《航空工程基础》课件

航空工程基础欢迎来到《航空工程基础》课程！本课程旨在为学员提供航空工程领域的基础知识和概念，涵盖航空器的基本构造、材料、制造工艺、气动力学特性以及飞行器的发展简史通过本课程的学习，学员将对航空工程领域有一个全面的了解，为后续的深入学习和研究打下坚实的基础本课程内容丰富，涉及多个学科领域，力求将理论与实践相结合，使学员能够更好地掌握所学知识同时，我们还将探讨未来航空器的发展趋势，激发学员对航空工程领域的兴趣和热情航空工程学科介绍定义研究方向应用领域航空工程是一门涉及航空器设计、制造、航空工程的研究方向包括航空器总体设计、航空工程的应用领域十分广泛，包括民用维护和运行的工程学科它融合了机械工气动设计、结构设计、推进系统设计、飞航空、军用航空、航天以及通用航空等程、电子工程、材料工程、控制工程等多行控制系统设计、航空材料、航空制造工在民用航空领域，航空工程主要涉及客机、个学科的知识，是一门高度综合性的工程艺、航空安全以及航空管理等货机以及通用航空飞机的设计、制造和维领域护航空器的基本构造1机翼机翼是航空器产生升力的主要部件，其形状和结构直接影响航空器的气动性能机翼通常由翼梁、翼肋、蒙皮以及副翼、襟翼等操纵面组成机身2机身是航空器的主要结构，用于连接机翼、尾翼以及动力装置等部件，并为乘员、货物以及设备提供空间机身通常采用桁架结构、硬壳结构或者半硬壳结构3尾翼尾翼用于控制航空器的飞行姿态，包括水平尾翼和垂直尾翼水平尾翼主要控制航空器的俯仰运动，垂直尾翼主要控制航空器的偏航运动4动力装置动力装置为航空器提供推力，使其克服阻力并保持飞行动力装置包括发动机和螺旋桨（或喷气发动机）飞机的主要部件机头机头是飞机最前端的部件，通常用于安装雷达、导航设备以及其他传感器机头的形状和结构对飞机的气动性能有一定的影响座舱座舱是飞行员和乘员所在的区域，通常位于机身的前部座舱的设计需要考虑到安全性、舒适性以及视野等因素起落架起落架用于支撑飞机在地面上的重量，并在起飞和着陆时提供缓冲起落架包括机轮、减震器以及制动系统辅助动力装置辅助动力装置（APU）为飞机提供电力和气源，通常用于启动主发动机以及为空调系统提供能量机翼的作用和构造产生升力保持稳定存储燃油机翼的主要作用是产生升力，克服飞机的重机翼的安装角度和形状对飞机的稳定性有很在某些飞机中，机翼内部可以用于存储燃油，力，使其能够在空中飞行升力的大小取决大的影响通过合理设计机翼，可以提高飞增加飞机的航程机翼油箱的设计需要考虑于机翼的形状、面积以及飞行速度机的飞行品质和安全性到安全性、可靠性以及燃油的供给机身结构的特点桁架结构1桁架结构由一系列杆件组成，通过铰接连接，形成稳定的框架桁架结构重量轻、强度高，但气动性能较差硬壳结构2硬壳结构由蒙皮和加强筋组成，蒙皮承受大部分载荷，加强筋提高结构的稳定性硬壳结构气动性能好，但重量较大半硬壳结构3半硬壳结构是桁架结构和硬壳结构的结合，既具有较好的气动性能，又具有较高的强度和刚度现代飞机的机身大多采用半硬壳结构动力装置概述提供推力动力装置的主要作用是为航空器提供推力，使其克服阻力并保持飞行推力的大小取决于发动机的类型、功率以及飞行速度产生动力动力装置通过燃烧燃料或其他能量来源产生动力，驱动螺旋桨或喷气发动机，从而产生推力能量转换动力装置将燃料的化学能转换为机械能，再通过螺旋桨或喷气发动机将机械能转换为推力发动机的分类涡轮螺旋桨发动机活塞式发动机涡轮螺旋桨发动机通过燃气涡轮驱动螺旋活塞式发动机通过