CN113120245B - 一种飞翼布局无人机燃油箱布置方法 - Google Patents

一种飞翼布局无人机燃油箱布置方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及无人机技术领域，公开了一种飞翼布局无人机燃油箱布置方法，包括燃油箱的重心设计、整体燃油箱结构设计、燃油箱区域划分以及燃油系统成品布置这几个步骤。本申请在受限于飞翼布局飞机重心前后限范围小，并且同一整体燃油箱需同时满足两种不同油量装载的需求的条件下，通过本申请所设计的燃油箱能够确保在各种典型状态下起飞、着陆、平飞、机动过程中，两种油量的耗油曲线始终保持在规定的安全范围内。

Description

一种飞翼布局无人机燃油箱布置方法
技术领域
本申请涉及无人机技术领域，具体涉及一种飞翼布局无人机燃油箱布置方法。
背景技术
同一架飞机在执行不同任务时所需的燃油装载量不同，针对不同的任务需求，起飞时同一个燃油箱配装的满载油量不同。为保障飞行安全，在起飞、平飞、机动、着陆等过程中，同一个燃油箱需同时满足满载状态下不同燃油装载量的需求，且飞机使用过程中，不同容积的燃油油心变化均需控制在全机重心前后限之间的安全范围内，因此增加了燃油箱的设计难度。又因飞翼布局飞机重心前后限范围狭小，机载成品总体布置稍有不慎极易造成全机重心超限，而围绕重心布置的关键部件数量多、体积大、重量大，可利用的设计空间紧张，部件之间容易发生干涉，因此燃油箱所在的全机重心区域的技术协调工作费时、费力。进一步地，为支撑后续结构设计制造、燃油系统设计、管路通道设计以及维修保障设计，燃油箱的设计除了需要满足科研任务需要以及飞机平台功能需求外，还应该尽量满足规范化、低成本、简单化、通用化、便捷化的设计要求。因此，飞翼布局飞机燃油箱的总体布置在设计过程中困难重重，但现有总体设计技术中，尚未发现有针对飞翼布局无人机燃油箱总体布置方法的参考资料。
发明内容
为了弥补现有技术中飞翼布局无人机燃油箱总体布置方法的技术空白，本申请提供了一种飞翼布局无人机燃油箱总体布置的方法，其目的是使得设计的燃油箱满足不同任务载荷配置的同一架飞机，对应的两种不同燃油量的装载需求，并确保在各种典型状态下起飞、着陆、平飞、机动过程中，两种不同燃油量的耗油曲线始终保持在规定的安全范围内，同时，为实现后续低成本、简单化、减重、便捷性的燃油箱结构设计、燃油系统设计、维修保障设计、全机通电走线设计等提供有利的前置条件。
为了实现上述发明目的，本申请的技术方案如下：
一种飞翼布局无人机燃油箱布置方法，具体包括以下步骤：
A、燃油箱的重心设计
将满油状态时燃油箱的重心设计在全机设计重心处；
B、整体燃油箱结构设计
以全机设计重心为中点，设计初始燃油箱为一个标准规则的几何体并向外360°扩展，采用整体切割法设计燃油箱；
C、燃油箱区域划分
将燃油箱内部划分为多个区间，形成以结构框、梁为分界面的多个小油箱，小油箱按耗油顺序耗油并且满足各飞机姿态下油心变化在全机的设计重心前后3%的区间内波动。
D、燃油系统成品布置
完成燃油箱的总体布置后，将燃油系统的成品布置到位，包括通气增压装置、供输油装置、加放油装置以及测量装置。
进一步地，所述步骤A具体包括以下步骤：
A1、确定全机重心前后限及设计重心
通过工程画法初估平均气动弦长25%作为全机设计重心，再根据气动外形仿真出的前焦点沿负航向，取平均气动弦长3%的距离所在点作为重心后限；根据工程经验初估重心前限，并根据重量、舵偏、气动力、前主起落架占位、发动机高度对飞机滑跑起飞及起飞后的性能进行评估，验证重心前限估值的合理性，最后取重心前、后限的中点作为校核后的全机设计重心。
A2、燃油箱重心确定
将满载大油量的燃油箱的重心与全机设计重心重合。
进一步地，所述步骤B具体包括以下步骤：
B1、设计初始燃油箱
以全机设计重心为中点，将初始燃油箱设计为一个内部相通的标准规则的几何体并360°向外扩展，燃油箱从机背延伸至机腹，体积优先满足大油量满载的装载需求；
