飞行器创新设计

1、飞行器创新设计北京航空航天大学北京航空航天大学黄黄 俊俊中国航空学会中国航空学会第三届第三届“创新杯创新杯”飞行器设计大赛系列讲座飞行器设计大赛系列讲座1、飞行器基本概念、飞行器基本概念2、设计要求与飞行器设计、设计要求与飞行器设计3、飞行器设计过程、飞行器设计过程4、飞行器设计的特点、飞行器设计的特点5、数字化设计技术、数字化设计技术6、飞行器的未来发展、飞行器的未来发展7、飞行基本原理、飞行基本原理8、飞行器创新设计、飞行器创新设计内容内容 在地球大气层内、外飞行的器械均称为飞在地球大气层内、外飞行的器械均称为飞行器行器 飞行器包括航空器和航天器飞行器包括航空器和航天器 通常把火箭和导弹归

2、属于航天器的范畴通常把火箭和导弹归属于航天器的范畴 火箭是靠火箭发动机提供推进力的飞行器。火箭是靠火箭发动机提供推进力的飞行器。导弹是一种飞行武器，它依靠制导系统来导弹是一种飞行武器，它依靠制导系统来控制其飞行轨迹，目标是把高爆弹头或核控制其飞行轨迹，目标是把高爆弹头或核弹头送到打击目标附近引爆，并摧毁目标弹头送到打击目标附近引爆，并摧毁目标 1、飞行器基本概念、飞行器基本概念 航空器是进行航空活动的主体器具航空器是进行航空活动的主体器具 航空航空是指载人或不载人的飞行器在地球大是指载人或不载人的飞行器在地球大气层中的航行活动气层中的航行活动 航空必须具备空气介质和克服航空器自身航空必须具备空

3、气介质和克服航空器自身重量的升力重量的升力 航空器分轻于空气和重于空气两类，重于航空器分轻于空气和重于空气两类，重于空气的航空器要有产生相对于空气运动所空气的航空器要有产生相对于空气运动所需的推力需的推力 典型航空器包括气球、飞艇、飞机、直升典型航空器包括气球、飞艇、飞机、直升机、旋翼机扑翼机等机、旋翼机扑翼机等 航空器航空器航空器（轻于空气）航空器（轻于空气）航空器（轻于空气）航空器（轻于空气）航空器航空器航空器航空器航空器航空器航空器航空器航空器航空器航空器航空器 航天器是进行航天活动的主体器具航天器是进行航天活动的主体器具 航天航天是指载人或不载人的航天器在地球大是指载人或不载人的航天器

4、在地球大气层之外的航行活动，又称空间飞行或宇气层之外的航行活动，又称空间飞行或宇宙航行宙航行 航天的实现必须使航天器克服或摆脱地球航天的实现必须使航天器克服或摆脱地球的引力，第一、第二和第三宇宙速度是航的引力，第一、第二和第三宇宙速度是航天所需的三个特征速度天所需的三个特征速度 火箭推进技术是航天技术的核心火箭推进技术是航天技术的核心 航天器分无人和载人两类：包括人造地球航天器分无人和载人两类：包括人造地球卫星、空间探测器、载人飞船、空间站和卫星、空间探测器、载人飞船、空间站和航天飞机等航天飞机等 航天器航天器航天器航天器人造地球卫星 航天器航天器月球探测器 航天器航天器火星探测器 航天器航天

5、器火星探测器 卫星式载人飞船 航天器航天器火星探测器 卫星式载人飞船 登月式载人飞船 航天器航天器火星探测器 卫星式载人飞船 登月式载人飞船 空间站 航天器航天器火星探测器 卫星式载人飞船 登月式载人飞船 空间站 航天飞机航天飞机航天器航天器火星探测器 卫星式载人飞船 登月式载人飞船 空间站 未来空天飞机未来空天飞机 设计要求是设计飞行器的依据设计要求是设计飞行器的依据 例如：军用飞机设计要求也叫战术技术指例如：军用飞机设计要求也叫战术技术指标，一般由飞机的使用单位标，一般由飞机的使用单位( (用户用户) )提出提出 制定军用飞机设计要求要从以下方面考虑：制定军用飞机设计要求要从以下方面考虑：

