第一章绪言 飞机设计是一项复杂和周期很长的工作,在工业部门通常分成几个阶段进行 首先拟定设计要求,它是由使用方(军方或民航)负责。现代军用飞机根据国家的战略 方针和将来面临的作战环境,经过分析提出作战技术要求。现代军用飞机从设计要求的制定 到开始服役使用一般都需要10年以上的时间,要准确预计10年后的政治、经济、技术环境 是相当困难的。一架军用机的全寿命费用达数百亿元的量级,因而军用飞机设计要求的研究 和制定是一项非常重要和影响巨大的工作。军用飞机设计要求的研究和制定一般都由专门的 机构和人员来进行。民用飞机主要强调安全性、经济性和舒适性,其设计要求一般由飞机公 司提出初步设想,经过与可能用户的商讨,并经过市场调查和分析讨论后制定的 第二阶段是概念设计,它与设计要求阶段有重叠,因为有时要通过概念设计来使设计要 求制定得更为合理和具体化。概念设计的目的是对飞机的气动布局、性能、重量水平、航空 电子、武器、所需新技术、费用和市场前景等方面进行初步和方向性的探讨。概念设计中还 有对设计要求中各项目的指标进行分析,适当降低那些对性能影响不大,但可能降低技术风 险和发展费用的设计要求,有可能提出一套合理组合的设计要求。概念设计中设计师的经验 和判断力起重要作用,往往采用经验或半经验的分析方法 第三阶段是初步设计,它包括两部分内容:方案设计和打样设计。方案设计,首先根据 设计要求在概念设计的基础上,进行多种气动布局方案的对比和研究,以及机翼、机身、尾 翼的形状、设计参数的确定。飞机的内部布置要同时进行。这时,各个专业都要介入,如结 构的传力路线设计、新材料新工艺的选用、各系统的原理设计、全机重量重心估计、飞机性 能计算和飞行品质分析,检査设计方案能否满足设计要求。飞机方案设计中充满着矛盾,要 通过各种方案的研究来评价、折衷和综合,不断进行改进,直到获得一个满足要求的综合最 佳方案。打样设计,在方案设计阶段主要是确定飞机总体布局,对结构和系统的考虑比较粗 略,在详细设计之前,结构和系统还需要一个初步设计的过程,这个过程为打样设计。在打 样设计阶段要进行下列工作 (1)气动分析和风洞试验,进行全机载荷计算,性能和飞行剖面计算,操纵性和稳定 性分析和气动弹性分析等。制造不同的模型,进行高低速风洞试验,提供原始气动力数据。 (2)结构打样设计。对主要受力部件进行初步设计和分析,选择合理的结构形式、新 材料、新工艺和重量估算 (3)系统打样设计。对所有系统进行原理设计,确定主要附件和系统的功能和功率。 对管道、电缆进行初步设计和通路协调 (4)全机布置协调。一般是在全尺寸图纸上进行,画出全套协调图。随着计算机技术 的发展,全机布置协调,运动机构及间隙检査,可在计算机屏幕上进行。 (5)样机审査。在打样设计后期要制造全尺寸样机,用户在全尺寸飞机和真实座舱环 境中检査是否符合使用要求。在样机审査批准以后,冻结设计状态,详细设计才能开始。 第四阶段是详细设计,其主要任务是: 进行结构和系统的详细设计和分析,包括所有零部件设计,提供零件图、装配图、总图。 进行详细的重量估算和强度校核和最后的飞机性能计算。进行工艺设计,制定飞机制造工艺 方案,向制造部门提供生产图纸。进行结构的静强度、动强度和寿命试验。对系统进行地面 台架模拟试验,进行飞机维修性、生存力分析和硏制费用、经济性评估 第五阶段为原型机试制。为加快研制速度,现代飞机都制造多架原型机进行试飞。 第六阶段为试飞 在试飞结束获得设计定型或型号合格证后才能进入第七阶段
