现代飞机总体设计-1第一讲-飞机总体设计概念

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：[phone]E-mail:[e-mail]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.AircraftDesign:AConceptualApproach,3rd,1999.（89年版中译本：《现代飞机设计》,1992）Roskam,J.AirplaneDesign.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.IntroductiontoAeronautics:ADesignPerspective.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，2005Mattingly,J.D.,Heiser,W.H.,andDaley,D.H.AircraftEngineDesign.1987.吴苕溪，论军用运输机和民航客机的差异，china.com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41.1什么是飞机设计？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。51.1什么是飞机设计？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？91.2什么是飞机设计？飞机设计的三阶段划分方式制造设计要求概念设计（ConceptualDesign）初步设计（PreliminaryDesign）详细设计（DetailDesign）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：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121.3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：设计要求技术可用性概念草图初次估计的参数选择初始设计初始分析－气动－重量－推进参数选择与性能优化修正设计分析－气动－重量－推进－操稳性－结构－费用－子系统－…细化的参数选择与性能优化新概念构思设计要求权衡初步设计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“DesignWheel”131.3飞机总体设计的特点各阶段的任务—设计要求论证与研究141.3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）的成果总体设计没有“标准答案”美国JSF竞争151.3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161.3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171.3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、性能和操稳等）模型吹风试验181.3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191.3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201.3飞机总体设计的特点K.D.伍德211.3飞机总体设计的特点技术指标和要求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、主要受力结构布置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、稳定性与操纵性选定发动机型号，估算其推力、耗油、进气特性提出若干备选发动机方案概念设计流程221.3飞机总体设计的特点初步地面综合半物理仿真步系统集成方案通过修改和细化，确定若干第一轮总体方案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、结构强度计算和操纵舵机功率计算通过改进和优化，形成2~3个第二轮总体方案制作风洞试验模型进行风洞试验，获得方案的气动数据计算起飞着陆性能、续航性能、稳定性与操纵性；外载荷；铰链力矩。导航与飞控系统设计与研制测控与信息传输系统设计与研制；起落架收放系统设计与研制；电气设备设计与研制；驾驶舱与客舱环境系统设计与研制；……概念设计流程(续)231.3飞机总体设计的特点第二轮总体方案的模型研制与试验，确定总体方案确定系统集成方案，完成设计地面综合半物理仿真系统集成：测控与信息传输系统；导航与飞控系统；航电与电气设备；驾驶舱与客舱环境系统；……地面综合仿真试验最终方案评估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261.3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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271.3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281.3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：ThecatalogueofMBBEconomyandEfficiencyalltheway,PrintinWestGermanybuMBB,5.85/1493291.4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”？301.4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311.4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%的全寿命周期成本设计阶段人员比例概念设计1％初步设计9％详细设计90％321.4总体设计的重要性（决定的费用）（消耗的费用）331.5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）341.5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（tradestudies）—RaymerD.P.,“AircraftDesign：AConceptualApproach”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-AnalyticalModelingandOptimisationTechniquesforTransportAircraftDesign.Stockholm:RoyalInstituteofTechnology,2002351.5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&NASAAmesRDS美国ConceptualResearch公司（D.P.Raymer）VisualCAPDABerlin工大361.5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：•~mason/Mason_f/ACDesSR/review.html371.6设计中的团队协作来源:Brandtetal.381.6设计中的团队协作