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飞机总体设计 飞机设计研究所航空科学与工程学院 飞机总体设计第一讲 1 课程服务团队 2 课程安排与评分方式 课程安排课堂讲授专题讲座课程项目 设计小组 信息小组课堂展示课后作业上机练习 3 课程安排与评分方式 设计小组 飞机概念方案设计任务 根据所给题目 选择某一类型的飞机进行概念设计 每组应完成至少2个方案的布局设计与初步布置以进行对比 完成其中至少1个方案的性能估算 完成演示文稿和设计报告人员 每班2个设计小组 每组10人左右 4 课程安排与评分方式 信息小组 飞机总体设计数据资料收集与分析任务 利用飞机设计手册 飞机年鉴等资料 选定一个主题 收集各种飞机的相关文献和数据 进行分类整理和深入分析 总结规律 完成翻译 演示文稿和分析报告人员 每班1个信息小组 除设计小组外的人员均应参加 每组不超过8人 每位组员应翻译一份1500字左右的所用英文资料 节选 5 评分方式总分 平时成绩 期末笔试100 50 50 设计小组平时成绩 课程项目50 50 信息小组平时成绩 作业 课程项目50 15 35 课程安排与评分方式 6 获取课件 北航 飞机总体设计 精品课网站 7 获取通知 designcourse password design2008 意见与建议办公室 科研南1号楼301 刘虎 tel 010 82339801e mail aerodesigner 8 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年版的中译本 现代飞机设计 1992 roskam j airplanedesign 1985 fielding j p introductiontoaircraftdesign london cambridgeuniversitypress 1999nicolai 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 mattingly j d heiser w h anddaley d h aircraftenginedesign 1987 9 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 10 1 1什么是飞机设计 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 11 1 1什么是飞机设计 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 12 1 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 13 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 2什么是飞机总体设计 14 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 2什么是飞机总体设计 15 1 2什么是飞机总体设计 飞机设计的三阶段划分方式 制造 设计要求 概念设计 conceptualdesign 初步设计 preliminarydesign 详细设计 detaildesign 16 1 2什么是飞机总体设计 各阶段的任务 设计要求论证与研究 17 1 2什么是飞机总体设计 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 18 1 2什么是飞机总体设计 各阶段的任务 概念设计 用cad系统绘制的设计布置图 19 1 2什么是飞机总体设计 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 20 1 2什么是飞机总体设计 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 21 1 2什么是飞机总体设计 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 22 1 2什么是飞机总体设计 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 thecatalogueofmbb economyandefficiencyalltheway printinwestgermanybumbb 5 85 1493 23 1 2什么是飞机总体设计 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 24 1 3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 25 1 3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 26 1 3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 27 1 3总体设计的重要性 决定的费用 消耗的费用 28 1 4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 29 1 