6、未来政治环境和冲突规模的估计，寿命周未来政治环境和冲突规模的估计，寿命周期费用和承受能力估计，未来敌机发展估期费用和承受能力估计，未来敌机发展估计和新技术的风险分析计和新技术的风险分析 战斗机设计要求包括：性能、推进系统、战斗机设计要求包括：性能、推进系统、重量、综合航电、武器、其重量、综合航电、武器、其他（他（rmsa）2 2、设计要求与飞行器设计、设计要求与飞行器设计 民用飞机的设计要求一般由飞机制造公司民用飞机的设计要求一般由飞机制造公司根据市场调查和对未来空中交通运输的发根据市场调查和对未来空中交通运输的发展预测自行制订展预测自行制订 个别情况下由用户提出要求个别情况下由用户提出要求

7、制订民机设计要求要综合考虑以下方面：制订民机设计要求要综合考虑以下方面：世界经济的发展预测、空中运输量、竞争世界经济的发展预测、空中运输量、竞争对手的情况、市场需求量分析与预测等对手的情况、市场需求量分析与预测等 民机设计要求包括：航程、商载、飞行性民机设计要求包括：航程、商载、飞行性能、其它要求（安全、舒适性能）能、其它要求（安全、舒适性能）2 2、设计要求与飞行器设计、设计要求与飞行器设计 根据设计要求，军用飞机的设计要满足根据设计要求，军用飞机的设计要满足设设计规范计规范，民用飞机设计必须满足，民用飞机设计必须满足适航性适航性条条例的要求例的要求2 2、设计要求与飞行器设计、设计要求与飞

8、行器设计 飞行器设计：综合利用现代科学技术成果，飞行器设计：综合利用现代科学技术成果，以系统工程的方法，用工程语言以系统工程的方法，用工程语言( (图纸、图纸、技术文件、电子文档技术文件、电子文档) )的形式指导飞行器的形式指导飞行器的制造、试验和使用的制造、试验和使用 飞行器设计是飞行器研制过程的重要组成飞行器设计是飞行器研制过程的重要组成部分和第一个环节，也是研究飞行器设计部分和第一个环节，也是研究飞行器设计理论、方法和设计过程的一门综合性技术理论、方法和设计过程的一门综合性技术学科学科 学科：航空宇航科学与技术，飞行器设计，学科：航空宇航科学与技术，飞行器设计，飞行器设计与工程飞行器设计

9、与工程2 2、设计要求与飞行器设计、设计要求与飞行器设计3 3、飞行器设计过程、飞行器设计过程3 3、飞行器设计过程、飞行器设计过程3 3、飞行器设计过程、飞行器设计过程3 3、飞行器设计过程、飞行器设计过程 作为一种涉及到多个学科的复杂工程系统，作为一种涉及到多个学科的复杂工程系统，现代飞行器设计一般具有以下特点现代飞行器设计一般具有以下特点 科学性科学性 创造性创造性 非唯一性非唯一性 反复迭代，多轮逼近反复迭代，多轮逼近 综合与协调综合与协调4、飞行器设计的特点、飞行器设计的特点科学性科学性创造性创造性 非唯一性非唯一性 反复迭代，多轮逼近反复迭代，多轮逼近综合与协调综合与协调综合与协调

10、综合与协调 飞行器产品具有外形气动要求严格、设计飞行器产品具有外形气动要求严格、设计更改频繁、产品构型众多、零件材料和形更改频繁、产品构型众多、零件材料和形状各异、内部结构复杂、空间十分紧凑、状各异、内部结构复杂、空间十分紧凑、各类系统布置密集以及零组件数量巨大各类系统布置密集以及零组件数量巨大 飞行器制造技术难度大、研制流程长、工飞行器制造技术难度大、研制流程长、工程艰巨、协作面广、管理困难，是需投入程艰巨、协作面广、管理困难，是需投入巨额资金的综合性高技术产业巨额资金的综合性高技术产业 数字化技术从根本上改变了飞机研制方法，数字化技术从根本上改变了飞机研制方法，已成为企业核心竞争力已成为企

11、业核心竞争力5、数字化设计技术、数字化设计技术5、数字化设计技术、数字化设计技术5、数字化设计技术、数字化设计技术5、数字化设计技术、数字化设计技术5、数字化设计技术、数字化设计技术5、数字化设计技术、数字化设计技术5、数字化设计技术、数字化设计技术5、数字化设计技术、数字化设计技术5、数字化设计技术、数字化设计技术5、数字化设计技术、数字化设计技术5、数字化设计技术、数字化设计技术 要进行面向未来的飞行器创新设计，应该要进行面向未来的飞行器创新设计，应该对飞行器未来可能的发展方向有一定的了对飞行器未来可能的发展方向有一定的了解，才能做到有的放矢解，才能做到有的放矢 航空器的未来发展包括：先进

