瞬间，由于事故频发，这种高科技产物被迫退出历史舞台。然而，人类追逐超音速旅行的梦想并没有像流星一样，一闪即逝。现在，包括美国、英国、法国、日本、中国、俄罗斯等在内的多个具有航空研发能力的国家都在积极投入大量经费，来研制自己的超音速客机方案，以求在未来的航空领域中占有一席之地，一场没有硝烟的战争已经打响。

通过该项目的团队合作研究，提高了我们的创新能力和分析问题、解决问题的能力，培养了我们严谨认真的工作态度和团队协作的精神，让我们懂得了团队的重要性，懂得了如何与人沟通，协作。同时，项目的实施也让我们提前适应了将来的工作模式和工作氛围，认识上更进一层。

目录

摘要 (1)

第一章项目简介 (3)

1.1 项目选题背景 (3)

1.2 项目团队成员及指导老师情况 (5)

1.3 项目创新点与特色 (6)

1.4 项目成员工作协调情况介绍 (7)

第二章项目研究成果 (8)

2.1 总体研究成果 (8)

2.2 气动研究成果 (12)

2.3 结构研究成果 (14)

2.4 人机环境与关键技术研究 (18)

2.5 项目成果评价 (20)

总结与体会 (21)

附录Ⅰ项目团队例会记录单 (25)

附录Ⅱ设计参数更改记录单 (34)

第一章项目简介

1.1 项目选题背景

自从莱特兄弟为人类插上翅膀的一个世纪以来，飞得“更快、更远、更高”一直是人类不断追求的目标。此间，随着航空技术的不断发展进步，航空运输业也取得了飞跃的发展，为了满足人们超音速飞行的梦想，二十世纪60、70年代，俄罗斯的图-144和英法联合研制的“协和”超音速客机相继登场，演绎了一段曲折、辉煌的超音速客机飞行史，最终由于安全性、经济性等原因退出了历史的舞台。然而，人类的超音速之梦并没有因为前进道路上的一点挫折挥之而去。目前，超音速和高超音速客机方案再次被众多航空大国提上了研制的日程，以求在未来的航空领域中占有一席之地，一场没有硝烟的战争已经打响。

图1.1 协和超音速客机

超音速客机能够满足人们对超音速喷气式旅行的渴望，更重要的是使乘客大大减少不必要的旅行时间，是一种更迅速、更经济的客机。目前全球空运市场的迅速扩大将给超音速客机带来光明的前景。除空客、波音外，全球许多飞机制造商都对第二代超音速飞机有所规划，预计到2025年时，超音速客机市场将迎来高速增长的全盛时期，而到2050年，搭乘超音速航班的旅客将占所有航班乘客的10%至20%，届时在全世界开通的此类航线可能将多达数百条。而在军事上，研究超音速和高超音速技术，可以大大提高一国的航空研发能力和国防实力。

超音速客机研究的两大难题就是噪音大和成本高，本研究项目首先总结了第一代超音速客机(协和、图-144及波音、洛-马的超音速客机方案)的设计特点及失败的原因，对其存在的问题进行了深入的研究、分析和比较，并提出了可行性的设计技术指标，并由此确定了本研究项目的超音速客机设计方案。

本项目成员都来自航空专业，对飞行器的设计及未来飞行器的设计思想和设计理念尤为关注和热衷，且在此之前已经积累了大量的有关飞机设计方面的知识和实践经验，这些宝贵的知识财富和实践经验帮助我们在此次项目中顺利的进行

研究和创新设计。

图1.3 项目组成员知识及经验积淀

1.2 项目团队成员及指导老师情况

本项目团队成员由来自西北工业大学航空学院2004级飞行器设计与工程专业的四名本科生组成，其分工情况基本如下表1.1

表1.1 超音速客机设计团队成员及导师基本情况

由上表1.1可以看出，每一位项目团队成员都有一位专一的指导老师，项目执行过程中针对其进行指导。其中龚雪淳任项目团队学生组的组长，负责超音速客机的总体设计工作和项目成员之间的设计工作协调处理、团队工作汇报等；潘环主要负责超音速客机气动方面的设计工作，包括机翼、垂尾和鸭翼翼型的选择，增升装置的设计，及相关气动特性的分析计算；龚德志主要的任务是进行超音速客机结构受力及气动热的分析，结构布置，材料选择；李亮主要进行超音速客机关键技术，包括音爆、噪音和发动机排放的研究，以及客机内、外环境的分析和有关参数的可行性定量计算。