1 第一章 绪言 飞机设计是一项复杂和周期很长的工作，在工业部门通常分成几个阶段进行。 首先拟定设计要求，它是由使用方（军方或民航）负责。现代军用飞机根据国家的战略 方针和将来面临的作战环境，经过分析提出作战技术要求。现代军用飞机从设计要求的制定 到开始服役使用一般都需要 10 年以上的时间，要准确预计 10 年后的政治、经济、技术环境 是相当困难的。一架军用机的全寿命费用达数百亿元的量级，因而军用飞机设计要求的研究 和制定是一项非常重要和影响巨大的工作。军用飞机设计要求的研究和制定一般都由专门的 机构和人员来进行。民用飞机主要强调安全性、经济性和舒适性，其设计要求一般由飞机公 司提出初步设想，经过与可能用户的商讨，并经过市场调查和分析讨论后制定的。 第二阶段是概念设计，它与设计要求阶段有重叠，因为有时要通过概念设计来使设计要 求制定得更为合理和具体化。概念设计的目的是对飞机的气动布局、性能、重量水平、航空 电子、武器、所需新技术、费用和市场前景等方面进行初步和方向性的探讨。概念设计中还 有对设计要求中各项目的指标进行分析，适当降低那些对性能影响不大，但可能降低技术风 险和发展费用的设计要求，有可能提出一套合理组合的设计要求。概念设计中设计师的经验 和判断力起重要作用，往往采用经验或半经验的分析方法。 第三阶段是初步设计，它包括两部分内容：方案设计和打样设计。方案设计，首先根据 设计要求在概念设计的基础上，进行多种气动布局方案的对比和研究，以及机翼、机身、尾 翼的形状、设计参数的确定。飞机的内部布置要同时进行。这时，各个专业都要介入，如结 构的传力路线设计、新材料新工艺的选用、各系统的原理设计、全机重量重心估计、飞机性 能计算和飞行品质分析，检查设计方案能否满足设计要求。飞机方案设计中充满着矛盾，要 通过各种方案的研究来评价、折衷和综合，不断进行改进，直到获得一个满足要求的综合最 佳方案。打样设计，在方案设计阶段主要是确定飞机总体布局，对结构和系统的考虑比较粗 略，在详细设计之前，结构和系统还需要一个初步设计的过程，这个过程为打样设计。在打 样设计阶段要进行下列工作： （1）气动分析和风洞试验，进行全机载荷计算，性能和飞行剖面计算，操纵性和稳定 性分析和气动弹性分析等。制造不同的模型，进行高低速风洞试验，提供原始气动力数据。 （2）结构打样设计。对主要受力部件进行初步设计和分析，选择合理的结构形式、新 材料、新工艺和重量估算。 （3）系统打样设计。对所有系统进行原理设计，确定主要附件和系统的功能和功率。 对管道、电缆进行初步设计和通路协调。 （4）全机布置协调。一般是在全尺寸图纸上进行，画出全套协调图。随着计算机技术 的发展，全机布置协调，运动机构及间隙检查，可在计算机屏幕上进行。 （5）样机审查。在打样设计后期要制造全尺寸样机，用户在全尺寸飞机和真实座舱环 境中检查是否符合使用要求。在样机审查批准以后，冻结设计状态，详细设计才能开始。 第四阶段是详细设计，其主要任务是： 进行结构和系统的详细设计和分析，包括所有零部件设计，提供零件图、装配图、总图。 进行详细的重量估算和强度校核和最后的飞机性能计算。进行工艺设计，制定飞机制造工艺 方案，向制造部门提供生产图纸。进行结构的静强度、动强度和寿命试验。对系统进行地面 台架模拟试验，进行飞机维修性、生存力分析和研制费用、经济性评估。 第五阶段为原型机试制。为加快研制速度，现代飞机都制造多架原型机进行试飞。 第六阶段为试飞。 在试飞结束获得设计定型或型号合格证后才能进入第七阶段