4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 designwheel 30 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 31 1 4总体设计的特点 k d 伍德 32 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 airplanedesignasasocialactivity emergingtrendsintheaerospaceindustry invitedpaper aiaapaper2002 0516 最具革命性的变化 数字计算机的出现 33 1 5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cad cae cam cims等技术的迅速发展 34 1 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 35 1 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 2002 36 1 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 nasaames rds美国conceptualresearch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 37 1 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 38 1 6设计中的团队协作 来源 brandtetal 39 1 6设计中的团队协作 lockheedmartin的 臭鼬工厂 skunkworks 40 1 6设计中的团队协作 theskunkworksapproachhasproventobethebestforsmallprojectsusingexperiencedteammembers small expert teammemberswithlotsofresponsibility来源 w h mason virginia理工 41 1 6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 42 1 6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 teamplayersandteamwork 43 1 6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 parker teamplayersandteamwork 44 1 6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 winsituations 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boeingcommercialairplanegroupdonevans arizonastateuniv 整理改编 45 1 6设计中的团队协作 系统思想 systemsthinking 来源 boeing whetherwelikeitornot weareallinthistogether 46 复习题 飞机设计的三个主要阶段是什么 各有些什么主要任务 飞机总体设计有什么特点 高效的团队和低效的团队各有什么表现 boeing的团队协作戒律有哪些 注意 如果你找到了不同的答案 注明来源 参考文献 47 谢谢 第页 飞机设计的依据 飞机设计研究所航空科学与工程学院 飞机总体设计第二讲 49 第二讲飞机设计的依据 2 1飞机的设计要求2 2飞机的设计规范2 3飞机的总体技术指标2 4设计要求示例 50 2 1飞机的设计要求 设计要求的提出 军用飞机通常由军方根据如下因素提出 政治上 未来政治环境和冲突规模的估计经济上 全寿命费用和承受能力的估计技术上 未来敌机发展的估计和新技术的风险分析 来源 方宝瑞 飞机气动布局设计 51 2 1飞机的设计要求 设计要求的提出 民用飞机民用飞机很难说有什么 固定客户 因此要发展什么样的飞机 一般由飞机公司提出初步设想 经过与可能用户的商讨 再制定设计要求设计要求也需要有正确的预见性 因此必须必须进行长期的市场调查和详细的分析研究 来源 方宝瑞 飞机气动布局设计 52 2 1飞机的设计要求 飞机设计要求是一项技术文件 没有固定格式飞机设计要求的基本内容飞机的用途和任务所设计的飞机是民用机还是军用机 主要用途是什么 其他用途又是什么 53 2 1飞机的设计要求 飞机设计要求的基本内容 续 任务剖面 简单剖面 起飞 爬升 巡航 待机 下降 着陆 54 2 1飞机的设计要求 飞机设计要求的基本内容 续 任务剖面 作战剖面 起飞 爬升 巡航 待机 下降 投弹 爬升 巡航 待机 下降 着陆 55 2 1飞机的设计要求 飞机设计要求的基本内容 续 任务剖面 56 2 1飞机的设计要求 飞机设计要求的基本内容 续 飞行性能最大飞行速度升限航程爬升性能加速性能减速性能盘旋性能起降性能 57 2 1飞机的设计要求 飞机设计要求的基本内容 续 有效载荷 payload 军机 飞行员 武器 民机 机组 乘客 货物 功能系统航电 