活塞的往复运动产生动1桨，具有较高的功率重量比和燃油效率力，驱动螺旋桨活塞式发动机结构简单、2涡轮螺旋桨发动机适用于中低速飞机成本低，但功率重量比低涡轮风扇发动机涡轮喷气发动机涡轮风扇发动机是涡轮喷气发动机的改进4涡轮喷气发动机通过喷射高温高压燃气产型，通过风扇增加空气流量，提高推力并3生推力，具有较高的推力重量比和飞行速降低噪声涡轮风扇发动机是现代客机的度涡轮喷气发动机适用于高速飞机主要动力装置涡轮发动机的工作原理排气1排出高温高压燃气，产生推力燃烧2燃料与空气混合燃烧，产生高温高压燃气压缩3压缩空气，提高压力和温度进气4吸入空气涡轮发动机通过进气、压缩、燃烧和排气四个过程产生推力空气被吸入发动机后，经过压缩机压缩，压力和温度升高然后，压缩空气与燃料混合燃烧，产生高温高压燃气高温高压燃气驱动涡轮旋转，并将能量传递给压缩机和附件最后，燃气从尾喷口排出，产生推力喷气发动机的特点高空性能好1推力重量比高2飞行速度快3喷气发动机具有推力重量比高、飞行速度快以及高空性能好等特点喷气发动机在高空飞行时，空气密度低，阻力小，因此可以获得更高的速度和效率由于喷气发动机的推力重量比高，因此可以用于制造高性能飞机螺旋桨发动机的结构Cylinder PistonCrankshaft ConnectingRod ValveSystem Other螺旋桨发动机主要由气缸、活塞、曲轴、连杆、配气机构以及其他附件组成气缸是燃料燃烧的场所，活塞在气缸内往复运动，将燃料的化学能转换为机械能曲轴将活塞的往复运动转换为旋转运动，并将动力传递给螺旋桨配气机构控制气缸的进气和排气其他附件包括点火系统、润滑系统以及冷却系统等航空材料的特点轻质高强度耐腐蚀航空材料需要具有较低的密度，以减轻航空航空材料需要具有较高的强度，以承受飞行航空材料需要具有良好的耐腐蚀性能，以抵器的重量，提高飞行性能常用的轻质材料过程中产生的各种载荷常用的高强度材料抗大气环境的侵蚀常用的耐腐蚀材料包括包括铝合金、镁合金以及钛合金等包括高强度钢、钛合金以及复合材料等不锈钢、钛合金以及铝合金等复合材料在航空中的应用减轻重量提高强度提高耐腐蚀性复合材料具有较低的密度，可以显著减轻复合材料具有较高的强度和刚度，可以承复合材料具有良好的耐腐蚀性能，可以抵航空器的重量，提高飞行性能例如，波受飞行过程中产生的各种载荷复合材料抗大气环境的侵蚀复合材料不需要进行音787飞机大量使用复合材料，减轻了约还可以根据需要进行定制设计，以满足不特殊的防腐处理，降低了维护成本20%的重量同的强度要求金属材料在航空中的应用铝合金钛合金12铝合金具有密度低、强度高、钛合金具有强度高、耐高温、耐腐蚀等优点，广泛应用于飞耐腐蚀等优点，广泛应用于飞机的机身、机翼以及其他结构机的发动机、起落架以及其他部件高温部件高强度钢3高强度钢具有强度高、韧性好、耐磨损等优点，广泛应用于飞机的起落架、发动机以及其他承力部件航空制造工艺简介数控加工特种加工数控加工是利用计算机控制机床特种加工是利用电、化学、激光进行加工的工艺，具有精度高、等能量进行加工的工艺，适用于效率高、自动化程度高等优点，加工复杂形状、高硬度以及特殊广泛应用于航空零部件的制造材料的航空零部件装配装配是将各个航空零部件组装成整机的工艺，包括铆接、焊接、螺栓连接以及胶接等铆接技术在航空中的应用连接强度高可靠性高生产效率高铆接连接具有较高的连接强度，可以承受较铆接连接具有较高的可靠性，不易松动或失铆接工艺简单、操作方便，生产效率