飞行器的质量特性计算方法研究

曹勇 赵慧

【摘要】 本文對基于计算流体力学方法的质量特性进行了简要的讲述，描述了质量和质心的计算原理，简要介绍了计算质心的两种方法，并将这种方法同以往的统计方法和经验公式方法进行对比，分析了各自的优缺点，基于CAD的计算方法更适合当下的飞行器设计。最后，本文研究了由于燃料消耗带来的质心变化问题，讲解了质心的自动调整原理和流程，通过调整内部器件的位置使质心位置保持在飞控要求的区间内。本文为飞行器设计前期的质量特性计算提供了一种新颖的行之有效的方法，对工程实践具有一定的参考价值。

【关键词】 无人机 质量特性 计算方法

一、引言

如今，由于计算机技术的进步，多种计算流体力学（CAD）软件得到迅猛发展，使得几何建模变得精确、快捷，促进了航天领域飞行器的设计工作，飞行器总体布置是其中一个重要组成部分[1]。对飞行器质量特性的分析是飞行器设计的基础，在每个环节中都具有重要的作用，可以为总体设计提供理论依据，直接影响了飞行器设计的成功与否。研究飞行器的质量特性，就要重点研究其质量、质心以及转动惯量等[2]。各种配件、零部件、燃料等组成了飞行器的质量。本文中飞行器的质心指的是其所有质量形成的合力的作用点，质心位置非常关键。如果已知各器件的质量和形状，可以推知各器件的质心，然后进一步计算得到整机的质心。因此，在飞行器设计过程中，特别是在计算流体力学得到快速发展之前，往往采用统计方法以及经验公式[3]。

二、质量计算

采用CAD计算方法，要通过对飞行器整机各个器件进行分析，依据质量的原始意义，多次循环计算，适用于使用计算机进行飞行器整机质量计算，具有较高的准确度，其得到的质量情况可以采纳使用。在质心计算过程中，采用空间直角坐标系"计算质心，需要计算三个方向的质心位置。如果飞行器结构是对称的，也可省略一个方向的质心位置计算。

三、质心计算

3.1合力方法

这个方法是基于合力平衡的思想。在坐标系内，计算各个器件围绕坐标O点的力矩，得到每个系统的静力矩，进而由各个系统的静力矩之和除以飞行器整机的质量，XZ、YZ、ZZ分别为整机质心在该轴上的位置，Xi、Yi、Zi分别为第i个器件的质心在该轴上的位置，进一步就能得到整机质心的坐标，Wi表示第i个器件的质量，如下所示：

3.2相对质心

质心坐标XZ=（XZ-X0）/C0×100%、ZZ=（ZZ-Z0）/C0×100%，上式中，选择平均气动弦为质心参考弦，X0、Z0为平均气动弦前缘的位置，C0为平均气动弦长，并用百分比来表示。

四、质心调整方法

显然，随着燃料的消耗，飞行器的质心会发生一定的变化，能够通过改变机内器件的放置，重新把质心调整到最佳的位置。这个过程大体为输入质心数据变化范围，再通过计算得到真实的质心变化范围，然后根据控制软件判断质心是否在此范围内，如果是的话，就不进行调整，输出最佳的质心位置参数，如果否的话，先要判断需要调整的方向，再进行调整，最终将质心调整到合理的范围内，输入结果终止。流程图如图1所示。

五、结论

本文对基于计算流体力学方法的质量特性进行了简要的讲述，描述了质量和质心的计算原理，简要介绍了计算质心的两种方法，并将这种方法同以往的统计方法和经验公式方法进行对比，分析了各自的优缺点，基于CAD的计算方法更适合当下的飞行器设计。本文结论为飞行器设计前期的质量特性计算提供了一种新颖的行之有效的方法，对工程实践具有一定的参考价值。

参 考 文 献

[1]余雄庆，徐惠民，昂海松，飞机总体设计，航空工业出版社，2000.

[2]陈俊章等，飞机设计手册 第八册 重量平衡与控制，北京，航空工业出版社，1999.10.

[3]姚铭，基于CAD的飞机总体布置自动化和质量特性的估算，南京航空航天大学，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.