安全 飞控等使用维护要求 58 2 1飞机的设计要求 飞机设计要求的基本内容 续 机体结构方面的要求正 负最大过载承受动强度 使用寿命研制周期和费用民机的经济性指标制造成本直接运营成本 directoperatingcosts doc 59 2 2飞机的设计规范 飞机设计规范由国家的有关部门制定和颁布 是指导飞机设计工作的通用性技术文件对各类飞机作了许多指令性的规定飞机的设计情况安全系数过载系数飞行载荷突风载荷 飞行品质飞行包线起飞与着陆的要求飞机重心的稳定性裕度强度和刚度 60 2 2飞机的设计规范 典型的设计规范美国军用飞机设计规范 mil 联邦适航性条例 far 25 far 23 中国军用飞机强度规范中国民用航空规章 ccar 25 ccar 23 61 2 3飞机的总体技术指标 制定由总设计师和总体设计部门 根据飞机使用技术要求或战术技术要求 以及有关的设计规范和适航标准等文件而制定目的为了全面指导和协调整个飞机设计的工作内容飞机设计要求的具体化和某些必要的补充考虑当前和今后一个时期内 该指标有一定的先进性和现实可能性 62 具体项目最大使用过载最大最大速压温度指标飞行包线 飞机的飞行特征和飞行高度的范围 对应于某高度下的最大速度 裕度 2 3飞机的总体技术指标 63 2 4设计要求示例 类型与用途作为与先进战术战斗机 advancedtacticalfighter atf 进行 高低搭配 的低端机型执行空对空作战的单座轻型战斗机尽可能地采用新技术以满足任务要求 来源 aircraftenginedesign 1987 2ndedition 2002 64 2 4设计要求示例 任务剖面 14个任务段 20个任务段 65 2 4设计要求示例 任务剖面 66 2 4设计要求示例 任务剖面 67 2 4设计要求示例 任务剖面 68 2 4设计要求示例 性能要求 69 2 4设计要求示例 有效载荷飞行员1名武器amraam 2326lb 枚aim 9l 2191lb 枚25mm机炮 1270lb炮弹 500550lb 70 复习题 飞机的设计要求有哪些基本内容 71 谢谢 飞机总体设计的第一次近似 飞机设计研究所航空科学与工程学院 飞机总体设计第三讲 73 第三讲飞机总体设计的第一次近似 3 1概念构思与概念草图3 2飞机的主要总体设计参数3 3初步重量估计3 4权衡研究3 5推重比与翼载荷 74 3 1概念构思与概念草图 概念构思的形成熟知同类用途飞机的布局形式 了解不同布局的利弊和特点 75 3 1概念构思与概念草图 概念构思的形成积累数据飞机的数据主要标准部件的形状和重量座椅 炸弹 机炮 集装箱 可能的发动机了解相关领域的最新水平气动 结构 飞控系统 隐身技术 勿在浮砂筑高台 候俊杰 深入浅出mfc 76 3 1概念构思与概念草图 概念构思的形成积累数据主要的数据来源 飞机的技术说明书简氏飞机年鉴 jane salltheworld saircraft 飞机公司宣传资料设计教科书期刊杂志互联网 77 3 1概念构思与概念草图 概念构思的形成对各专业基本知识的全面了解 创新的思想 美学观点 概念构思的体现 概念草图 conceptualsketch 78 3 1概念构思与概念草图 概念草图画出多个候选方案 不要指望一开始就知道该怎么做在可能的情况下对多个方案都进行分析和优化 79 3 1概念构思与概念草图 概念草图 来源 kirschbaum saircraftdesignhandbook aircraftdesignaidandlayoutguide 80 3 1概念构思与概念草图 概念草图 t1 潮汐猎人 330501 t9 330504 81 3 1概念构思与概念草图 草图的作用确定你对要设计的方案的整体印象勾画出气动布局表示出在哪里布置机组 有效载荷 乘员 起落架 发动机 燃油和主要的子系统用于总体设计的第一次近似 估算初始的主要总体设计参数 82 3 2飞机的主要总体设计参数 飞机运动方程分析 重力 推力 阻力 升力 来源 introductiontoaeronautics adesignperspective 83 3 2飞机的主要总体设计参数 飞机的主要总体设计参数设计起飞重量w0 kg 动力装置海平面静推力t kg 机翼面积s m2 组合参数推重比t w0翼载荷w0 s kg m2 84 3 2飞机的主要总体设计参数 符号与单位说明 85 3 2飞机的主要总体设计参数 sizing 参数选择 定参数 86 3 3初步重量估计 起飞重量的构成 乘员 有效载荷 燃油 空机重量 87 3 3初步重量估计 空机重量估计对不同类型的飞机 可以统计出一定的趋势 88 3 3初步重量估计 空机重量估计 kvs 可变后掠常数 1 04对可变后掠机翼 1 00对固定后掠机翼 复合材料的应用 近似为we w0统计值的0 95倍 89 3 3初步重量估计 燃油重量估计机上燃油 任务燃油 储备燃油 死油 一级近似 first orderdesign 假设任务所需燃油与飞机的重量成正比 则wf w0近似地与飞机重量无关根据任务段重量比计算任务段重量比 飞机在某一任务段结束时的重量除以该任务段开始时的重量任意的第i段 或 90 3 3初步重量估计 燃油重量估计整个任务结束时的飞机重量wx与初始重量w0之比等于各段重量比的乘积例如 91 3 3初步重量估计 燃油重量估计各种任务段的重量比估算方法暖机 起飞 爬升和着陆忽略下降段