高铆大的载荷铆接广泛应用于飞机机身、机翼效铆接连接适用于承受振动、冲击以及高接适用于大批量生产的航空零部件以及其他结构部件的连接温等恶劣环境的航空零部件焊接技术在航空中的应用熔焊1熔焊是通过加热使金属熔化并连接在一起的焊接方法，包括电弧焊、气焊以及激光焊等压焊2压焊是通过施加压力使金属连接在一起的焊接方法，包括电阻焊、超声波焊以及摩擦焊等钎焊3钎焊是通过使用钎料将金属连接在一起的焊接方法，钎料的熔点低于被焊金属的熔点表面处理技术在航空中的应用提高耐腐蚀性表面处理可以提高航空零部件的耐腐蚀性，抵抗大气环境的侵蚀常用的表面处理方法包括阳极氧化、化学转化膜以及涂装等提高耐磨性表面处理可以提高航空零部件的耐磨性，延长使用寿命常用的表面处理方法包括渗碳、氮化以及镀硬铬等提高疲劳强度表面处理可以提高航空零部件的疲劳强度，抵抗循环载荷的作用常用的表面处理方法包括喷丸、滚压以及表面淬火等航空器的典型结构形式斜撑式机翼通过斜撑杆连接到机身上，增加了机2翼的支撑强度斜撑式机翼结构强度高，悬臂式但气动阻力大1机翼通过翼根直接连接到机身上，没有额外的支撑结构悬臂式机翼结构简单、多翼式气动性能好，但强度要求高飞机具有多个机翼，增加了升力面积多3翼式飞机升力大，但阻力也大，适用于低速飞机中小型客机的结构特点维护性1经济性2安全性3舒适性4轻量化5中小型客机的结构设计需要综合考虑轻量化、舒适性、安全性、经济性以及维护性等因素为了降低运营成本，中小型客机通常采用高效率的发动机和先进的气动设计为了提高乘客的舒适性，中小型客机通常采用宽敞的客舱和先进的娱乐系统为了提高安全性，中小型客机通常采用先进的飞行控制系统和安全设备大型客机的结构特点复杂性高1安全性高2舒适性高3载客量大4大型客机的结构设计需要综合考虑载客量、舒适性、安全性以及复杂性等因素大型客机的机身通常采用双层结构，以增加载客量为了提高乘客的舒适性，大型客机通常采用先进的空调系统、娱乐系统以及座椅设计大型客机通常采用多余度的飞行控制系统和安全设备，以提高安全性大型客机的结构设计非常复杂，需要采用先进的设计和制造技术军用战斗机的结构特点军用战斗机的结构设计需要综合考虑速度、机动性、武器载荷以及隐身性等因素军用战斗机通常采用推力重量比高的发动机和先进的气动设计，以提高速度和机动性军用战斗机通常采用复合材料和隐身涂层，以降低雷达反射面积，提高隐身性军用战斗机的结构设计非常复杂，需要采用先进的设计和制造技术直升机的结构特点旋翼系统尾桨系统机身旋翼系统是直升机的核心部件，用于产生升尾桨系统用于平衡主旋翼产生的反扭矩，并机身是直升机的骨架，用于连接旋翼系统、力和推力，并控制直升机的飞行姿态旋翼控制直升机的偏航运动尾桨系统通常位于尾桨系统、动力装置以及其他部件机身通系统由旋翼桨叶、桨毂以及控制机构组成直升机的尾部常采用桁架结构、硬壳结构或者半硬壳结构航空器的气动力学特性升力阻力力矩升力是垂直于气流方向的作用力，使航空阻力是与气流方向相反的作用力，阻碍航力矩是使航空器产生旋转运动的作用力，器能够克服重力并保持飞行升力的大小空器的飞行阻力的大小取决于航空器的包括俯仰力矩、偏航力矩以及滚转力矩取决于机翼的形状、面积、飞行速度以及形状、表面粗糙度、飞行速度以及空气密力矩的大小取决于气动力的分布以及作用迎角等因素度等因素点的位置升力的产生机理伯努利原理1伯努利原理指出，流体的速度越快，压力越低机翼的形状使气流在机翼上方流动的速度快于下方，从而产生压力差，产生升力牛顿第