曹勇 趙慧

【摘要】 本文對(duì)基于計(jì)算流體力學(xué)方法的質(zhì)量特性進(jìn)行了簡(jiǎn)要的講述，描述了質(zhì)量和質(zhì)心的計(jì)算原理，簡(jiǎn)要介紹了計(jì)算質(zhì)心的兩種方法，并將這種方法同以往的統(tǒng)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)公式方法進(jìn)行對(duì)比，分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，基于CAD的計(jì)算方法更適合當(dāng)下的飛行器設(shè)計(jì)。最后，本文研究了由于燃料消耗帶來(lái)的質(zhì)心變化問(wèn)題，講解了質(zhì)心的自動(dòng)調(diào)整原理和流程，通過(guò)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(jì)前期的質(zhì)量特性計(jì)算提供了一種新穎的行之有效的方法，對(duì)工程實(shí)踐具有一定的參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】 無(wú)人機(jī) 質(zhì)量特性 計(jì)算方法

一、引言

如今，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，多種計(jì)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(jìn)了航天領(lǐng)域飛行器的設(shè)計(jì)工作，飛行器總體布置是其中一個(gè)重要組成部分[1]。對(duì)飛行器質(zhì)量特性的分析是飛行器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在每個(gè)環(huán)節(jié)中都具有重要的作用，可以為總體設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，直接影響了飛行器設(shè)計(jì)的成功與否。研究飛行器的質(zhì)量特性，就要重點(diǎn)研究其質(zhì)量、質(zhì)心以及轉(zhuǎn)動(dòng)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(diǎn)，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(jìn)一步計(jì)算得到整機(jī)的質(zhì)心。因此，在飛行器設(shè)計(jì)過(guò)程中，特別是在計(jì)算流體力學(xué)得到快速發(fā)展之前，往往采用統(tǒng)計(jì)方法以及經(jīng)驗(yàn)公式[3]。

二、質(zhì)量計(jì)算

采用CAD計(jì)算方法，要通過(guò)對(duì)飛行器整機(jī)各個(gè)器件進(jìn)行分析，依據(jù)質(zhì)量的原始意義，多次循環(huán)計(jì)算，適用于使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行飛行器整機(jī)質(zhì)量計(jì)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(jì)算過(guò)程中，采用空間直角坐標(biāo)系"計(jì)算質(zhì)心，需要計(jì)算三個(gè)方向的質(zhì)心位置。如果飛行器結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，也可省略一個(gè)方向的質(zhì)心位置計(jì)算。

三、質(zhì)心計(jì)算

3.1合力方法

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

3.2相對(duì)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(dòng)弦為質(zhì)心參考弦，X0、Z0為平均氣動(dòng)弦前緣的位置，C0為平均氣動(dòng)弦長(zhǎng)，并用百分比來(lái)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(huì)發(fā)生一定的變化，能夠通過(guò)改變機(jī)內(nèi)器件的放置，重新把質(zhì)心調(diào)整到最佳的位置。這個(gè)過(guò)程大體為輸入質(zhì)心數(shù)據(jù)變化范圍，再通過(guò)計(jì)算得到真實(shí)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(jìn)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(jìn)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(duì)基于計(jì)算流體力學(xué)方法的質(zhì)量特性進(jìn)行了簡(jiǎn)要的講述，描述了質(zhì)量和質(zhì)心的計(jì)算原理，簡(jiǎn)要介紹了計(jì)算質(zhì)心的兩種方法，并將這種方法同以往的統(tǒng)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)公式方法進(jìn)行對(duì)比，分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，基于CAD的計(jì)算方法更適合當(dāng)下的飛行器設(shè)計(jì)。本文結(jié)論為飛行器設(shè)計(jì)前期的質(zhì)量特性計(jì)算提供了一種新穎的行之有效的方法，對(duì)工程實(shí)踐具有一定的參考價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

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

[2]陳俊章等，飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè) 第八冊(cè) 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(jī)總體布置自動(dòng)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.