1.2 飞机载荷和载荷谱基本知识

1.2.1 飞机载荷

1.飞机载荷概念

飞机载荷是飞机在使用过程中作用在飞机结构上各种力的总称，简言之，飞机载荷是指作用在飞机上的力和力矩。例如，图1-1表示在对称飞行中作用在典型飞机上的气动力和气动力矩，这些力包括升力L、重力W、推力T、阻力D及俯仰力矩M等。这些力在飞机水平直线飞行中是处于平衡状态的，也就是说，升力、重力等各种垂直力之和等于零，推力、阻力等各种水平力之和等于零，机翼俯仰力矩、水平尾翼平衡力矩、推力线位置引起的力矩等各种力矩之和等于零，即

飞机在使用过程中，各零部件上作用有各种各样载荷，一些零部件在飞行中所受到的载荷是最危险的，而另一些零部件则是在起飞和着陆时最危险，它们往往会导致飞机一些零部件失效和结构破坏，甚至会导致机毁人亡。因此，在飞机设计和验证中必须对飞机载荷给予特别关注，要准确计算载荷并正确验证飞机结构载荷和强度，以确保飞机结构在使用中的可靠性和安全性。

2.飞机载荷分类

飞机载荷可以从不同角度进行分类。

1）按载荷性质分

飞机载荷可分为静载荷、动载荷（振动载荷、声载荷、冲击载荷等）、疲劳载荷和热载荷。

从力学角度来说，静载荷和动载荷是以载荷的变化速率为主要特征，用结构固有频率为参照，载荷大小、方向及作用点随时间缓慢变化者为静载荷，快速变化者为动载荷；疲劳载荷是以载荷的交变性和重复性为主要特征，无论什么载荷，只要反复多次作用于飞机结构，则都是疲劳载荷。所以，疲劳载荷可以是静态的，也可以是动态的。热载荷是以温度对载荷的影响为主要特征。

2）按载荷来源分

飞机载荷可分为外界环境所引起的载荷和结构操作使用所引起的载荷。前者如大气紊流引起的阵风载荷，机场跑道不平所引起的动态滑行载荷，水面不同浪高所引起的水面滑行载荷等；后者如飞行员空中操作所引起的机动载荷，下滑着陆操作所引起的着陆撞击载荷，地面操作所引起的地面操纵载荷（包括刹车、转弯、牵引、打地转、最小半径转弯、发动机地面试车、前轮静态操纵等）。

3）按飞机所处的位置和状态分

飞机载荷可分为飞行载荷和地面载荷。前者如飞行机动载荷、阵风载荷；后者如着陆撞击载荷、滑行载荷、地面操纵载荷。

4）按载荷作用方向分

飞机载荷可分为垂直力、水平力（航向力和侧向力）、俯仰力矩、滚转力矩和偏航力矩。

5）接受力部件分

飞机载荷可分为机翼载荷、机身载荷、平尾载荷、垂尾载荷、起落架载荷等。

6）按气动力和飞机运动状态关系分

飞机载荷可分为飞机飞行中由空气动力产生的气动载荷、由运动加速度产生的惯性载荷和结构总载荷，而且结构总载荷等于气动载荷和惯性载荷之和。

7）按与飞机质量的关系分

飞机载荷可分为两类：与飞机或飞机的部分质量相关的质量载荷（力）和与质量无关的表面载荷（力）。质量力包括重量力、与法向加速度和切向加速度相关的惯性力。质量力与质量成正比，它分布在飞机结构整体中。表面力包括飞机三个方向的气动力（升力、阻力和侧力）、发动机推力和飞机各部分之间的相互作用力。

8）按载荷的分布方式分

飞机载荷可分为集中载荷、线分布载荷、面分布载荷和体分布载荷。

9）按飞机零部件载荷传递方式和机理分

飞机载荷可分为拉伸载荷（拉力）、压缩载荷（压力）、剪切载荷（剪力）、扭转力矩（扭矩）和弯曲力矩（弯矩）。结构载荷的传递方式和机理如图1-2所示。

3.飞机载荷的获取方法

飞机载荷的获取方法主要有以下几种：理论计算、风洞试验、飞行试验和参数识别。这些方法适用于飞机设计的不同阶段，而且有各自不同的适用范围。

初步设计阶段主要用理论计算的方法来初步确定飞机载荷，在打样设计阶段和详细设计阶段要用风洞试验的测力测压数据修正理论计算结果，有时甚至直接采用风洞试验测量的气动力。在整个设计阶段，载荷计算不是一次完成的，有一个由浅入深、由粗到精的反复计算和修正过程。在设计定型阶段则要通过飞行试验来获得真实飞行条件下的结构载荷，以验证计算是否满足设计要求。利用飞行试验所获得的实测载荷和相关的飞行参数，通过参数识别方法建立载荷和参数之间的统计关系，由此关系可以求出由于飞行试验可能测不到的高载和飞行试验测不出或测不准的某些动载荷，还可用于飞机投入使用后的飞机使用寿命监控中的疲劳载荷计算。