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1、飞机总体设计概念,航空科学与工程学院飞机系,现代飞机总体设计第一讲,1,教师简介,张云飞 教授长期从事飞行器总体设计、结构设计和隐身技术的教学科研工作参加了某型无人机的研制，负责总体设计、隐身设计、总体协调，参与科研试飞等工作研究方向为：飞机总体设计，隐身技术，飞行性能计算等 办公室：新主楼C-1116，82339399手机：13581908611E-mail:cloud_,2,教材及部分参考书目,顾诵芬,解思适.飞机总体设计.北京航空航天大学出版社，2001.Raymer,D.P.Aircraft Design:A Conceptual Approach,3rd,1999.（89年版中译本：
2、现代飞机设计,1992）Roskam,J.Airplane Design.1985.Nicolai,L.M.飞机设计基本原理.赵先宁译.台北:徐氏基金会,1983.Brandt,S.A.,Stiles,R.J.,Bertin,etal.Introduction to Aeronautics:A Design Perspective.1997.方宝瑞.飞机气动布局设计.1997.飞机设计手册民用飞机总体设计，航空工业出版社，2005飞机设计手册民机构型初步设计与推进系统一体化设计，航空工业出版社，2005Mattingly,J.D.,Heiser,W.H.,and Daley,D.H.Aircr
3、aft Engine Design.1987.吴苕溪，论军用运输机和民航客机的差异，博客，2006年4月,3,第一讲：绪论,1.1 什么是飞机设计？1.2 什么是飞机总体设计？1.3 总体设计的重要性 1.4 总体设计的特点 1.5 现代设计技术简介 1.6 设计中的团队协作 1.7 大飞机研制的艰巨性和历史责任,4,1.1 什么是飞机设计？,所谓设计，便是创造某一产品之前的构思和体现这一构思结果的过程。工程设计是指设计人员应用自然规律，通过分析、综合和创造思维将设计要求（系统要求）转化为一组能完整描述系统特点的参数（文档或图纸）的活动过程。飞机设计是指设计人员应用气动、结构、动力、材料、工艺
4、等学科知识通过分析综合和创造思维，将设计要求转化为一组能完整描述飞机的参数的过程。,5,1.1 什么是飞机设计？,飞机研制过程 五个阶段的划分方式论证阶段 研究设计新飞机的可行性方案阶段 设计出可行的飞机总体技术方案工程研制阶段 进行详细设计，提供图纸试制原型机设计定型阶段 进行定型试飞生产定型阶段 少量改进，小批量生产,6,军用飞机的一般研制过程,“路漫漫其修远兮.”,论证阶段,方案阶段,工程研制阶段,设计定型阶段,生产定型阶段,进一步改进,分析使用环境拟定设计要求,方案概念研究论证设计要求可行性,决策,战术技术要求及概念性方案,三面图总体布置理论图结构受力系统全机各分系统设计要求发动机及主
5、要机载设备选定,决策,全尺寸样机研制任务书,是,否,否,是,飞机详细设计成品配套飞机试制地面模拟实验机上地面实验空、地勤培训及试飞准备,决策,原型机,否,是,调整试飞定型试飞,决策,定型试飞 报告,否,是,建立生产线稳定工艺批生产飞机试飞鉴定,决策,批生产飞机交付部队,否,是,1.2 什么是飞机设计？,前期论证阶段,技术可行性论证阶段,总体方案论证阶段,型号研制阶段,生产阶段,营运阶段,项目建议书,立项,技术经济可行性报告,评审,总体方案论证报告,项目批准上马,型号合格审定报告,型号合格证,申请生产许可证单机适航证,生产许可证单机适航证,1.2 什么是飞机设计？,持续适航售后服务,设计改进,民
6、用飞机的研制阶段、任务和目标,8,飞机设计的范围 主要涉及论证、方案和工程研制阶段对于设计阶段的划分和各阶段应完成的任务，没有完全统一的表述形式,论证阶段,方案阶段,工程研制阶段,设计定型阶段,生产定型阶段,进一步改进,飞机设计,1.2 什么是飞机设计？,9,1.2 什么是飞机设计？,飞机设计的三阶段划分方式,制造,设计要求,概念设计（Conceptual Design）,初步设计（Preliminary Design）,详细设计（Detail Design）,飞机设计的性质飞机设计不同于航空工程中的力学学科(如空气动力分析、结构分析、动力分析、飞行性能分析等），而是一门单独的学科。飞机设计师
7、需要熟练掌握和运用各学科的知识，通过“综合”获得一个新的航空器系统，即设计出一个新的飞机型号。小型飞机的设计师通常是自己去做设计以后的力学分析工作。但大型的设计机构（如设计研究所、飞机公司）在设计较大型机型时，是由各学科的分析专家来进行飞机的力学特性和飞机性能分析。,1.3 飞机总体设计的特点,飞机设计的性质飞机设计师的行为表面上来看主要是“绘制”新机的图样，但其真实工作主要是智力方面的。一个良好的设计应具有很好的总体性能，各部分充分协调，可以顺利通过后续的专业性的计算或者试验的验证而不需作根本性的改变。这需要设计师具备扎实的知识、丰富的经验，并通过认真的工作才能达到。飞机要解决的根本问题是：