项目团队的指导老师都来自航空学院，指导老师的负责人、组长是张科施老师，她同时是龚雪淳的设计指导老师，帮助指导其完成总体设计任务；宋科老师主要负责指导潘环进行飞机气动方面的设计工作，给其指引研究方面，提供研究途径和方法；结构设计的指导老师是李斌老师，他对龚德志的结构设计提供了大量的建设性意见和帮助；李亮的研究工作得到了杨华保老师和范宇学长的大力支持。

虽然设计工作有所分工，但是团队是一个整体，项目执行中我们每个成员不仅仅要了解自己主要负责方面的设计、研究情况，也要掌握了解其它方面的有关要求，设计思想。

1.3 项目创新点与特色

本项目运作过程中，我们以一种不同以往的类似于科研单位的实战工作模式来进行，让我们提前适应科研的氛围和工作方法。

◆团队每周定时召开小组例会，小组成员可随时就某项问题进行讨论

团队小组每周至少开一次小组例会，小组成员及指导老师都必须出席此次例会。例会上学生对上周的工作进行总结阐述，并提出设计中遇到的问题，然后指导老师和学生一起讨论如何来解决，最终提出一个可行性的解决方案，如果例会上无法立即解决，可约定时间单独约见学生，进行进一步的探讨，寻找解决问题的途径。之后每个人都要提出自己下一周的工作计划。学生对设计工作进行阐述后，指导老师可对学生的工作进行点评，也可提出问题让项目成员来回答，以保证其设计工作无误。另外，负责各个方面涉及的成员之间也可以相互提出问题、及设计进度要求，以保证项目的质量和进度。部分小组例会记录见附录一。

除了每周的小组例会，设计过程中一旦遇到问题，我们团队成员之间就可以立即展开讨论，研究出可行性解决方案，然后立即进行计算、分析，验证此方案是否可行，是否是最佳解决方案，如难以下定论，可找老师解答或在下周小组例会上提出。这样处理问题的方法，节约时间，而且每位成员都了解问题的症结，且都能参与到解决问题的过程中来，实现了团队的一体化协作。另外，如遇到需做重大的参数改动，需例会讨论通过且报总师签名，如附录二中的参数改动记录。

◆课题新颖、激发创新灵感，研究意义深远

对于我们来讲，超音速客机的研究设计是一个崭新的课题，而且国内外超音速客机设计方面可查的资料很少，可以使用的经验公式也几乎没有，这在设计过程中充分调动了我们的创新性。设计过程中我们充分查阅国内外期刊资料，仔细分析、计算，再结合亚音速客机的设计，及指导老师的建议和帮助，发挥自己的创新思维和分析问题、解决问题的能力，保证了设计进度和设计结果的可行性。

由于超音速客机不同于以往的亚音速客机，其特殊性显而易见，其设计涉及到航空材料、发动机技术、噪音等众多领域。对超音速客机进行初步的设计研究，有助于分析超音速客机研制的可行性、必要性及其重大意义。

1.4 项目成员工作协调情况介绍

项目进行中，团队成员之间的设计工作经常需要协调，有时候两个成员之间设计上会出现矛盾，这就需要我们之间能够很好的协调来处理这些矛盾和问题，成员之间的协作关系如下图1.4所示。

图1.4 项目团队成员工作协调情况示意图

项目进行过程中，总体给气动设计提出飞机各个不同阶段的升阻特性要求，然后负责气动的同学根据提出的要求选择合适的翼型并进行升阻特性计算，并把结果反馈给总体；结构设计的同学根据总体的设计方案及重量分配要求及气动的升力分布进行受力分析，结构布置，并和总体、气动的同学进行协调；人机环境及关键技术研究的同学，针对本超音速客机设计，提出可行性的设计理念及应该达到的设计指标，然后总体、气动和结构设计的同学根据其提供的信息，进行设计的优化。成员之间的关系就如上图所表达的一样，反复协调，多次优化，最终得到我们的设计结果。另外，我们小组成员每周进行多次小组讨论，对有关问题进行充分的讨论，各抒己见，研究对策和可行性方案，发挥各自的专长，提出创新性的建议和意见。

第二章项目研究成果

经过团队四名成员三个月的不懈努力，我们已基本完成毕业设计任务—超音速客机的概念设计。具体完成的工作包括：超音速客机总体布局方案的确定，飞机总重量的计算及总体参数的选择，飞机部件详细参数的设计，翼型的选择，飞机气动性能的分析，结构的布置和选材，全机的气动特性校核、飞机飞行性能计算，经济性评估分析等。

