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1、飞机结构与总体设计,通航产品部,蔡波,主要内容,1.现代飞机结构2.飞机总体设计,自从1903年12月17号，莱特兄弟的“飞行者”一号离开地面的那刻起，人类已经开始把目光投向天空，此后的一百多年来，这片领域已经发生了翻天覆地的变化。,第一次有动力飞行,航空发展历程,航空发展历程,航空发展历程,从系统的角度划分：,1.动力系统2.操纵系统3.液压系统4.燃油系统5.起落架系统6.自动飞行控制系统,飞机的结构,7.空调系统8.氧气系统9.防冰排雨系统10.防火系统11.应急救生系统12.机载设备,从部件的角度划分：,飞机由以下几个主要部分组成：机翼、机身、尾翼、起落装置和动力装置。自飞机诞生以来，
2、不管飞机的结构形式如何改进，类型如何增多，但到目前为止，除了极少数特殊形式飞机之外，它的构成没有变化,飞机的结构,back,机翼：,机翼的主要作用：1、产生升力；2、起一定的稳定和操纵作用。机翼通常分为平直翼、后掠翼、三角翼等。前一种适用于低速飞机，后两种适用于高速飞机。近来先进飞机还采用了边条机翼、前掠机翼等平面形状。机翼上还可安装发动机、起落架、副油箱和挂载武器，机翼本身也是飞机的一个很主要的储油部件。,飞机的结构,副翼和襟翼：,副翼和襟翼起的是操纵作用操纵副翼可控制飞机的滚转操纵襟翼可以改变飞机的升力,飞机的结构,机翼的结构,飞机的结构,F-14“熊猫”,机身,机身的主要功能是装载人员、
3、货物、燃油、武器、各种装备和其它物资。还将飞机的各个部件接成一个整体，组成了一架飞机。有的飞机的起落架支柱也固定在机身上。,飞机的结构,机身的外形,机身的侧面外形为拉长的流线体机身的剖面形状有圆、椭圆、方、梯形等，它们适合不同用途和速度范围的飞机。例如，低速飞机可用方形，具有气密座舱的高亚音速大型客机多用圆形或椭圆形。,飞机的结构,尾翼,分垂直尾翼和水平尾翼两部分。水平尾翼由固定的水平定面和可动的升降舵组成。垂直尾翼则包括固定的垂直安定面和可动的方向舵。尾翼的主要功用是用来操纵飞机俯仰和偏转，并保证飞机能平稳地飞行。,飞机的结构,垂直尾翼,垂直尾翼垂直安装在机身尾部，主要功能为保持飞机的方向平
4、衡和操纵。通常垂直尾翼后缘设有方向舵，某些高速飞机，没有独立的方向舵，整个垂尾跟着操纵而偏转，称为全动垂尾。,飞机的结构,水平尾翼,水平尾翼水平安装在机身尾部，主要功能为保持俯仰平衡和俯仰操纵。低速飞机水平尾翼前段为水平安定面，是不可操纵的，其后缘设有升降舵，飞行员利用升降舵进行俯仰操纵。,飞机的结构,水平尾翼,全动平尾，水平安定面与升降舵合为一体。其操纵原理与升降舵相同。差动平尾。水平尾翼在机翼前边的飞机叫鸭式飞机。这时水平尾翼又称为鸭翼或前翼。现在有些飞机还采用了三翼面的布局方法，也就是说既有机翼前面的前翼，也有机翼后面的水平尾翼。,飞机的结构,起落装置,飞机起落架的功能是支撑飞机的重量，
5、在着陆接地时安全吸收能量。起落架占飞机起飞重量的3-6%（结构重量的8-15%）和全机成本的2%左右。起落架有可收放和不可收放两种,飞机的结构,按布置分类按结构结构分类,22,后三点式起落架前三点式起落架自行车式起落架多支柱式起落架,构架式起落架摇臂式起落架 支柱式起落架,起落架的分类,飞机的结构,动力装置,动力装置的作用就是提供动力。发动机被称为飞机的心脏动力装置除发动机外，还包括一系列保证发动机正常工作的系统，如燃油供应系统、冷却系统、润滑系统、点火系统等,飞机的结构,发动机的分类,一 航空活塞式发动机:是一种以汽油作燃料的四冲程内燃机。按冷却方式，活塞式发动机可分为液冷式和气冷式两种。螺
6、旋桨为活塞发动机飞机提供拉力。它有二叶的，也有三、四或六叶的。,飞机的结构,二 涡轮喷气发动机：又称空气涡轮喷气发动机，简称“涡喷”以空气为氧化剂，靠喷管高速喷出的燃气产生反作用推力的燃气涡轮航空发动机，。组成：压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管。推力用牛或千克表示。,发动机的分类,飞机的结构,三 涡轮螺旋桨发动机：从涡喷发动机派生而来涡轮螺旋桨发动机是一种由螺旋桨提供拉力和喷气反作用提供推力的燃气涡轮航空发动机。,发动机的分类,飞机的结构,四 涡轮风扇发动机，也是从涡喷发动机派生而来，由喷管排出燃气和风扇排出空气共同产生反作用推力的燃气涡轮航空发动机。推力由两部分组成：喷管中高速喷出的燃气；风扇推
7、动的空气反作用力。特点是推力大，耗油省。常用于现代客机、运输机、战斗机、轰炸机。,发动机的分类,飞机的结构,五 涡轮轴发动机涡轮轴发动机是一种将燃气通过动力涡轮输出轴功率的燃气涡轮航空发动机。它从涡喷发动机派生而来，涡轮轴发动机是直升机的动力装置。,发动机的分类,飞机的结构,其他类型的发动机火箭发动机冲压发动机原子能航空发动机等。,发动机的分类,飞机的结构,涡轮喷气发动机,涡轮风扇发动机,涡轮螺桨发动机,涡轮轴发动机,升力的产生,飞机的飞行原理,什么是飞机设计,所谓设计，便是创制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
8、要求）转化为一组能完整描述系统的参数（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,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,什么是飞机设计,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
9、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,什么是飞机总体设计,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