12、战斗机、无航空器的未来发展包括：先进战斗机、无人侦察与无人作战飞机、大型客机和超音人侦察与无人作战飞机、大型客机和超音速运输机、微型航空器、新概念特种航空速运输机、微型航空器、新概念特种航空器等器等 这些发展方向可以给同学们的创新设计提这些发展方向可以给同学们的创新设计提供一些参考供一些参考 6、飞行器的未来发展、飞行器的未来发展航空器未来发展航空器未来发展航空器未来发展航空器未来发展航空器未来发展航空器未来发展航空器未来发展航空器未来发展 在新的世纪中，太空将进一步成为国家安在新的世纪中，太空将进一步成为国家安全和国家利益的的重点考虑对象全和国家利益的的重点考虑对象 大力发展军事和商业航天，

13、夺取和保持太大力发展军事和商业航天，夺取和保持太空优势地位，是本世纪超级大国和地区性空优势地位，是本世纪超级大国和地区性强国所追求的重要目标强国所追求的重要目标 航天器的未来发展包括：低成本的运载工航天器的未来发展包括：低成本的运载工具、小型人造地球卫星、载人航天、空间具、小型人造地球卫星、载人航天、空间天文探测等方面天文探测等方面 航天器的未来发展航天器的未来发展航天器未来发展航天器未来发展航天器未来发展航天器未来发展 飞行器要升空飞行，首先必须具有一飞行器要升空飞行，首先必须具有一个用来平衡其自身重量的升力个用来平衡其自身重量的升力 航空器飞行中产生的阻力由发动机产航空器飞行中产生的阻力由

14、发动机产生的推力来克服生的推力来克服7、飞行基本原理、飞行基本原理飞机升力的产生飞机升力的产生（1 1）机翼面积的影响）机翼面积的影响 机翼面积越大，则产生的升力就越大机翼面积越大，则产生的升力就越大（2 2）相对速度的影响）相对速度的影响 相对速度越大机翼产生的升力就越大相对速度越大机翼产生的升力就越大（3 3）空气密度的影响）空气密度的影响 空气密度越大，升力也就越大，反之空气密度越大，升力也就越大，反之当空气稀薄时，升力就变小了当空气稀薄时，升力就变小了（4 4）机翼剖面形状和翼迎角的影响）机翼剖面形状和翼迎角的影响影响飞机升力的因素影响飞机升力的因素影响飞机升力的因素影响飞机升力的因素

15、 机翼产生升机翼产生升力的大小与机翼力的大小与机翼剖面形状有关。剖面形状有关。在一定迎角范围在一定迎角范围内，升力随着迎内，升力随着迎角的增大而增大。角的增大而增大。当迎角超出此范当迎角超出此范围而继续增大时，围而继续增大时，则产生则产生失速现象失速现象影响飞机升力的因素影响飞机升力的因素 翼型和迎角对升力的影响可以通过升力翼型和迎角对升力的影响可以通过升力系数系数CyCy表现出来表现出来 总结以上因素的影响，升力的公式可写总结以上因素的影响，升力的公式可写成（飞机阻力公式的形式完全相同）：成（飞机阻力公式的形式完全相同）：2y1Y=C2V S 飞机的操纵性是指驾驶员通过操纵设备飞机的操纵性是

16、指驾驶员通过操纵设备 （如驾驶杆、脚蹬和气动操纵面等）来改（如驾驶杆、脚蹬和气动操纵面等）来改变飞机飞行状态的能力变飞机飞行状态的能力 飞机在空中飞行，可以产生俯仰运动、偏飞机在空中飞行，可以产生俯仰运动、偏航运动和滚转运动航运动和滚转运动 飞机在空中的操纵是通过操纵气动操纵飞机在空中的操纵是通过操纵气动操纵面面升降舵、方向舵和副翼来进行的，分升降舵、方向舵和副翼来进行的，分别操纵飞机的三种运动别操纵飞机的三种运动飞机的操纵性飞机的操纵性飞机的操纵性飞机的操纵性飞机的操纵性飞机的操纵性 飞机的稳定性是指飞行过程中，如果飞机飞机的稳定性是指飞行过程中，如果飞机受到某种扰动而偏离原来的平衡状态，在