在毕业设计的创作过程中，我们掌握了解以下软件的使用，模型建立三维软件CATIA,气动分析用的Fluent、Gridgent、CFD、VisualFoil，翼型选择软件Profili、Designfoil,结构设计分析软件Ansys。

2.1 总体研究成果

在设计过程中，总体方面主要完成了飞机布局形式的方案选择，起飞总重量的计算及重量的分配，推重比和翼载的选择，机翼、机身和乘客舱的设计，垂尾、鸭翼的设计，起落架形式及几何参数的设计，飞机气动特性的分析，飞机飞行性能的计算，客机运转经济性的初步分析。

一、超音速客机总体布局方案的确定

在对以协和为代表的第一代超音速客机进行了系统的调研、分析后，得出本设计方案，如图2.1。本机采用S形前缘的双三角下单翼，前鸭翼无尾式布局。

图2.1 超音速客机概念图

二、飞机技术几何参数

表2.1 超音速客机重量特征

表2.2 机身、客舱几何参数

机翼参数：

机翼面积----540.732㎡安装角----3°

展弦比------2.0 上反角----1.5°

图2.2 机翼几何形状平面图

垂尾参数：

垂尾面积----72.4㎡根梢比----4.7

鸭翼参数：

鸭翼面积----8.64㎡展弦比----4.74 前缘后掠角—28°根梢比----4.4

飞机重心和焦点的确定如下图2.3，其满足飞机经稳定性要求。

图2.3 飞机重心与焦点位置

三、超音速客机飞行性能和经济性初步分析

超音速客机的飞行性能是飞机设计优劣的表现，好的设计将拥有优良的飞行性能，可以飞得更远，飞得更快；而经济性影响客机的运转费用，市场可行性等。

表2.3 超音速客机飞行性能分析

由表2.3知，本飞机设计结果完全满足设计指标要求，且初步估算在载客200人的情况下，最大航程可达11260公里，完全符合现代超音速客机的生存市场环境。

表2.4 超音速客机经济性初步分析与其它客机比较

从表2.4中可以看出，从直接运转费用中看，本机经济性优于第一代超音速客机；从运输效益评价，本机是参考机型中最优的，说明本机设计中不仅仅考虑了超音速巡航，还注意了较高的载客量是保证经济性的前提。

2.2 气动研究成果

主要任务为对超音速客机的气动设计理念和思想，及新的方法进行调研；进行翼型的选择；完成机翼、全机的升阻特性估算。

(1)、机翼翼型的选择

由于本机采用双三角机翼，内外采用两个翼型，在对比了一些性能相似的翼型后，内翼我们选用了NACA64-203翼型，外翼选用NACA65-204。

图2.4 机翼内、外侧翼型

由选择的翼型及飞机的飞行状态，进而得出巡航状态下和飞机起飞、着陆时的升阻特性，巡航升阻曲线如图2.5所示。

图2.5 飞机巡航升阻特性

飞机巡航机翼迎角 =4.5°

巡航升力系数cru L C , = 0.146 ； 巡航阻力系数cru D C ,=0.0153 巡航升阻比cruise D L )/(=9.54

飞机起飞最大升力系数to L C max,,=1.25 ；升阻比8.0 着陆最大升力系数L L C max,,=1.50 ； 升阻比7.1 (2)、垂尾和鸭翼翼型的选择

根据配平力矩需要，及鸭翼的平面形状，鸭翼选用NACA65-003翼型如图2.7所示；垂尾选用NACA0004翼型，如图2.6所示。

图2.6 垂尾翼型选择

图2.7 鸭翼翼型选择方案

由于本机采用前置鸭翼布局，没有平尾。设计中为了增加前翼的效率，前置鸭翼设计成全动鸭翼，且鸭翼仅用作配平和辅助操作。鸭翼升力特性如下：

起飞最大升力系数为0.62 着陆最大升力系数为0.63

2.3 结构研究成果

本项目设计中结构设计主要完成了以下几方面的工作：有关超音速客机的材料选择、结构设计的调研；飞机机体表面气动热的分布估算；飞机机翼、机身的结构设计及材料的选择与布置，机翼、机身结构的受力分析；全机结构三维模型的建立。