三定律2牛顿第三定律指出，作用力与反作用力大小相等、方向相反机翼向下偏转气流，产生向下的作用力，气流反过来对机翼产生向上的反作用力，产生升力阻力的产生机理压差阻力摩擦阻力压差阻力是由于航空器前后表面摩擦阻力是由于气流与航空器表的压力差产生的阻力航空器前面摩擦产生的阻力航空器表面表面的压力高于后表面，产生阻越粗糙，摩擦阻力越大力诱导阻力诱导阻力是由于机翼产生升力时产生的阻力诱导阻力与升力的平方成正比力矩的产生机理俯仰力矩偏航力矩滚转力矩俯仰力矩使航空器绕横轴旋转，改变俯仰角偏航力矩使航空器绕立轴旋转，改变偏航角滚转力矩使航空器绕纵轴旋转，改变滚转角俯仰力矩由升力、尾翼以及其他气动力产生偏航力矩由垂直尾翼以及其他气动力产生滚转力矩由副翼以及其他气动力产生气动力系数的测定方法风洞试验1风洞试验是将航空器模型放置在风洞中，模拟飞行状态，测量气动力的大小和分布飞行试验2飞行试验是将航空器放置在真实飞行环境中，测量气动力的大小和分布飞行试验可以验证风洞试验的结果数值模拟3数值模拟是利用计算机模拟气流流过航空器的过程，计算气动力的大小和分布数值模拟可以预测航空器的气动性能飞行器的基本运动方程力平衡方程力矩平衡方程运动学方程力平衡方程描述了航空器受到的各种力之力矩平衡方程描述了航空器受到的各种力运动学方程描述了航空器的位置、速度以间的关系，包括升力、阻力、重力以及推矩之间的关系，包括俯仰力矩、偏航力矩及加速度之间的关系运动学方程是分析力等力平衡方程是分析航空器运动的基以及滚转力矩等力矩平衡方程是分析航航空器运动轨迹的基础础空器姿态的基础空气动力学设计的基本原则提高升力提高升力可以降低航空器的起飞和着陆速2度常用的提高升力的方法包括增加机翼减小阻力面积、采用高升力翼型以及使用襟翼等减小阻力可以提高航空器的飞行速度和1航程常用的减小阻力的方法包括优化提高稳定性航空器的外形、减小表面粗糙度以及采用层流翼型等提高稳定性可以提高航空器的飞行品质和安全性常用的提高稳定性的方法包括优3化尾翼的尺寸和形状、调整重心位置以及采用自动稳定系统等机翼的气动布局设计上反角1下反角2后掠角3展弦比4机翼的气动布局设计包括翼型选择、展弦比确定、后掠角确定以及上反角/下反角确定等翼型选择需要综合考虑升力、阻力以及失速特性等因素展弦比越大，诱导阻力越小后掠角可以提高飞机的跨音速性能上反角可以提高飞机的横向稳定性机身的气动布局设计减小阻力1优化外形2流线型3机身的气动布局设计需要综合考虑阻力、重量以及内部空间等因素为了减小阻力，机身通常采用流线型外形为了减轻重量，机身通常采用轻质材料和结构为了优化内部空间，机身通常采用圆形或椭圆形截面鸟类飞行的特点Wing ShapeFeather ControlMuscle StrengthBone StructureAir Sacs鸟类飞行具有高效、灵活以及适应性强等特点鸟类通过拍打翅膀产生升力和推力，并通过控制翅膀的形状和角度来调节飞行姿态鸟类的骨骼轻而坚固，肌肉力量强大，呼吸系统高效，这些都为飞行提供了保障鸟类还可以利用气流进行滑翔，节省能量鸟类飞行的特点对航空器的设计具有重要的启示作用蝙蝠飞行的特点翼膜骨骼回声定位蝙蝠的翅膀由翼膜构成，翼膜是一种薄而柔蝙蝠的骨骼轻而坚固，手指骨骼特别长，支蝙蝠利用回声定位来感知周围环境，并在黑韧的膜，由皮肤、肌肉以及血管组成翼膜撑着翼膜蝙蝠的骨骼结构使其具有良好的暗中飞行蝙蝠发出超声波，并根据超声波可以灵活地改变形状，以适应不同的飞行需飞