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飞马总体设计(基于ADS飞机设计软件)

2023-06-26 23:37 作者:王大腿开飞机  | 我要投稿

飞马的总体设计流程基于Snorri Gudmundsson的著作

General Aviation Aircraft Design: Applied Methods and Procedures

1000多页的教材,已经被我翻烂了

这本书是一本非常系统性的教程,基本可以帮助有一定理工科基础的同学完成一架小型航空器项目。读者可以按部就班的完成一个个设计流程,最终实现一架小飞机。

当然,如果全部在纸上进行设计验算的话,迭代的效率太低了。于是乎我找到了另一个非常好用,有用的工具:OAD-ADS Aircraft Design Software.

这个软件工具是一家比利时的一个小公司作品,我17年的时候拜访过这家公司,位于比利时的Namur小镇,当时面基了这个公司的唯一员工兼老板,Didier Breyne. 当时在火车站前的星巴克完成了交易。花了我170欧元啊哈哈。

当时还是穷学生,为了买软件省VAT,当面交易。

好啦,废话不说,我们来看看飞马的总体设计。

首先呢,咱们来定位飞马这架飞机的级别和参考机型。

我的参考机型有P2006T,P68,DA42,Do28TNT,TBM900系,本田公务机。

P2006T
P68
DA42
Do28TNT,我最喜欢的双发螺旋桨机型,全球唯一一架的孤品,真正的限定版
TBM900系,人机工效一流,飞马的机身/座舱设计参考对象
本田小飞机,这么优秀的机头我当然要拿来用!

首先呢,飞马(MTOW1750KG)介于P2006t(MTOW1500KG,2x100HP)和P68(2000KG,2X200HP)之间。不过这两个参考对象使用的还是传统全金属半硬壳式结构,并且使用的翼型(NACA系)和气动外形非常Old School。使用更新翼型的飞马(NASA兰利实验室GW系翼型)和CFD优化加持的全流线型气动外形,使飞马可以在略重于P2006T(MTOW1500KG)的情况下,实现P68的性能。飞马使用的两台航瑞云雀引擎的燃料是柴油或航空煤油,运行成本也远低于P68使用的航空汽油。

飞马的大翼参考对象是来自德国的Do28TNT,这是一架设计于70年代末的飞机,并且后继者是著名的Do228双发涡桨多用途飞机。Do28最大的卖点在于这货是世界上第一架使用整体铝合金数控加工的薄壁翼盒结构,且翼型使用了Do-A-5这种超临界翼,大翼整体则是被称为舒曼翼(Shumann Wing Platform)的设计。

有一些空气动力学基础的同学都知道,英国的喷火之所以经典,原因是其使用了椭圆翼的设计,实现了非常高效的升力分布。如果我们把椭圆翼切一半,则变成了半椭圆;而进一步降低制造难度,用几节梯形翼拼接成一个近似半椭圆的翼型呢,则被成为舒曼翼。

经典的喷火,椭圆翼好是好,就是太难生产了。
关于舒曼翼的特点,还有升力系数特性
Do28TNT的简介和参数,拍摄于道尼尔博物馆
Do28TNT典型的舒曼翼特征

可以说这个飞机最贵最精华的零件就是这副机翼了。目前呢这家飞机永久的停在德国腓特烈港的道尼尔博物馆里,作为原型机来说是非常好的归宿了。

Do28TNT最后的归宿是24小时睡在博物馆

大概初始的思路就是这样,我们插入电子狗U盘,打开ADS。

我是用的还是17年的早期版本,版本号是3.27。现在最新的版本已经是4.53了,功能更多啦。

使用的是设计模块(Design)

打开第二个,设计模块,确定飞机级别和布局还有执行的适航标准。

传统布局,前三点可收放起落架
选择相对于的适航标准还有建造材料,为了方便布置有效载荷空间,我这里选择标准4坐(2+2)布局作为起始输入
输入翼展/弦长比,大翼与机身纵向比例,机翼扭转角,后掠角,翼型等参数
输入副翼等数据,我这里用的是Do28的数据作为参考
输入水平尾翼参数,我这里参考的是P2006t和P68全动安定面设计
输入垂尾的参数
输入机身的参数,我的机身宽度达到1.4M,高度1.7M,这里参考的是TBM900系的机舱数据
强行插入一下TBM的座舱图,这是我认为在这个级别小飞机里座舱,内饰做的最最最好的飞机!这么好的东西当然直接拿来用咯!
为了考虑第一排飞行员座椅可以后移方便进入驾驶位,我把座位间距设置到了1.63M。飞马原型机的机舱为非增压,但是保留未来可升级为增压座舱的潜力
设置起落架和轱辘的参数
设置引擎,我提前将航瑞云雀发动机性能参数设置到了ADS的引擎库里,这里直接调用
这里设置螺旋桨参数,使用电动调节恒速螺旋桨,最大兼容的螺旋桨为1.87m直径
这里设置油箱的位置,飞马的大翼(主)和机腹(辅助)都有油箱,目的是一次吃饱跑2000km+
然后软件问你要飞得快,飞得远,还是飞的久?我选飞的快
设置各种工况条件,我这里是襟翼全开失速极限95KM/H,巡航高度1万英尺,目标航程1000KM,起降机场跑道为沥青,起降襟翼设置等
设置乘客的体重还有随身行李的重量
这里调整每个部件的重心距离
这里设置飞机表面的摩擦系数,这里参考普通轻型飞机惯用参数
这里开始设置计算项目,飞机重心位置(MAC),以及迭代微调的参数(重心修正系数等)

设置完成后点击Compute计算开始,大概半小时后出结果,ADS直接生成一份设计报告和飞机的简易3D模型。目前你看到的飞马在王子设计局内部代号是产品07第二型(WDB Product-07 Pegasus MK2)。在ADS中大概迭代了大几十次。不过这个软件是真好玩啊哈哈,反正设计结果不满意就不停的修改参数,慢慢打磨到完美。

为了获得极佳的失速或者低速操控性能,根据ADS的计算,飞马的翼载需要降至80KG/M^2,而翼面积来到了夸张的21.8M^2。

飞马(P.MK2)与参考机型部分参数的对比
ADS计算后生成的简易模型Front

ADS计算后生成的简易模型Right

ADS计算后生成的简易模型Top
直接生成的设计报告(部分参数)

当然,这些结果不一定精确,但是确实给予我一个相对准确的方向,那么有了这个方向之后呢,我们参考其中的一些数据开始较为精细的三维建模,以便用于CFD求得相对精确的飞机性能数据。

今天先写到这里,我们下期介绍一下Solidworks的高级建模在飞马上的应用吧!

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