(1)、本机的气动热采用工程估算方法，机体表面的气动热分布如下图 2.8所示。

图2.8 机体表面气动热的分布

根据飞机机体表面的气动热分布，再对飞机各部分的受力情况进行简单分析。在此基础上，对飞机各部分进行材料的选择，及初步的粗略布置如下图2.9。

图2.9 机体材料初步粗略布置方案

(2)、在飞机的初步受力分析完成后，对飞机的机翼、机身的结构进行了布置，下图2.10和2.11展示了机身、机翼的结构布置形式，及传力形式。

图2.10 机身结构布置方案图

本机机身结构采用桁条式如图2.10所示，抗弯、扭能力强，且机身上无特大开口；机翼采用带平行梁的多梁单块式结构，传力路线短，结构重量轻，机翼抗扭能力强。

本机机翼采用带平行梁的多梁单块式双三角翼结构布局，如图2.11所示。该结构机翼蒙皮较厚，与长桁、翼梁缘条组成可受轴力的壁板承受总体弯矩。机翼内长桁分布较密，梁或墙与壁板形成封闭盒段提高机翼的抗扭刚度。机翼采用整体贯穿机身的形式与机身相连，进行力的传递。该结构形式，在其它条件相同的情况下，机翼结构质量要小于其它结构型式。由于机翼上的载荷从短梁以最短的路径传向机翼与机身的接头，结构布置简单，力的传递直接简单，减轻了结构

重量。

图2.11 全机结构布置图

（3）、鸭翼和垂尾的结构设计

鸭翼位于机身前端，相对厚度较小，如果选用长桁式或梁式，由于空间小，其布置肋和梁（桁条）比较困难，在加上鸭翼受气动热较严重，鸭翼结构布置选用整体蜂窝式结构，如图2.12，鸭翼结构材料以复合材料为主。

图2.12 鸭翼结构布局图

本机垂尾相对高度小，根梢比大，垂尾结构形式初步选用内撑梁式结构，如

图2.13所示。内撑梁式垂尾的主要受力构件有梁和加强肋，垂直安定面上的载荷直接传到机身框的固接接头上，这种结构适合于相对高度不大的垂尾，其受力型式也是比较合理的，可以减小垂直安定面的质量。

图2.13 垂尾结构三位模型

2.4 人机环境与关键技术研究

该部分设计首先对客机飞行过程中的环境条件及舱内环境对人体的生理影响进行了分析，提出了气密座舱的设计，并进行可行性的设计分析；然后对客机增压舱的热载荷进行了初步计算；环控系统的初步概念设计；飞机外部环境即超音速客机关键技术研究。

(1)、舱内环境的初步分析

超音速客机从起飞到着陆的整个过程中所经历的外界环境条件变化是很剧烈的，为了设计舒适良好的环控系统，首先要对客机整个飞行过程所处的外界环境进行分析。此研究中主要从外界的大气压力、温度和湿度三个方面进行了分析研究。

在气密式乘客座舱的设计之前，首先要对客舱的各个系统提出合适的设计要求。设计中我们依次研究分析了客舱压力(如图2.12给出了客机座舱的压力适用要求)、温度、湿度、通风换气、爆炸减压和座舱热载荷等设计要求，并结合本机的飞行环境，提出本机的环控系统的设计指标及要求。

图2.12 超音速客机座舱压力制度

(2)、环控系统初步概念设计

客舱环控系统设计中，根据本客机飞行环境及客舱环控系统设计要求，分别对飞机客舱的制冷系统、增压供气系统、客舱空气分配和再循环系统、温度及客舱压力控制系统、设备及仪表冷却和货舱加热系统等进行了初步的设计。

(3)、飞机外部环境即超音速客机关键技术研究

纵观第一代超音速客机的失败原因，很大程度上是因为三点因素导致其退出市场的，首先是噪音，协和得不到市场的认可并最终退出历史的舞台，主要还是因为其噪音无法满足适航标准，目前研制中的第二代超音速客机其噪音标准都将达到第三阶段噪声标准；较高的耗油率即经济性差也是一个很现实的难题，这使得英法两国因此每年要损失上千万美元来维持其运转，这需要先进的发动机及高性能的飞机气动设计；另外一点就是发动机排放问题，这牵扯到环保，当然目前更先进的发动机方案正在研制中。

综合以上各点，问题的关键就是需要先进的噪音小，耗油率低，发动机排放污染物少的发动机方案，然后就是研究更加先进的低音爆-高气动性能飞机外形设计。