8、能否做出一个既有现实可行性又满足设计要求的设计方案？如果不能，或者提供更好的现实条件，或者降低设计要求。,1.3 飞机总体设计的特点,12,1.3 飞机总体设计的特点,飞机型号主要是以下四个方面因素反复循环迭代的结果：,概念设计流程,参数选择与权衡研究,设计分析,设计方案,设计要求,“Design Wheel”,13,1.3 飞机总体设计的特点,各阶段的任务设计要求论证与研究,14,1.3 飞机总体设计的特点,各阶段的任务概念设计飞机的布局与构型设计要求各种设计规范（如适航规章）科学性与创造性：应用航空科学技术相关的众多领域（如空气动力学、结构力学、材料学、自动控制、动力技术、隐身技术）的成果
9、,总体设计没有“标准答案”美国JSF竞争,15,1.3 飞机总体设计的特点,各阶段的任务概念设计布局简图：机翼和尾翼的形状、机身外形、发动机和客舱的布置、起落架位置、油箱布置等定主要参数：总重、推力、机翼面积、燃油量三面图气动与性能工程估算方案评估参数选择与权衡研究方案优化,16,1.3 飞机总体设计的特点,各阶段的任务概念设计,用CAD系统绘制的设计布置图,17,1.3 飞机总体设计的特点,各阶段的任务初步设计冻结布局：所有重大更改结束完善飞机的几何外形设计、完整的三面图和理论外形（三维CAD模型）详细绘出飞机的总体布置图机载设备分系统载荷和结构承力系统较精确的计算（重量重心、气动、性能和操
10、稳等）模型吹风试验,18,1.3 飞机总体设计的特点,飞机总体设计概念设计初步设计,制 造,设计要求,概念设计,初步设计,详细设计,飞机总体设计,19,1.3 飞机总体设计的特点,高度的综合性 综合考虑设计要求的各个方面，进行不同学科专业间的权衡与协调 从孤立专业的角度设计出的飞机,气动力把机身、发动机、起落架这样 降低气动效率的部件统统去掉！,动力装置飞机？“会飞的发动机”？！,重量重量工程师的梦想航模飞机？,布鲁恩米勒,20,1.3 飞机总体设计的特点,K.D.伍德,21,1.3 飞机总体设计的特点,概念设计流程,22,1.3 飞机总体设计的特点,概念设计流程(续),23,1.3 飞机总体
11、设计的特点,概念设计流程(续),1.3 飞机总体设计的特点,总体设计方案的主要内容飞机的主要尺寸飞机的总体布置飞机的主要重量参数动力装置的性能数据飞机的主要设备的选择飞机主要性能和使用特性几何关系与与技术使用上的协调,1.3 飞机总体设计的特点,总体设计方案的表述飞机方案的总体布局图样飞机三面图总体布置图驾驶舱布置图、驾驶员视界显示图全机舱门、口盖布置图客舱布置图飞机总体数据表技术资料方案论证技术资料方案验证技术资料,26,1.3 飞机总体设计的特点,各阶段的任务详细设计飞机结构的设计和各系统的设计，绘出能够指导生产的图纸如理论图，运动图，总装配图，构件装配面，零件图，各系统总装配图，零构件图
12、详细的重量计算和强度计算报告大量的实验系统的台架试验部分主要承力件的静动强度试验.准备原型机的生产,27,1.3 飞机总体设计的特点,各阶段的任务原型机试制,零件进行数控机械加工,机身侧壁铆接装配,机翼壁板进行铆接,机头设备安装,28,1.3 飞机总体设计的特点,各阶段的任务原型机试制,机身段进行铆接,飞机进行总装配,飞机在试飞车间,来源：The catalogue of MBB Economy and Efficiency all the way,Print in West Germany bu MBB,5.85/1493,29,1.4 总体设计的重要性,“管中窥豹”机翼前梁在设计过程中的演
13、变,详细设计专注于每一个细节尺寸与参数,初步设计表示出梁的截面变化,概念设计仅仅是一个从翼根到翼梢的平面！,“简单任务”？,30,1.4 总体设计的重要性,“管中窥豹”机翼前梁在设计过程中的演变概念设计阶段就已经确定了整架飞机的布置！设计前期的失误，将造成后期工作的巨大浪费,翼盒,机翼油箱,前缘襟翼,前梁的位置,31,1.4 总体设计的重要性,总体设计阶段所占时间相对较短，但需要作出大量的关键决策投入的人员和花费相对较少，但却决定了一架飞机大约80%的全寿命周期成本,32,1.4 总体设计的重要性,（决定的费用）,（消耗的费用）,33,1.5 现代设计技术简介,虚拟风洞实验,数字样机,计算流体
14、力学（CFD）,34,1.5 现代设计技术简介,计算机辅助飞机概念设计软件使得设计者可以迅速地提出一个新颖的设计方案，并且不断地修改方案和进行权衡研究（trade studies）Raymer D.P.,“Aircraft Design：A Conceptual Approach”显著减少对突然出现的设计项目的反应时间、极大地提高设计质量和在一定的资源水平下可同时进行的设计项目的数量使得解决更为大规模的设计问题成为可能 Isikveren,A.T.,Quasi-Analytical Modeling and Optimisation Techniques for Transport Aircr