第七阶段为成批生产。 第八阶段为使用和改进改型。对已投入使用的飞机进行改进改型,扩大它的功能和延长 使用寿命,世界各国都很重视这一途径 为了使航空高等院校学生掌握飞机设计的基本概念、原理和方法,从飞机总体设计和飞 机结构设计两个方面,分别以两本教材加以介绍。飞机总体设计是在使用方提出特定设计要 求的条件下,选择并确定飞机布局形式和总体设计参数,经过计算、分析、修正,使所设计 出来的飞机以优良的性能,最大限度的满足使用方的要求。飞机总体设计是反复迭代逐渐逼 近的过程,满足设计要求,可以有多种可行的方案,确定总体设计参数和进行分析,也有不 同的工作量和精度的方法。飞机总体设计涉及到多种学科领域,如空气动力学、结构强度 航空发动机、自动控制、电子技术、材料及工艺等,特别需要各方面的综合协调。本书作为 航空高等院校本科生教材,强调培养学生的综合和决策问题的能力,内容安排上也是由简到 繁,通过几个循环完成飞机的总体设计。 本书将飞机总体设计分为三个方面:方案设计、总体参数设计、决策与优化。将飞机升 阻特性和飞行性能计算与分析的内容有机的融入到方案设计和总体参数设计的章节中。第二 章讨论飞机方案设计,提出飞机总体设计的第一轮迭代设计流程,其中包括总体布局及初步 分析,起飞重量、翼载和推重比的计算,升阻特性初步计算,以及各种矛盾因素权衡处理方 法。第三章讨论飞机总体参数设计,介绍机翼、机身和尾翼几何参数选择,内部布置,推进 装置与机体一体化设计,起落架设计等。通过总体参数设计,进一步研究总体方案的可行性 进行方案决策。结合实例,给出了飞机初步设计三面图。第四章讨论飞机操纵系统的特点和 基本组成,给出设计要求,分析现代高速飞机的稳定性和操纵性,增稳和主动控制技术。介 绍电传操纵和综合飞行控制的基本概念 我们还介绍了下列内容:第五章,飞机费用和效能分析。这是不同于飞机性能准则的另 个决定设计方案取舍的重要方面。它包括了飞机寿命周期费用的组成和分析方法,研究、 发展、试验、鉴定、生产费用和使用保障费用分析模型,民用航空运营问题。军用飞机完成 预定作战任务能力的大小,可通过作战效能进行综合评估。本章还介绍了飞机作战效能分析 的概念和评估方法,综合效能和费用的效费比分析方法。现代飞机设计是一个复杂的系统工 程,涉及到多个学科领域,各学科构成的子系统相互交叉影响。飞机设计必须建立综合设计 的思想,提高综合设计的手段。第六章,飞机总体参数优化,详细介绍了飞机多学科设计优 化方法的基本原理,常用算法及分析比较,近似技术、计算流程,这里有我们的研究成果和 对某通用航空飞机总体参数优化的详细分析计算过程。另外,针对飞机总体设计的特点还介 绍了面向系统设计的方法评价准则,建立了多准则决策的层次结构和综合评价框架 本书强调了飞机总体设计的综合协调、折衷权衡、反复迭代等特点,在各个阶段都尽量 给出具体的设计步骤。本书吸收了国外一些成功的飞机设计经验数据、计算公式,对学生掌 握飞机总体设计方法很有帮助。本课程介绍了飞机总体设计优化和决策的基本概念和方法 使读者体验设计的全过程。尽管与实际应用于工业界的方法相比,本教材所列出的设计与分 析技术是简化了的,但是课程内容安排符合学生认识规律,通过这门课的学习,使读者在定 性分析能力、定量估算能力,综合运用能力及联系工程实际能力等方面得到锻炼和提髙 为配合学生学习掌握飞机总体设计的知识和设计方法,在编者多年教学和科研工作基础 上编制了一套飞机总体设计教学版软件及详细的使用手册。学生利用这一软件,可以实现飞 机总体设计的各个环节和全部过程,并可对设计方案进行权衡。软件和使用手册将另外单独
