載荷系數

載荷系數

機械術語
載荷系數表示了實際作用于飛機重心處(坐标原點)除重力外的外力與飛機重力的關系。它是用比值的概念來表示的,為一相對值。另一方面·載荷系數又表示了飛機質量力與重力的比率。由定義可以看出,載荷系數是一個矢量,用符号n表示。載荷系數又稱“過載”。載荷就是除重力外,飛機所受的其他外力之和。為了便于分析和應用,飛機載荷系數以其在速度坐标軸三個軸上的投影表示,分别稱為法向(y)、縱向(x)和側向(z)載荷系數。載荷系數有兩方面的實際意義:一是載荷系數确定了,則飛機上的載荷大小也就确定了;二是載荷系數表明飛機機動性的好壞。載荷系數是為了考慮零件在實際工作中所承受的動載、偏載、沖擊載荷等附加載荷的影響,所引入的系數。[1]
  • 中文名:載荷系數
  • 外文名:Load factor
  • 所屬學科:
  • 又稱:過載

載荷系數計算

載荷系數在機體坐标軸系三個主軸方向的分量為nx、ny、nz(見概述圖)。除重力以外的總外力在y方向上的分量(可近似認為就是升力Y)與飛機重力G之比就是y向的載荷系數ny,它可能為正,也可能為負,這取決于該外力的方向。當升力Y與y坐标軸正方向一緻時取正,反之取負。

在平直飛行情況下,飛機的升力隻要求與重力相等,即Y=G,此時ny=Y/G=1。若飛機作等速平直倒飛,則ny=-1(因此升力方向與y軸的正方向相反)。但在曲線飛行時.如俯沖拉起情況下,升力大于飛機重力的徑向分力G·cosθ,這兩個力之差使飛機産生向心加速度,飛行軌迹便向上彎曲。此時,ny=Y/G=cosθ+v2/gr,當以大速度小半徑猛烈拉起時,将會産生很大的正ny。ny越大,表示升力比飛機重力大得越多,飛機受力越嚴重。

當然,在飛機的x方向上,也會出現與切線加速度相關的慣性力Nx,即(2.8)

按照定義,在俯沖、拉起等各種飛行情況下,x方向的載荷系數應為:除去重力外的x方向的所有外力(沿x方向分量)與重力之比,即(2.9)

将式(2.9)代入式(2.8)得

由于ax一般較小(式(2.8)中對應俯沖拉起飛行中又有加力的情況),而飛機結構在x方向的強度、剛度較好,故除特殊情況(如着陸刹車、前方撞擊等)外,nx常不予考慮。平直等速飛行時,T=X,nx=0。另外,z向的過載一般也較小,不予考慮,因此,y向載荷系數是考慮的重點。

物理意義

載荷系數表示了實際作用于飛機重心處(坐标原點)除重力外的外力與飛機重力的關系。它是用比值的概念來表示的,為一相對值。就y方向而言,ny表示飛機升力是重力G(也即是平直飛行時的升力)的多少倍。

另一方面·載荷系數又表示了飛機質量力與重力的比率。就y方向來說.y向實際的質量力(Gcosθ+Ny)是飛機重力G(即等速平飛時的質量力)的多少倍,這個倍數即為ny即

須注意的是,在動平衡體系中,飛機的總質量力與除重力外的外力是大小相等、方向相反的平衡力系。因此,也可用質量力來計算載荷系數,但如以質量力來決定過載的方向,就應該是與飛機坐标軸正方向相反的為正,反之為負。

實用意義

由上述分析可以看出,飛機的載荷系數是飛機設計時重要的原始參數之一,它有兩方面的實際意義。

(1)載荷系數确定了,則飛機上的載荷大小也就确定了。如果我們知道了飛機重心處的載荷系數,那麼結合對應載荷系數的其他飛行參數(如高度、重量、速度、氣動力分布等)就能求得飛機結構各部分所受的實際載荷大小,以及它的作用方向,這就便于我們對飛機結構的強度、剛度等指标進行設計校驗;結構設計時要保證飛機能承受n所确定的載荷。在使用時,不能超過所規定的n值.否則飛機就不安全。

