现代飞机总体设计1第一讲_飞机总体设计概念

1、航空科学与工程学院航空科学与工程学院飞机系飞机系现代飞机总体设计现代飞机总体设计第一讲第一讲 1 教师简介教师简介张云飞张云飞 教授教授长期从事飞行器总体设计、结构设计和隐身技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，飞行研究方向为：飞机总体设计，隐身技术，飞行性能计算等性能计算等 办公室：新主楼C-1116，82339399手机-mail:cloud_

2、2教材及部分参考书目教材及部分参考书目v 顾诵芬, 解思适. 飞机总体设计. 北京航空航天大学出版社，2001.v Raymer, D. P. Aircraft Design: A Conceptual Approach, 3rd, 1999. （89年版中译本：现代飞机设计,1992）v Roskam, J. Airplane Design. 1985. v Nicolai, L. M. 飞机设计基本原理. 赵先宁译. 台北: 徐氏基金会, 1983. v Brandt, S. A., Stiles, R. J., Bertin, etal. Introduction to Aeronaut

3、ics: A Design Perspective. 1997. v 方宝瑞. 飞机气动布局设计. 1997. v 飞机设计手册民用飞机总体设计，航空工业出版社，2005v 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，2005v Mattingly, J. D., Heiser, W. H., and Daley, D. H. Aircraft Engine Design. 1987. v 吴苕溪，论军用运输机和民航客机的差异，吴苕溪，论军用运输机和民航客机的差异，博客，博客， 2006年年4月月3第一讲：绪论第一讲：绪论 1.1 什么是飞机设计？什么是飞机设计？ 1.2

4、 什么是飞机总体设计？什么是飞机总体设计？ 1.3 总体设计的重要性总体设计的重要性 1.4 总体设计的特点总体设计的特点 1.5 现代设计技术简介现代设计技术简介 1.6 设计中的团队协作设计中的团队协作 1.7 大飞机研制的艰巨性和历史责任大飞机研制的艰巨性和历史责任4 1.1 什么是飞机设计？什么是飞机设计？v所谓设计，便是创造某一产品之前的构思和体所谓设计，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。现这一构思结果的过程。v工程设计是指设计人员应用自然规律，通过分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）析、综合和创造思维将设计要求（系统要

5、求）转化为一组能完整描述系统特点的参数（文档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。或图纸）的活动过程。v飞机设计是指设计人员应用气动、结构、动力、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维，将设计要求转化为一组能完整描述飞机的参数的过程。参数的过程。5 1.1 什么是飞机设计？什么是飞机设计？v飞机研制过程飞机研制过程 五个阶段的划分方式五个阶段的划分方式 论证阶段论证阶段 研究设计新飞机的可行性研究设计新飞机的可行性 方案阶段方案阶段 设计出可行的飞

6、机总体技术方案设计出可行的飞机总体技术方案 工程研制阶段工程研制阶段 进行详细设计，提供图纸试制原型机进行详细设计，提供图纸试制原型机 设计定型阶段设计定型阶段 进行定型试飞进行定型试飞 生产定型阶段生产定型阶段 少量改进，小批量生产少量改进，小批量生产6v军用飞机的一般研制过程军用飞机的一般研制过程“路漫漫其修远兮.” 论证阶段论证阶段方案阶段方案阶段工程研制工程研制阶段阶段设计定型设计定型阶段阶段生产定型生产定型阶段阶段进一步进一步改进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要机载设

7、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？什么是飞机设计？ 前期论前期论证阶段证阶段技术可技术可行性论行性论证阶段证阶段总体方总体方案论证案论证阶段阶段型号研型号研制阶段制阶段生产生产阶段阶段营运营运阶段阶段项目项目建议书建议书立项立项技术经技术经济可行济可行性报告性报告评审评审总体方总体方案论证案论证报告报告项目批项目批准准上马上马型号合型号合格审定格审定报告报告型号合型号合格证格证申

8、请生产申请生产许可证许可证单机适航单机适航证证生产许可证生产许可证单机适航证单机适航证 1.2 什么是飞机设计？什么是飞机设计？持续适持续适航售后航售后服务服务设计设计改进改进v民用飞机的研制阶段、任务和目标民用飞机的研制阶段、任务和目标8v飞机设计的范围飞机设计的范围 主要涉及论证、方案和工程研制阶段主要涉及论证、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，对于设计阶段的划分和各阶段应完成的任务， 没有没有完全统一的表述形式完全统一的表述形式论证阶论证阶段段方案阶方案阶段段工程研制工程研制阶段阶段设计定型设计定型阶段阶段生产定型生产定型阶段阶段进一步进一步改进改进飞机设计 1.