2 第七阶段为成批生产。 第八阶段为使用和改进改型。对已投入使用的飞机进行改进改型，扩大它的功能和延长 使用寿命，世界各国都很重视这一途径。 为了使航空高等院校学生掌握飞机设计的基本概念、原理和方法，从飞机总体设计和飞 机结构设计两个方面，分别以两本教材加以介绍。飞机总体设计是在使用方提出特定设计要 求的条件下，选择并确定飞机布局形式和总体设计参数，经过计算、分析、修正，使所设计 出来的飞机以优良的性能，最大限度的满足使用方的要求。飞机总体设计是反复迭代逐渐逼 近的过程，满足设计要求，可以有多种可行的方案，确定总体设计参数和进行分析，也有不 同的工作量和精度的方法。飞机总体设计涉及到多种学科领域，如空气动力学、结构强度、 航空发动机、自动控制、电子技术、材料及工艺等，特别需要各方面的综合协调。本书作为 航空高等院校本科生教材，强调培养学生的综合和决策问题的能力，内容安排上也是由简到 繁，通过几个循环完成飞机的总体设计。 本书将飞机总体设计分为三个方面：方案设计、总体参数设计、决策与优化。将飞机升 阻特性和飞行性能计算与分析的内容有机的融入到方案设计和总体参数设计的章节中。第二 章讨论飞机方案设计，提出飞机总体设计的第一轮迭代设计流程，其中包括总体布局及初步 分析，起飞重量、翼载和推重比的计算，升阻特性初步计算，以及各种矛盾因素权衡处理方 法。第三章讨论飞机总体参数设计，介绍机翼、机身和尾翼几何参数选择，内部布置，推进 装置与机体一体化设计，起落架设计等。通过总体参数设计，进一步研究总体方案的可行性， 进行方案决策。结合实例，给出了飞机初步设计三面图。第四章讨论飞机操纵系统的特点和 基本组成，给出设计要求，分析现代高速飞机的稳定性和操纵性，增稳和主动控制技术。介 绍电传操纵和综合飞行控制的基本概念。 我们还介绍了下列内容：第五章，飞机费用和效能分析。这是不同于飞机性能准则的另 一个决定设计方案取舍的重要方面。它包括了飞机寿命周期费用的组成和分析方法，研究、 发展、试验、鉴定、生产费用和使用保障费用分析模型，民用航空运营问题。军用飞机完成 预定作战任务能力的大小，可通过作战效能进行综合评估。本章还介绍了飞机作战效能分析 的概念和评估方法，综合效能和费用的效费比分析方法。现代飞机设计是一个复杂的系统工 程，涉及到多个学科领域，各学科构成的子系统相互交叉影响。飞机设计必须建立综合设计 的思想，提高综合设计的手段。第六章，飞机总体参数优化，详细介绍了飞机多学科设计优 化方法的基本原理，常用算法及分析比较，近似技术、计算流程，这里有我们的研究成果和 对某通用航空飞机总体参数优化的详细分析计算过程。另外，针对飞机总体设计的特点还介 绍了面向系统设计的方法评价准则，建立了多准则决策的层次结构和综合评价框架。 本书强调了飞机总体设计的综合协调、折衷权衡、反复迭代等特点，在各个阶段都尽量 给出具体的设计步骤。本书吸收了国外一些成功的飞机设计经验数据、计算公式，对学生掌 握飞机总体设计方法很有帮助。本课程介绍了飞机总体设计优化和决策的基本概念和方法， 使读者体验设计的全过程。尽管与实际应用于工业界的方法相比，本教材所列出的设计与分 析技术是简化了的，但是课程内容安排符合学生认识规律，通过这门课的学习，使读者在定 性分析能力、定量估算能力，综合运用能力及联系工程实际能力等方面得到锻炼和提高。 为配合学生学习掌握飞机总体设计的知识和设计方法，在编者多年教学和科研工作基础 上编制了一套飞机总体设计教学版软件及详细的使用手册。学生利用这一软件，可以实现飞 机总体设计的各个环节和全部过程，并可对设计方案进行权衡。软件和使用手册将另外单独 发行