B2、整体切割法设计燃油箱
采用整体切割法，最小化切掉几何体中与周边各部件相互干涉的部分，并留出与各部件的最小安全距离以及全机的线缆通道，同时确保切割平面在机体法向等高且只有一个高度；
B3、设计两种油量的燃油箱
采用通用化设计，在优先满足大油量油箱设计的基础上，采用低成本的重力加油方式满足小油量油箱的需要，从而实现同一机身整体油箱满足两种不同油量的装载需求。
进一步地，所述步骤C具体包括以下步骤：
C1、燃油箱区域划分
利用已有的横向和纵向结构框、梁作为隔板，采用一个或多个主油箱搭配一个供油箱的划分方式将燃油箱内部划分为多个区间，形成以结构框、梁为分界面的多个小油箱，小油箱按耗油顺序耗油并且满足各飞机姿态下油心变化在全机的设计重心前后3%的区间内波动；
C2、供油箱的设计
供油箱位于全机设计重心处，供油箱的顶板采用平板并且供油箱的高度高于燃油泵50-100mm。
进一步地，所述步骤A中，若同一个燃油箱有一大一小两种油量需求，则满油状态是指装载大油量的满油状态。
进一步地，所述步骤A中，所述设计重心是指全机重心前后限的中点。
进一步地，所述燃油箱从机背延伸至机腹具体是指初始燃油箱的上、下表面分别与飞机机背和机腹贴合共型。
进一步地，所述步骤B2中，在切割过程中，同步调整切割方向和切割量，保证切割后的燃油箱仍然处于全机设计重心处。
进一步地，所述供油箱是指同时满足重心、机动以及结构受力要求的位于机体最低位置且最后使用的小油箱。
进一步地，所述燃油箱是指机身油箱。
本申请的有益效果：
本申请提供了一种飞翼布局无人机燃油箱布置方法，在受限于飞翼布局飞机重心前后限范围小，并且同一整体燃油箱需同时满足两种不同油量装载的需求的条件下，本申请所设计的燃油箱能够确保在各种典型状态下起飞、着陆、平飞、机动过程中，两种油量的耗油曲线始终保持在规定的安全范围内。进一步地，本申请还可拓展应用于同一飞机平台具有多种油量需求的飞机总体布置技术中，同时为后续低成本、简单化、便捷性的燃油箱结构设计、燃油系统设计、维修保障设计、全机通电走线设计等提供了有利的前置技术条件。
附图说明
本申请的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：
图1为初始燃油箱重心与全机的设计重心重合示意图；
图2为重心区域与燃油箱相邻的各部件示意图；
图3为初始燃油箱总体布置图；
图4为燃油箱总体布置图；
图5为燃油箱总体布置侧视图；
图6为燃油箱结构示意图；
图7为燃油耗油曲线图；
图8为供油箱结构示意图。
图中：
1、全机设计重心；2、燃油箱重心；3、燃油箱；4、主油箱；5、供油箱；6、战斗部；7、主起落架；8、发动机；9、进气道。
具体实施方式
下面通过具体的实施例来进一步说明实现本申请发明目的的技术方案，需要说明的是，本申请要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。
为了满足同一飞机平台装载两种油量的需求，确保各飞行姿态下燃油的耗油重心不超限，以及为后续低成本、便捷性设计提供技术支持，本实施例提供了一种飞翼布局无人机燃油箱布置方法，本方法主要包括以下几个步骤和流程：
（1）确定全机重心前后限以及设计重心
首先通过工程画法初估平均气动弦长25%作为全机设计重心1，再根据气动外形仿真出的前焦点沿负航向，取平均气动弦长3%的距离所在点作为重心后限，接着根据工程经验初估重心前限，并根据重量、舵偏、气动力、前主起落架占位、发动机高度对飞机滑跑起飞及起飞后的性能进行评估，验证重心前限估值的合理性，此过程需重复迭代直至得出合理的重心前限，最后取重心前、后限的中点作为校核后的全机设计重心1。
（2）确定燃油箱的重心
为保证飞机在各典型状态、姿态下的起降、平飞、机动中，燃油油心的变化始终处于全机设计重心1的前后限之间，参照说明书附图1，将满载大油量的燃油箱重心2与全机设计重心1重合。