9、2 什么是飞机设计？什么是飞机设计？9 1.2 什么是飞机设计？什么是飞机设计？v飞机设计的三阶段划分方式飞机设计的三阶段划分方式设计要求设计要求概念设计概念设计（Conceptual Design）初步设计初步设计（Preliminary Design）详细设计详细设计（Detail Design）飞机设计的性质飞机设计的性质飞机设计不同于航空工程中的力学学科飞机设计不同于航空工程中的力学学科(如空气动力分如空气动力分析、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。门单独的学科。飞机设计师需要熟练掌握和运用各学科的知识，通过飞机设

10、计师需要熟练掌握和运用各学科的知识，通过“综合综合”获得一个新的航空器系统，即设计出一个新的获得一个新的航空器系统，即设计出一个新的飞机型号。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）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。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总体设计的特点飞机设计的性质飞机设计的性质飞机设计师的行为表面上来看主要是

11、飞机设计师的行为表面上来看主要是“绘制绘制”新机的新机的图样，但其真实工作主要是智力方面的。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。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：能否做出一个既有现实可飞机要解决的根本问题是：能否做出一个既有现实可行性又满足设

12、计要求的设计方案？如果不能，或者提供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。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飞机总体设计的特点121.3 飞机总体设计的特点飞机总体设计的特点v 飞机型号主要是以下四个方面因素反复循环迭代的结飞机型号主要是以下四个方面因素反复循环迭代的结果：果：设设计计要要求求技技术术可可用用性性概概念念草草图图初初次次估估计计的的参参数数选选择择初初始始设设计计初初始始分分析析气气动动重重量量推推进进参参数数选选择择与与性性能能优优化化修修正正设设计计分分析析气气动动重重量量推推进进操操稳稳性性结结构构费费

13、用用子子系系统统细细化化的的参参数数选选择择与与性性能能优优化化新新概概念念构构思思设设计计要要求求权权衡衡初初步步设设计计概念设计流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”13 1.3 飞机总体设计的特点飞机总体设计的特点v各阶段的任务各阶段的任务设计要求论证与设计要求论证与研究研究141.3 飞机总体设计的特点飞机总体设计的特点v各阶段的任务各阶段的任务概念设计概念设计 飞机的布局与构型飞机的布局与构型 设计要求设计要求 各种设计规范（如适航规章）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（如空气动科学性与创造性：

14、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）的力学、结构力学、材料学、自动控制、动力技术、隐身技术）的成果成果总体设计没有总体设计没有“标准答案标准答案”美国JSF竞争151.3 飞机总体设计的特点飞机总体设计的特点v各阶段的任务各阶段的任务概念设计概念设计 布局简图：机翼和尾翼的形状、机布局简图：机翼和尾翼的形状、机身外形、发动机和客舱的布置、起身外形、发动机和客舱的布置、起落架位置、油箱布置等落架位置、油箱布置等 定主要参数：总重、推力、机翼面定主要参数：总重、推力、机翼面积、燃油量积、燃油量 三面图三面图 气动与性能工程估算气动与性能工程

15、估算 方案评估方案评估 参数选择与权衡研究参数选择与权衡研究 方案优化方案优化16 1.3 飞机总体设计的特点飞机总体设计的特点v各阶段的任务各阶段的任务概念设计概念设计用用CAD系统绘制的设计布置图系统绘制的设计布置图 17 1.3 飞机总体设计的特点飞机总体设计的特点v各阶段的任务各阶段的任务初步设计初步设计 冻结布局：所有重大更改结束冻结布局：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完善飞机的几何外形设计、完整的三面图和理论外形（三维形（三维CAD模型）模型） 详细绘出飞机的总体布置图详细绘出飞机的总体布置图 机载设备机载设备 分系统分系统 载荷和结构承力系统载荷和

16、结构承力系统 较精确的计算（重量重心、气动、性能和操稳等）较精确的计算（重量重心、气动、性能和操稳等） 模型吹风试验模型吹风试验18 1.3 飞机总体设计的特点飞机总体设计的特点v飞机总体设计概念设计初步设计飞机总体设计概念设计初步设计设计要求设计要求概念设计概念设计初步设计初步设计详细设计详细设计飞机飞机总体总体设计设计19 1.3 飞机总体设计的特点飞机总体设计的特点v高度的综合性高度的综合性 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间的权衡与协调 从孤立专业的角度设计出的飞机从孤立专业的角度设计出的飞机气动力气动力把机身、发动