15、aft Design.Stockholm:Royal Institute of Technology,2002,35,1.5 现代设计技术简介,几种典型的软件,AAA美国DAR公司（J.Roskam）,ACSYNTVirginia理工&NASA Ames,RDS美国Conceptual Research公司（D.P.Raymer）,VisualCAPDABerlin工大,36,1.5 现代设计技术简介,几种典型的软件,SEACD 北京航空航天大学,教育版(CADS)可在航空创新实践基地使用,更多软件介绍：http:/www.aoe.vt.edu/mason/Mason_f/ACDesSR/re
16、view.html,37,1.6 设计中的团队协作,来源:Brandt etal.,38,1.6 设计中的团队协作,Lockheed Martin的“臭鼬工厂”(Skunk Works),39,1.6 设计中的团队协作,The Skunk Works approach has proven to be the best for small projects using experienced team members small,expert,team members with lots of responsibility 团队成员精干，专业，具有很强的责任心 来源：W.H.Mason,Vir
17、ginia理工,40,1.6 设计中的团队协作,什么是团队协作（Teamwork）?不是让大家坐在一起做同样的家庭作业是:-一起明确需要解决的问题-每个团队成员都负责某一特定任务并开展工作-在团队会议上把每项任务的结果综合起来，并且确定：我们是否已经解决了问题？-如果回答是肯定的，那么确定下一步该做什么？如果是否定的，那么如何进行修改和调整来解决问题？,41,1.6 设计中的团队协作,高效的团队1.氛围非正式、放松的和舒适的2.所有的成员都参加讨论3.团队的目标能被充分的理解接受 4.成员们能倾听彼此的意见5.存在不同意见，但团队允许它的存在6.绝大多数的决定能取得某种共识 7.批评是经常的、
18、坦诚的和建设性的；不是针对个人的8.成员们能自由地表达感受和想法9.行动：分配明确，得到接受10.领导者并不独裁11.集团对行动进行评估并解决问题 来源:Parker,Team Players and Teamwork,42,1.6 设计中的团队协作,低效的团队1.氛围互不关心无聊 或 紧张对抗2.少数团队成员居于支配地位3.旁观者难以理解团队的目标4.团队成员不互相倾听，讨论时各执一词5.分歧没有被有效地加以处理6.在真正需要关注的事情解决之前就贸然行动7.行动：不清晰该做什么？谁来做？8.领导者明显表现出太软弱或太强硬 9.提出批评的时候令人尴尬，甚至导致对抗10.个人感受都隐藏起来了11
19、.集团对团队的成绩和进展不进行检查 来源:Parker,Team Players and Teamwork,43,1.6 设计中的团队协作,Boeing的团队协作戒律1.每个成员都为团队的进展与成功负责2.参加所有的团队会议并且准时达到3.按计划分配任务4.倾听并尊重其他成员的观点5.对想法进行批评，而不是对人6.利用并且期待建设性的反馈意见7.建设性地解决争端8.永远致力于争取双赢的局面（win-win situations）9.集中注意力 避免导致分裂的行为10.在你不明白的时候提问源于Boeing Commercial Airplane GroupDon Evans（Arizona St
20、ate Univ.）整理改编,44,1.6 设计中的团队协作,系统思想（Systems Thinking）,来源:Boeing,Whether we like it or not,we are all in this together.,1.7 大飞机研制的艰巨性和历史责任,我国的民航客机过去积累的设计经验不多，而经验的积累是非常重要的。对有经验的飞机制造公司来说，一般一架全新飞机从设计到试飞成功约需十年左右时间。对于我们这种过去积累民航客机设计经验不多的国家，即使十年左右完成了飞机的试制和试飞，也不一定在商业上就是具有竞争力的一架飞机，只有经过不断的改进和改型后，才会出现一架具有商业价值的民航客机。这个改进和改型过程少则五年，甚至十年也难说。,1.7 大飞机研制的艰巨性和历史责任,空客六十年代以A300起步，直到八十年代才真正进入到起飞，即为真实的一例。有了这个艰难创业历程，才能有目前空客与波音叫板实力、与波音并驾齐驱的形势。我国一旦具有了这样一个平台，再加上宽广的民航运输市场，势必会逐步、快速地形成大小各种民用客（货）机的系列化，就会使民用飞机事业迅猛腾飞，从而摆脱民用飞机依赖于波音和空客的被动局面。将来还可作为军机改型平台，轻易地改型为预警机、加油机、侦察机和部分军用运输机等。,