行性能的反射来判断物体的位置和大小求自然界飞行生物的启示仿生设计材料选择控制系统自然界飞行生物的飞行原理和结构特点为自然界飞行生物的骨骼和羽毛等材料具有自然界飞行生物的神经系统和肌肉系统可航空器的设计提供了重要的启示通过仿轻质、高强以及耐磨损等特点，这些材料以精确地控制翅膀的运动，实现各种复杂生设计，可以提高航空器的飞行性能、降的特性可以为航空材料的选择提供参考的飞行动作这些控制系统的原理可以为低能耗以及改善飞行品质航空器的控制系统设计提供借鉴飞行器的分类和发展简史按用途分类按动力分类按飞行方式分类123飞行器可以按用途分为民用航空器、飞行器可以按动力分为动力航空器和飞行器可以按飞行方式分为固定翼飞军用航空器以及试验航空器等民用无动力航空器动力航空器依靠发动机、旋翼飞机以及其他类型的飞行器航空器主要用于客货运输，军用航空机产生推力，无动力航空器依靠气流固定翼飞机依靠机翼产生升力，旋翼器主要用于军事作战，试验航空器主产生升力飞机依靠旋翼产生升力要用于科学研究固定翼飞机的发展历程早期探索19世纪末，人们开始尝试制造固定翼飞机1903年，莱特兄弟成功地制造了第一架能够持续飞行的飞机，开启了航空时代一战时期第一次世界大战促进了飞机的发展飞机被广泛应用于侦察、轰炸以及空战等军事领域二战时期第二次世界大战进一步推动了飞机的发展飞机的性能得到了显著提高，出现了各种新型飞机，如战斗机、轰炸机以及运输机等现代时期现代飞机的性能更加优越，安全性更高，舒适性更好现代飞机广泛应用于客货运输、军事作战以及科学研究等领域旋翼飞机的发展历程早期探索发展时期现代时期15世纪，达芬奇设计了旋翼飞机在军事领域得现代旋翼飞机的性能更最早的旋翼飞行器20到了广泛应用直升机加优越，安全性更高，世纪初，人们开始尝试被用于侦察、运输、救舒适性更好现代旋翼制造旋翼飞机1936年，援以及攻击等任务飞机广泛应用于客货运第一架实用型直升机诞输、医疗救援以及警务生巡逻等领域无人机的发展历程早期探索1无人机的历史可以追溯到第一次世界大战时期当时，人们开始尝试制造无人驾驶的飞机，用于执行侦察和轰炸任务发展时期2无人机技术得到了快速发展无人机被广泛应用于军事侦察、目标跟踪以及电子对抗等领域现代时期3现代无人机的性能更加优越，功能更加强大，应用领域更加广泛现代无人机被广泛应用于农业、物流、测绘以及娱乐等领域航天器的发展历程早期探索人类对航天器的探索可以追溯到古代中国古代的火箭是航天器的雏形20世纪初，科学家们开始研究火箭推进技术发展时期航天技术得到了快速发展人类成功发射了第一颗人造卫星，并实现了载人航天飞行现代时期现代航天器的性能更加优越，功能更加强大，应用领域更加广泛现代航天器被广泛应用于通信、导航、气象以及科学研究等领域未来航空器的发展趋势绿色化未来的航空器将更加绿色环保，采用新型2能源、新型材料以及新型推进系统，以降智能化低能耗和排放未来的航空器将更加智能化，具有自主1飞行、自主导航以及自主决策等能力人工智能技术将为航空器的智能化提供高速化支持未来的航空器将更加高速，采用超音速或3高超音速飞行技术，以缩短飞行时间结论与展望航空工程是一门充满挑战和机遇的学科随着科技的不断发展，航空工程领域将迎来更加广阔的发展前景未来的航空器将更加智能化、绿色化以及高速化，为人类提供更加便捷、高效以及安全的出行方式希望通过本课程的学习，学员能够对航空工程领域产生浓厚的兴趣，并为未来的航空事业做出贡献让我们一起努力，共同创造航空工程的美好未来！。