17、机、起落架这样 降低气动效率的部件统统去掉！动力装置动力装置飞机？“会飞的发动机”？！重量重量重量工程师的梦想航模飞机？布鲁恩米勒布鲁恩米勒20 1.3 飞机总体设计的特点飞机总体设计的特点 K. D. 伍德伍德21 1.3 飞机总体设计的特点飞机总体设计的特点技术指标和要求技术指标和要求提出系列客机布局方案，进行外形设计、提出系列客机布局方案，进行外形设计、座舱设计、主要设备布置、主要受力结座舱设计、主要设备布置、主要受力结构布置构布置筛选获得若干客机布局方案，估算其重筛选获得若干客机布局方案，估算其重量、气动、操纵和稳定力矩特性量、气动、操纵和稳定力矩特性评估各客机布局方案的起飞着陆性能、

18、评估各客机布局方案的起飞着陆性能、续航性能、稳定性与操纵性续航性能、稳定性与操纵性选定发动机型号，选定发动机型号，估算其推力、耗估算其推力、耗油、进气特性油、进气特性提出若干备选发提出若干备选发动机方案动机方案v概念设计流程概念设计流程22 1.3 飞机总体设计的特点飞机总体设计的特点初步地面综合半物理仿真初步地面综合半物理仿真步系统集成方案步系统集成方案通过修改和细化，确定若干第一轮总通过修改和细化，确定若干第一轮总体方案体方案进行结构的打样设计和有限元计算；进行结构的打样设计和有限元计算；进行操纵面的作动机构设计、结构强进行操纵面的作动机构设计、结构强度计算和操纵舵机功率计算度计算和操纵舵

19、机功率计算通过改进和优化，形成通过改进和优化，形成23个第二轮个第二轮总体方案总体方案制作风洞试验模型进行风洞试验，获制作风洞试验模型进行风洞试验，获得方案的气动数据得方案的气动数据计算起飞着陆性能、续航性能、稳定计算起飞着陆性能、续航性能、稳定性与操纵性；外载荷；铰链力矩。性与操纵性；外载荷；铰链力矩。导 航导 航与 飞与 飞控 系控 系统 设统 设计 与计 与研制研制测控与信息传输系统测控与信息传输系统设计与研制；设计与研制；起落架收放系统设计起落架收放系统设计与研制；与研制；电气设备设计与研制；电气设备设计与研制；驾驶舱与客舱环境系驾驶舱与客舱环境系统设计与研制；统设计与研制；v概念设计

20、流程概念设计流程(续续)23 1.3 飞机总体设计的特点飞机总体设计的特点第二轮总体方案的模型研制与第二轮总体方案的模型研制与试验，确定总体方案试验，确定总体方案确定系统集成方案，确定系统集成方案，完成设计完成设计地面综合半物理仿真系统集地面综合半物理仿真系统集成：成：测控与信息传输系统；测控与信息传输系统；导航与飞控系统；导航与飞控系统；航电与电气设备；航电与电气设备；驾驶舱与客舱环境系统；驾驶舱与客舱环境系统；地面综合仿真试验地面综合仿真试验最终方案评估最终方案评估v概念设计流程概念设计流程(续续) 1.3 飞机总体设计的特点飞机总体设计的特点v总体设计方案的主要内容总体设计方案的主要内容

21、 飞机的主要尺寸飞机的主要尺寸 飞机的总体布置飞机的总体布置 飞机的主要重量参数飞机的主要重量参数 动力装置的性能数据动力装置的性能数据 飞机的主要设备的选择飞机的主要设备的选择 飞机主要性能和使用特性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飞机总体设计的特点v总体设计方案的表述总体设计方案的表述 飞机方案的总体布局飞机方案的总体布局 图样图样 飞机三面图飞机三面图 总体布置图总体布置图 驾驶舱布置图、驾驶员视界显示图驾驶舱布置图、驾驶员视界显示图 全机舱门、口盖布置图全机舱门、口盖布置图 客舱布置图客舱布置图 飞机总体数据表

22、飞机总体数据表 技术资料技术资料 方案论证技术资料方案论证技术资料 方案验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飞机总体设计的特点v各阶段的任务各阶段的任务详细设计详细设计 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产的图纸 如理论图，运动图，总装配图，构件装配面，零件图，各如理论图，运动图，总装配图，构件装配面，零件图，各系统总装配图，零构件图系统总装配图，零构件图 详细的重量计算和强度计算报告详细的重量计算和强度计算报告 大量的实验大量的实验 系统的台架试验系统的台架试验 部分主要承力件的静动强度试验部分主要承力件的