（3）设计初始燃油箱
参照说明书附图1，以全机设计重心为中点，设计初始燃油箱3为一个标准规则的几何体，并360度往外扩展，初始燃油箱3的上、下表面分别与飞机机背、机腹贴合共型，进一步地，燃油箱3的体积优先满足大油量满载的装载需求。在设计初始燃油箱3时，燃油箱3应避免仅设计在机体上半部分，以免无法依靠重力注入燃油，需另加机械注入的专用成品，而使系统设计复杂化。
（4）整体切割法设计燃油箱
为最大化利用紧张有限的全机设计重心所在的空间，采用整体切割法，在初始燃油箱3的基础上，切掉必须切掉的区域，即初始燃油箱3中与周边各部件包括战斗部6、主起落架7、发动机8以及进气道9等干涉的部分，并与各部件需保持的最小安全距离以及需预留的线缆电缆通道；进一步地，在切割过程中需要同步调整切割方向和切割量，保证切割后的燃油箱3仍然位于全机设计重心1处；进一步地，为支持后续规范化、低成本结构设计制造，同时减少死油量、达到减重目的，切割平面在机体法向等高且只有一个高度，避免切割面呈多高度的阶梯状，参照说明书附图2-图5；
燃油箱3与各部件保持最小安全距离，燃油箱3后端面与发动机8前端面需留出约60mm的安装间距，进一步地，又因进气道9内部的冲压载荷引起的进气道结构变形空间、进气道9安装误差及局部加厚的进气道9，燃油箱3的分界面与进气道9的安全间距≥12mm；
由于全机线缆电缆需从机头贯穿至机尾，需以最大的电缆接头直径、最大的电缆直径、和最大线束捆扎直径等计算通道最小尺寸，因此，预留≥150mm的线缆电缆通道空间；
因油电分离的设计需要，优先将电缆设计在燃油箱3的上方部位。
（5）设计两种油量的燃油箱
由于同一飞机任务需求不同所需的燃油量不同，因此采取通用化设计，在优先满足大油量油箱设计的基础上，采用低成本的重力加油方式满足小油量油箱需要，从而实现同一机身整体油箱同时满足两种不同油量的装载需求。
（6）燃油箱区域划分
参照说明书附图6，采用一个或多个主油箱4搭配一个供油箱5的划分方法将燃油箱3内部划分为多个区间，形成以结构框、梁为分界面的多个小油箱，小油箱包括主油箱4和供油箱5；进一步，所述结构框、梁指利用已有的横向、纵向结构框、梁作为隔板，避免额外增加结构隔板和采用斜向或异形隔板；进一步，参照说明书附图7，所述的小油箱按耗油顺序耗油，且满足各飞机姿态下，包括满油起飞、30%余油着陆带攻角、50%余油做机动带横滚角与攻角等油心变化在设计重心前后3%区间波动；进一步地，为避免系统设计复杂，采用小于5个耗油控制点的少数量耗油顺序设计；进一步地，为避免50%余油时，因机动导致燃油往某一方向跨度过大，避免在某一方向上过长的长条状小油箱设计。
（7）设计供油箱
参照说明书附图8，供油箱5位于全机设计重心1处，供油箱5顶板设计为平板，供油箱5的高度高于燃油泵50-100mm。当飞机做倒飞机动时为避免出现油泵空吸的情况，燃油泵需在油面以下，因此供油箱5的顶板不能太低，供油箱5的油量需大于计划用油量，根据发动机的供油量，计算倒飞使用油量为2-5kg，规定倒飞安全余油量并限制倒飞时间＜30S。
（8）燃油系统成品布置
完成燃油箱3的总体布置后，将燃油系统的成品布置到位，燃油系统成品通常分为通气增压装置、供输油装置、加放油装置、测量装置等。成品布置除满足功能要求外，还需有充足的安装、布置、操作维修空间，且成品开关、插头朝向的可达性良好、高频率维护的成品布置在开敞性良好的位置。
在本实施例中，若同一个燃油箱3有一大一小两种油量需求，则满油状态是指装载大油量的满油状态。
在本实施例中，所述供油箱5是指同时满足重心、机动以及结构受力要求的位于机体最低位置且最后使用的小油箱。
在本实施例中，所述燃油箱3是指机身油箱。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
