第二章重量估算

2.1 方法概述

为了方便起见，通常将起飞重量\(W_{\rm{to}}\)分解为 \[ W_{\rm{to}} = W_{\rm{oe}}+W_{\rm{f}}+W_{\rm{pl}} \label{eq:wto} \tag{2.1}\] 式中，\(W_{\rm{oe}}\)为使用空重（operating weight empty），\(W_{\rm{f}}\)为任务燃油重量（mission fuel weight），\(W_{\rm{pl}}\)为任务载荷重量（payload weight）。使用空重\(W_{\rm{oe}}\)为通常表示为： \begin{equation} W_{\rm{oe}}=W_{\rm{e}}+W_{\rm{tfo}}+W_{\rm{crew}} \label{eq:we} \end{equation} 式中，\(W_{\rm{e}}\)为空重，\(W_{\rm{tfo}}\)为废油重量，\(W_{\rm{crew}}\)为机组成员重量。空重\(W_{\rm{e}}\)有时可以表示为 \begin{equation} W_{\rm{e}}=W_{\rm{ME}}+W_{\rm{FEQ}} \end{equation} 式中，\(W_{\rm{ME}}\)为制造空重（manufacturers empty weight），\(W_{\rm{FEQ}}\)为固定设备重量。固定设备通常包括：

航电设备；
空调设备；
雷达设备；
辅助动力单元（Auxiliary Power Unit, APU）；
家具和内饰；
其他设备。

在此，有两个关键点需要关注：

第1点从非常基本的考虑来估计所需的任务燃料重量并不是困难的，这将在
第2点前面所述的12种飞机，其\(\log W_{\rm{to}}\)和\(\log W_{\rm{e}}\)之间存在线性关系。

基于这两点，估算\(W_{\rm{to}}\)、\(W_{\rm{e}}\)、\(W_{\rm{f}}\)的基本步骤如下：

第1步确定任务载荷重量\(W_{\rm{pl}}\)。

第2步估计一个起飞重量的值\(W_{\rm{to}_{\rm{guess}}}\)。

2. 任务载荷和机组成员

任务载荷重量\(W_{\rm{pl}}\)通常在任务规范中进行明确。任务载荷重量一般包含以下内容：

乘客和行李；
货物；
军事载荷，如弹药、炸弹、导弹和各种备用物或吊舱，备用物和吊舱通常外挂，因此影响飞机阻力。

对于商用飞机中的乘客，一般认为每个人则重量为80kg，并且在中短程的飞行中可携带14kg的行李，在远程的飞行中可携带18kg的行李。

3. 起飞重量估算

起飞重量的初始估计通常是对比参照同类型的飞机。如果不能进行合理的比较（也许是因为规范要求的是一种从未设想过的飞机），那么就有必要进行任意的“猜测”。

4. 任务燃油重量

在上文中，第1点指出从非常基本的考虑来估计所需的任务燃料重量并不是困难的。本节将提出这种方法。

任务燃油重量\(W_{\rm{f}}\)可以写成 \begin{equation} W_{\rm{f}} = W_{\rm{f}_{\rm{used}}} + W_{\rm{f}_{\rm{res}}} \end{equation} 式中，\(W_{\rm{f}_{\rm{used}}}\)是任务过程中真实使用的燃油，\(W_{\rm{f}_{\rm{res}}}\)是任务备用燃油。

备用燃油通常在任务规范中给出；对于民航运输机，备用燃油要求也会在FAR中给出。备用燃油通常规定为以下一种或多种类型

作为使用燃油\(W_{\rm{f}_{\rm{used}}}\)；
作为额外航程的要求，以便到达备用机场；
作为（额外）待机时间的要求。

为了确定使用任务燃油重量\(W_{\rm{f}_{\rm{used}}}\)，本文将使用燃油分数法。在这种方法中，将飞机的任务过程划分为几个任务阶段。每个阶段所使用的燃油可通过简单的计算或根据经验估算得出。

针对任意飞机使用燃油分数法对其进行说明。下图图定义了飞机的任务剖面

可以看出，任务剖面被划分为几个任务阶段，每个任务阶段有一个标号，每个阶段也具有一个对应的开始重量和一个结束重量。

下面将给出一个重要的定义：每个阶段的燃油分数是指结束重量和开始重量的比值。

接下来将给出每个任务阶段对应的燃油分数的数值：

第1阶段开车和暖机开始重量为\(W_{\rm{to}}\)，结束重量为\(W_1\)。根据前面的定义，该阶段的燃油分数定义为\(W_1/W_{\rm{to}}\)。下表给出了12种飞机该阶段的燃油分数。

不同类型飞机各阶段燃油分数
任务段序号	开车和暖机 1	滑跑 2	起飞 3	爬升 4	下降 7	着陆、滑跑和关车 8	\(\Pi\)
家制飞机	0.998	0.998	0.998	0.995	0.995	0.995	0.9792
单发螺旋桨飞机	0.998	0.998	0.998	0.995	0.995	0.995	0.9792

第2阶段滑跑开始重量为\(W_1\)，结束重量为\(W_2\)。该阶段的燃油分数定义为\(W_2/W_1\)。上表中给出了12种飞机该阶段的燃油分数。

2.5 空机重量

2.6 算例

下面将用3个算例来验证估算\(W_{\rm{to}}\)、\(W_{\rm{e}}\)和\(W_{\rm{f}}\)的方法：

双发螺旋桨飞机；
喷气运输机；
战斗机。

2.6.1 算例1：双发螺旋桨飞机

表中给出一个双螺旋桨飞机的任务规范示例

双发螺旋桨飞机任务规范
项目	内容
载荷	6名乘客，每名乘客80 kg；行李共计90 kg
航程	最大载荷下1600 km，25%的备用任务燃油
高度	3 km
任务剖面

第1步计算载荷重量\[W_{\rm{pl}} = 6\times 80\rm{kg}+90\rm{kg}=570 \rm{kg}\]

第2步根据相似机型估算起飞重量，相似机型如下：

型号	\(W_{\rm{pl}}\) (kg)	\(W_{\rm{to}}\) (kg)	\(V_{\rm{cr}.\max}\) (km/h)	Range (km)
Beech Duke B60	590	3000	440	2000

第3步确定燃油重量

开车和暖机：\(W_1/W_{\rm{to}}=0.992\)；

第一章

第三章

飞机设计

第二章 重量估算