飛機總體設計

飛機總體設計

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摘 要

飛機設計是一項復雜和周期很長的工作，在工業部門通常分成幾個階段進行。 首先擬定設計要求，它是由使用方（軍方或民航）負責。現代軍用飛機根據國家的 方針和將來面臨的作戰環境，經過分析提出作戰技術要求。現代軍用飛機從設計要 求的制定到開始服役使用一般都需要10 年以上的時間，要準確預計10 年后的政 治、經濟、技術環境是相當困難的。一架軍用機的全壽命費用達數百億元的量級， 因而軍用飛機設計要求的研究和制定是一項非常重要和影響巨大的工作。

軍用飛機設計要求的研究和制定一般都由專門的機構和人員來進行。民用飛機 主要強調安全性、經濟性和舒適性，其設計要求一般由飛機公司提出初步設想，經過與可能用戶的商討，并經過市場調查和分析討論后制定的。

第二階段是概念設計，它與設計要求階段有重疊，因為有時要通過概念設計來使設計要求制定得更為合理和具體化。概念設計的目的是對飛機的氣動布局、性能、重量水平、航空電子、武器、所需新技術、費用和市場前景等方面進行初步和方向性的探討。概念設計中還有對設計要求中各項目的指標進行分析，適當降低那些對性能影響不大，但可能降低技術風險和發展費用的設計要求，有可能提出一套合理組合的設計要求。概念設計中設計師的經驗和判斷力起重要作用，往往采用經驗或半經驗的分析方法。

第三階段是初步設計，它包括兩部分內容：方案設計和打樣設計。方案設計，首先根據設計要求在概念設計的基礎上，進行多種氣動布局方案的對比和研究，以及機翼、機身、尾翼的形狀、設計參數的確定。飛機的內部布置要同時進行。這時，各個專業都要介入，如結構的傳力路線設計、新材料新工藝的選用、各系統的原理設計、全機重量重心估計、飛機性能計算和飛行品質分析，檢查設計方案能否滿足設計要求。飛機方案設計中充滿著矛盾，要通過各種方案的研究來評價、折衷和綜合，不斷進行改進，直到獲得一個滿足要求的綜合最佳方案。打樣設計，在方案設計階段主要是確定飛機總體布局，對結構和系統的考慮比較粗略，在詳細設計之前，結構和系統還需要一個初步設計的過程，這個過程為打樣設計。在打樣設計階段要進行下列工作：

（1）氣動分析和風洞試驗，進行全機載荷計算，性能和飛行剖面計算，操縱性和穩 定性分析和氣動彈性分析等。制造不同的模型，進行高低速風洞試驗，提供原始氣 動力數據。

（2）結構打樣設計。對主要受力部件進行初步設計和分析，選擇合理的結構形式、 新材料、新工藝和重量估算。

（3）系統打樣設計。對所有系統進行原理設計，確定主要附件和系統的功能和功率。 對管道、電纜進行初步設計和通路協調。

（4）全機布置協調。一般是在全尺寸圖紙上進行，畫出全套協調圖。隨著計算機技 術的發展，全機布置協調，運動機構及間隙檢查，可在計算機屏幕上進行。

（5）樣機審查。在打樣設計后期要制造全尺寸樣機，用戶在全尺寸飛機和真實座艙環境中檢查是否符合使用要求。在樣機審查批準以后，凍結設計狀態，詳細設計才能開始。

第四階段是詳細設計，其主要任務是：進行結構和系統的詳細設計和分析，包括所有零部件設計，提供零件圖、裝配圖、總圖。進行詳細的重量估算和強度校核和最后的飛機性能計算。進行工藝設計，制定飛機制造工藝方案，向制造部門提供生產圖紙。進行結構的靜強度、動強度和壽命試驗。對系統進行地面臺架模擬試驗，進行飛機維修性、生存力分析和研制費用、經濟性評估。

第五階段為原型機試制。為加快研制速度，現代飛機都制造多架原型機進行試飛。

第六階段為試飛。在試飛結束獲得設計定型或型號合格證后才能進入第七階段。

第七階段為成批生產。

第八階段為使用和改進改型。對已投入使用的飛機進行改進改型，擴大它的功能和延長

使用壽命，世界各國都很重視這一途徑。

本書將飛機總體設計分為三個方面：方案設計、總體參數設計、決策與優化。將飛機升阻特性和飛行性能計算與分析的內容有機的融入到方案設計和總體參數設計的章節中。第二章討論飛機方案設計，提出飛機總體設計的第一輪迭代設計流程，其中包括總體布局及初步分析，起飛重量、翼載和推重比的計算，升阻特性初步計算，以及各種矛盾因素權衡處理方法。第三章討論飛機總體參數設計，介紹機翼、機身和尾翼幾何參數選擇，內部布置，推進裝置與機體一體化設計，起落架設計等。通過總體參數設計，進一步研究總體方案的可行性，進行方案決策。結合實例，給出了飛機初步設計三面圖。

第四章討論飛機操縱系統的特點和基本組成，給出設計要求，分析現代高速飛機的穩定性和操縱性，增穩和主動控制技術。介紹電傳操縱和綜合飛行控制的基本概念。

第五章，飛機費用和效能分析。這是不同于飛機性能準則的另一個決定設計方案取舍的重要方面。它包括了飛機壽命周期費用的組成和分析方法，研究、發展、試驗、鑒定、生產費用和使用保障費用分析模型，民用航空運營問題。軍用飛機完成預定作戰任務能力的大小，可通過作戰效能進行綜合評估。本章還介紹了飛機作戰效能分析的概念和評估方法，綜合效能和費用的效費比分析方法。現代飛機設計是一個復雜的系統工程，涉及到多個學科領域，各學科構成的子系統相互交叉影響。飛機設計必須建立綜合設計的思想，提高綜合設計的手段。

第六章，飛機總體參數優化，詳細介紹了飛機多學科設計優化方法的基本原理，常用算法及分析比較，近似技術、計算流程，這里有我們的研究成果和對某通用航空飛機總體參數優化的詳細分析計算過程。

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