17、受到某种扰动而偏离原来的平衡状态，在扰动消失后，不经飞行员操纵，飞机能自扰动消失后，不经飞行员操纵，飞机能自动恢复到原来平衡状态的特性动恢复到原来平衡状态的特性 飞机飞行时稳定性相应的可分为纵向稳定飞机飞行时稳定性相应的可分为纵向稳定性、方向稳定性和横向稳定性性、方向稳定性和横向稳定性飞机的稳定性飞机的稳定性 航天器在空间航行的轨迹称为轨道航天器在空间航行的轨迹称为轨道 航天器由运载火箭发射入轨航天器由运载火箭发射入轨 在轨道上运行的航天器，绝大部分时间在轨道上运行的航天器，绝大部分时间是在地球引力作用下的无动力惯性飞行，是在地球引力作用下的无动力惯性飞行，从本质上它与自然天体的运动一致从本质

18、上它与自然天体的运动一致 不同之处是航天器可以在人的控制下，不同之处是航天器可以在人的控制下，实现调姿、轨道保持、转移轨道、交会、实现调姿、轨道保持、转移轨道、交会、对接、回收等对接、回收等航天器飞行原理航天器飞行原理轨道方程与宇宙速度轨道方程与宇宙速度 航天器的轨道方程为圆锥曲线航天器的轨道方程为圆锥曲线 圆锥曲线的一般方程为圆锥曲线的一般方程为 其中：其中：r：圆锥曲线的任意一点到焦：圆锥曲线的任意一点到焦点的距离。点的距离。e ：圆锥曲线的偏心率。：圆锥曲线的偏心率。p ：正焦距或半通径。正焦距或半通径。f ： r与焦点至近心点与焦点至近心点之间连线的夹角，叫真近点角之间连线的夹角，叫真

19、近点角1cospref轨道方程与宇宙速度轨道方程与宇宙速度 圆锥曲线的类型：圆锥曲线的类型： e=0时，时，r=p，圆锥，圆锥曲线为圆曲线为圆 0e1时，圆锥曲线为时，圆锥曲线为双曲线双曲线宇宙速度与航天器轨道宇宙速度与航天器轨道 v=7.91km/s时，为第一宇宙速度，轨道为圆时，为第一宇宙速度，轨道为圆 v=11.8km/s时，为第二宇宙速度，轨道为抛时，为第二宇宙速度，轨道为抛物线，航天器脱离地球轨道物线，航天器脱离地球轨道 v=16.6km/s时，为第三宇宙速度，轨道为双时，为第三宇宙速度，轨道为双曲线，航天器飞离地球，最终飞出太阳系曲线，航天器飞离地球，最终飞出太阳系 7.91km/

20、sv11.18km/s时，轨道为椭圆，航时，轨道为椭圆，航天器绕地球飞行天器绕地球飞行 11.8km/sv16.6km/s时，轨道为抛物线，时，轨道为抛物线，航天器脱离地球航天器脱离地球飞机设计基本步骤飞机设计基本步骤 设计要求和设计规范是设计飞机的依据设计要求和设计规范是设计飞机的依据 飞机起飞总重、发动机推力和机翼面积是飞机起飞总重、发动机推力和机翼面积是首先要确定的三个主要设计参数首先要确定的三个主要设计参数 研究现有飞机的起飞推重比（发动机推力研究现有飞机的起飞推重比（发动机推力与飞机起飞总重之比）和起飞翼载荷（单与飞机起飞总重之比）和起飞翼载荷（单位机翼面积位机翼面积 的飞机起飞重量

21、的飞机起飞重量:kg/m2） 客机：推重比客机：推重比0.230.40，翼载荷，翼载荷550-750 战斗机：推重比战斗机：推重比0.81.1，翼载荷，翼载荷300-500飞机设计基本步骤飞机设计基本步骤 例如：我国大飞机，起飞重量例如：我国大飞机，起飞重量150吨吨 取推重比取推重比0. 3，则需要发动机推力，则需要发动机推力45吨，可吨，可选两台选两台23吨推力级发动机吨推力级发动机 取翼载荷取翼载荷650 kg/m2 ，则飞机机翼面积为，则飞机机翼面积为230m2 接下来根据机翼面积去设计机翼（选择翼接下来根据机翼面积去设计机翼（选择翼型，确定平面形状），根据装载要求来设型，确定平面形状），根据装载要求来设计机身计机身 战斗机的设计类似战斗机的设计类似8、飞行器创新设计、飞行器创新设计 创新设计概念：前所未有的设计，代表飞创新设计概念：前所未有的设计，代表飞行器未来发展方