23、静动强度试验 . 准备原型机的生产准备原型机的生产27 1.3 飞机总体设计的特点飞机总体设计的特点v各阶段的任务各阶段的任务原型机试制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飞机总体设计的特点v各阶段的任务各阶段的任务原型机试制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 总体设计的重要性总体设计的重要性v“管

24、中窥豹管中窥豹” 机翼前梁在设计过程中的演变机翼前梁在设计过程中的演变详细设计详细设计专注于每一个细节尺寸与参数初步设计初步设计表示出梁的截面变化概念设计概念设计仅仅是一个从翼根到翼梢的平面！“简单任务简单任务”？30 1.4 总体设计的重要性总体设计的重要性v“管中窥豹管中窥豹” 机翼前梁在设计过程中的演变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！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设计前期的失误，将造成后期工作的巨大浪费翼盒翼盒机翼油箱机翼油箱前缘襟翼前缘襟翼前梁的位置前梁的位置31 1.4 总体设计的重要性总体设计的

25、重要性v总体设计阶段所占时间相对较短，但需要作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出大量的关键决策v投入的人员和花费相对较少，但却决定了一投入的人员和花费相对较少，但却决定了一架飞机大约架飞机大约80%的全寿命周期成本的全寿命周期成本设计阶段设计阶段人员比例人员比例概念设计概念设计1初步设计初步设计9详细设计详细设计9032 1.4 总体设计的重要性总体设计的重要性（决定的费用）（决定的费用）（消耗的费用）（消耗的费用）33 1.5 现代设计技术简介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） 34 1.5 现代设计技术简介现代设计技术简介v计算机辅助飞机概

26、念设计软件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，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（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使得解决更为大规模的设

27、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 35 1.5 现代设计技术简介现代设计技术简介v几种典型的软件几种典型的软件 AAA美国美国DAR公司公司（J. Roskam）ACSYNTVirginia理理工工& NASA AmesRDS美国美国Conceptual Research公司公司（D .P. Raymer）Visua

28、lCAPDABerlin工大工大36 1.5 现代设计技术简介现代设计技术简介v几种典型的软件几种典型的软件SEACD 北京航空航天大学北京航空航天大学 教育版(CADS) 可在航空创新实践基地使用更多软件介绍：更多软件介绍： /mason/Mason_f/ACDesSR/review.html37 1.6 设计中的团队协作设计中的团队协作来源: Brandt etal.38 1.6 设计中的团队协作设计中的团队协作vLockheed Martin的的 “臭鼬工厂臭鼬工厂”(Skunk Works)39 1.6 设计中的团队协作设计中的团队协作vThe

29、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, Virginia理工40 1.6 设计中的团队协作设计中的团队协作v什么是团队协作（什么是团队协作（Teamwork）?不是不是让大家坐在一起做同样的家庭作业让大家坐在一起做同样的家庭作业是是:- 一起明确需要解决的问题一起明

30、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：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？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？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 设计中的团队协作设计中的团队协作v高效的团队高效的团队1. 氛围非正式、放松的和舒适的氛围非正式、放松的和舒适的2. 所有的成员都参加讨论所有的成员都

31、参加讨论3. 团队的目标能被充分的理解接受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；不是针对个人的批评是经常的、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，得到接受行动：分配明确，得到接受10. 领导者并不独裁领导者并不独裁11. 集团对行动进行评估并解决问题集团对行动进行评估并解决问题 来源: Parker, Te

32、am Players and Teamwork42 1.6 设计中的团队协作设计中的团队协作v低效的团队低效的团队1. 氛围互不关心无聊氛围互不关心无聊 或或 紧张对抗紧张对抗2. 少数团队成员居于支配地位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？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领导

33、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集团对团队的成绩和进展不进行检查 来源: Parker, Team Players and Teamwork43 1.6 设计中的团队协作设计中的团队协作vBoeing的团队协作戒律的团队协作戒律1. 每个每个成员都为团队的进展与成功负责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参加所有的团队会议并且准时达到3. 按计划分配任务按计划分配任务4. 倾听并尊重其他成员的观点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利用并且期待建设性的反馈意见7. 建设性地解决争端建设性地解决争端8. 永远致力于争取双赢的局面（永远致力于争取双赢的局