10、设计,什么是飞机总体设计,什么是飞机总体设计,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）,什么是飞机总体设计,各阶段的任务设计要求论证与研究,各阶段的任务概念设计飞机的布局与构型主要参数发动机、装载的布置三面图初步估算性能方案评估参数选择与权衡研究方案优化,什么是飞机总体设计,什么是飞机总体设计,各阶段的任务概念设计,用CAD系统绘制的设计布置图,什么是飞机总体设计,各阶段的任务初步设计冻结布局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
11、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、性能和操稳等）模型吹风试验,什么是飞机总体设计,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,什么是飞机总体设计,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,什么是飞机总体设计,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 c
12、atalogue of MBB Economy and Efficiency all the way,Print in West Germany bu MBB,5.85/1493,什么是飞机总体设计,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,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,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”？,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
13、大浪费,翼盒,机翼油箱,前缘襟翼,前梁的位置,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,总体设计的重要性,（决定的费用）,（消耗的费用）,总体设计的特点,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）的成果总体设计没有“标准答案”,美国JSF竞争,总体设计的特点,反复循环迭代的过程,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”,1.4 总体设计的特点,高度的综合性 综合考虑设计要求的各
14、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,1.4 总体设计的特点,K.D.伍德,1.5 现代设计技术简介,飞机设计过程的演化来自Boeing的观点*,*McMasters,J.H.,Cummings,R.M.Airplane Design as a Social Activity:Emerging Trends in the Aerospace Industry(Invited Paper).AIAA Paper 2002-
15、0516.,：最具革命性的变化数字计算机的出现,现代设计技术简介,飞机设计过程的演化,推动力：外界政治经济环境的变化CADCAECAM、CIMS等技术的迅速发展,现代设计技术简介,虚拟风洞实验,数字样机,计算流体力学（CFD）,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
16、模的设计问题成为可能 Isikveren,A.T.,Quasi-Analytical Modeling and Optimisation Techniques for Transport Aircraft Design.Stockholm:Royal Institute of Technology,2002,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,航空学院的航空实践创新基地已经购买,现代设
17、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,设计中的团队协作,来源:Brandt etal.,设计中的团队协作,Lockheed Martin的“臭鼬工厂”(Skunk Works),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 来源：W.H.Mason,Vi
18、rginia理工,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集合起来，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？,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、坦诚的和建设性的；不是针对
19、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,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.集团对团队的成绩和进展不进行检查 来源
20、:Parker,Team Players and Teamwork,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 State Univ.）整理改编,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.,谢 谢！,