以上所述，仅是本申请的较佳实施例，并非对本申请做任何形式上的限制，凡是依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种飞翼布局无人机燃油箱布置方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
A、燃油箱的重心设计
将满油状态时燃油箱的重心设计在全机设计重心处；
B、整体燃油箱结构设计
以全机设计重心为中点，设计初始燃油箱为一个标准规则的几何体并向外360°扩展，采用整体切割法设计燃油箱；
C、燃油箱区域划分
将燃油箱内部划分为多个区间，形成以结构框、梁为分界面的多个小油箱，小油箱按耗油顺序耗油并且满足各飞机姿态下油心变化在全机的设计重心前后3%的区间内波动；
D、燃油系统成品布置
完成燃油箱的总体布置后，将燃油系统的成品布置到位，包括通气增压装置、供输油装置、加放油装置以及测量装置；
所述步骤B具体包括以下步骤：
B1、设计初始燃油箱
以全机设计重心为中点，将初始燃油箱设计为一个内部相通的标准规则的几何体并360°向外扩展，燃油箱从机背延伸至机腹，体积优先满足大油量满载的装载需求；
B2、整体切割法设计燃油箱
采用整体切割法，最小化切掉几何体中与周边各部件相互干涉的部分，并留出与各部件的最小安全距离以及全机的线缆通道，同时确保切割平面在机体法向等高且只有一个高度；
B3、设计两种油量的燃油箱
采用通用化设计，在优先满足大油量油箱设计的基础上，采用低成本的重力加油方式满足小油量油箱的需要。
2.根据权利要求1所述的一种飞翼布局无人机燃油箱布置方法，其特征在于：所述步骤A具体包括以下步骤：
A1、确定全机重心前后限及设计重心
通过工程画法初估平均气动弦长25%作为全机设计重心，再根据气动外形仿真出的前焦点沿负航向，取平均气动弦长3%的距离所在点作为重心后限；根据工程经验初估重心前限，并根据重量、舵偏、气动力、前主起落架占位、发动机高度对飞机滑跑起飞及起飞后的性能进行评估，验证重心前限估值的合理性，最后取重心前、后限的中点作为校核后的全机设计重心；
A2、燃油箱重心确定
将满载大油量的燃油箱的重心与全机设计重心重合。
3.根据权利要求1所述的一种飞翼布局无人机燃油箱布置方法，其特征在于：所述步骤C具体包括以下步骤：
C1、燃油箱区域划分
利用已有的横向和纵向结构框、梁作为隔板，采用一个或多个主油箱搭配一个供油箱的划分方式将燃油箱内部划分为多个区间，形成以结构框、梁为分界面的多个小油箱，小油箱按耗油顺序耗油并且满足各飞机姿态下油心变化在全机的设计重心前后3%的区间内波动；
C2、供油箱的设计
供油箱位于全机设计重心处，供油箱的顶板采用平板并且供油箱的高度高于燃油泵50-100mm。
4.根据权利要求1所述的一种飞翼布局无人机燃油箱布置方法，其特征在于：所述步骤A中，若同一个燃油箱有一大一小两种油量需求，则满油状态是指装载大油量的满油状态。
5.根据权利要求1所述的一种飞翼布局无人机燃油箱布置方法，其特征在于：所述步骤A中，所述设计重心是指全机重心前后限的中点。
6.根据权利要求1所述的一种飞翼布局无人机燃油箱布置方法，其特征在于：所述燃油箱从机背延伸至机腹具体是指初始燃油箱的上、下表面分别与飞机机背和机腹贴合共型。
7.根据权利要求1所述的一种飞翼布局无人机燃油箱布置方法，其特征在于：所述步骤B2中，在切割过程中，同步调整切割方向和切割量，保证切割后的燃油箱仍然处于全机设计重心处。
8.根据权利要求3所述的一种飞翼布局无人机燃油箱布置方法，其特征在于：所述供油箱是指同时满足重心、机动以及结构受力要求的位于机体最低位置且最后使用的小油箱。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种飞翼布局无人机燃油箱布置方法，其特征在于：所述燃油箱是指机身油箱。
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