(2)載荷系數還表明飛機機動性的好壞。我荷系數也是各種飛行姿态受載情況與平直飛行情況相比較下的相對值,通過載荷系數可以了解到飛機的機動性能,因此,載荷系數又是飛機機動性的重要指标。現代戰鬥機特别強調機動性能,要求有較大的飛機載荷系數,一般約等于8。設計時,如能正确選取載荷系數的極限值,則既能使飛機滿足戰術技術要求,又能使飛機滿足結構的重量要求。

載荷系數可用過載表(見圖2.5(a))等儀器測定。在平直飛行時,無加速度,則載荷系數ny=1。此時,過載表内的彈簧與重塊的重力平衡,表的指針靜止地指着“1”。當機動飛行出現加速ay時,表内彈簧由于重塊本身質量力增大而伸長,并帶動指針指出ny的大小。當載荷系數為負時,重塊的質量力反向,彈簧受壓縮短,帶動指針反向轉動指出負載荷系數值。重塊浸于油液中以增加阻尼,減小振動,使指針穩定。

如需測飛機某處的載荷系數,就将過載表裝在該處;如果測全機的載荷系數,就将表裝在飛機的重心處;還可用自動記錄裝置把整個飛行運動過程的載荷系數情況記錄下來,繪成曲線,以作為飛機設計、研究、改進的依據。

最大系數選取

飛機載荷系數的大小與飛機的飛行戰術、技術性能,飛機結構的受力,設備的正常工作以及人員的生理機能等均有很大關系。最大載荷系數選得越大,飛機的機動性就越強,可急劇俯沖拉起,急躍升,大坡度盤旋,以實施突擊或快速有效地二次攻擊。但是載荷系數大了導緻結構受力增大,必然要增加飛機的結構重量以及設備重量(如要産生一定數值的載荷系數,必須有相當大的剩餘推力·動力裝置因此重量增加):各種設備也要在很大的慣性力下工作,對設備的要求也要提高,這有可能影響飛機的其他性能。載荷系數小則機動性差,但結構重量輕,飛機的其他性能卻有可能提高。因此,在飛機設計時必須恰巧地處理這些矛盾。一般由設計者和訂貨方按照實際需要選用。

确定載荷系數的另一個因素是駕駛員生理上的抗負荷能力。人是有質量的,載荷系數使人的各部分重量好像起了變化,重了、輕了,甚至失重。各内髒器宮、血液等會相對于人體下壓或上湧,形成生理病态。試驗及明,人體承受載荷系數的大小不僅與時間長短有關,而且還與方向有密切的關系。人忍受正載荷系數的能力較大,但能承受的負載荷系數就小得多(見圖2.13)。在很短時間内,人能忍受的nmax=8,nmin=-4。

為了提高機上人員承受過載的能力,出現了抗過載服與高過載座艙。抗過載服(見圖2.14)的工作原理是這樣的,當出現大的載荷系數時,由發動機引來的壓縮氣體通過氣濾和調壓器進入抗過載服,并鼓起氣囊,緊壓駕駛員的腹部和腿部,阻止血液遠離心髒而向下半身慣性流動,以減緩大的正載荷系數時生理病态的發生。高過載座艙(見圖2.15)主要是駕駛員座椅可根據飛行載荷系數的大小而自動傾斜不同的角度,以提高駕駛員承受過載的能力。當然這種座椅内部的布置,操縱系統的安排等也必須與一般的不同,應根據駛員的姿态和變化情況合理布局。

在飛機設計時,載荷系數的大小應根據飛機的類型、用途來适當确定,不是越大越好。在設計規範中,對不同類型的飛機所應選取的載荷系數值都有明确規定。規範屮一般給定重心處載荷系數的數據手冊,可供選用.但近年來,規範越來越傾向于指導性,由設計方和訂貨方靈活選擇。

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