飞机总体设计绪论
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第一讲-飞机总体设计
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意见与建议
办公室：科研南1号楼301 （刘虎） Tel: 010-82339801
E-mail: aerodesigner@
7
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.
Design. 1987. 8
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
9
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
1.5 现代设计技术简介
❖飞机设计过程的演化
现代（1990年 之 后 ）
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“定制” （Defineproduce）
外购 支持
· “用户介入” · 大量的律师
用户
工程设计与制造 · 大规模（但更精益）的组织 · 集成化产品团队（IPTs）
· 达到“价值链”的最高点 · 不再有纸制图纸 · 不再有垫片 · “扁平的组织”
•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
33
1.5 现代设计技术简介
数字样机
计算流体力学 （CFD）
虚拟风洞实验 34
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（trade studies）
飞机总体设计FuDan_SG
36
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
37
2.1 飞机的设计要求
任务剖面
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
4
1.2 什么是飞机总体设计？
飞机设计的范围
—主要涉及论证、方案和工程研制阶段
飞机设计的三阶段划分方式
见下页
5
1.2 什么是飞机总体设计？
设计要求
概念设计
（Conceptual Design）
初步设计
（Preliminary Design）
目标：完成可实现加工的细节设计。
15
详细设计
工作内容
1. 部件设计和零构件设计 2. 各系统的设计
液压系统 环控系统 起落架系统…… 3. 详细的重量重心计算 4. 强度计算报告 5. 静强度、动强度和寿命试验 6. 系统的地面台架试验 7. 工装设计
16
详细设计
方法与手段
1. CAD 2. CAM（FEM） 3. 结构优化设计 4. 系统可靠性设计 5. 试验
29
课程评分内容与方法
设计报告 笔试 得分：
50% 50% 设计报告 + 笔试成绩
设计报告评分标准： 1）正确性和合理性 2）清晰性
30
设计报告内容
设计要求拟定 飞机布局型式的确定 飞机主要参数计算 部件外形设计 飞机总体布置 重量重心计算 气动特性分析 飞行性能分析计算 三面图 总结
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
37
2.1 飞机的设计要求
任务剖面
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
4
1.2 什么是飞机总体设计？
飞机设计的范围
—主要涉及论证、方案和工程研制阶段
飞机设计的三阶段划分方式
见下页
5
1.2 什么是飞机总体设计？
设计要求
概念设计
（Conceptual Design）
初步设计
（Preliminary Design）
目标：完成可实现加工的细节设计。
15
详细设计
工作内容
1. 部件设计和零构件设计 2. 各系统的设计
液压系统 环控系统 起落架系统…… 3. 详细的重量重心计算 4. 强度计算报告 5. 静强度、动强度和寿命试验 6. 系统的地面台架试验 7. 工装设计
16
详细设计
方法与手段
1. CAD 2. CAM（FEM） 3. 结构优化设计 4. 系统可靠性设计 5. 试验
29
课程评分内容与方法
设计报告 笔试 得分：
50% 50% 设计报告 + 笔试成绩
设计报告评分标准： 1）正确性和合理性 2）清晰性
30
设计报告内容
设计要求拟定 飞机布局型式的确定 飞机主要参数计算 部件外形设计 飞机总体布置 重量重心计算 气动特性分析 飞行性能分析计算 三面图 总结
91078-飞机总体设计-1. 第一讲-绪论-0303
▪ 背景：涡桨飞机燃油效率高、经济性好、更环保，因此 如果瞄准2020年中短途航线市场，设计新型涡桨飞机， 充分发挥涡桨飞机经济性和环境排放优势，并给乘客提 供类似喷气客机的体验，将使涡桨飞机重新获得市场。
方案设计可选题目
❖题目1—未来涡桨飞机
➢ 1.1 基本设计要求 （1）载荷能力：75±2名乘客，单通道，单个座位尺寸
激光定位器 放射计 雷达
C3 总计
数量
4
352 1 1 1 1 1
单重 总重 （kg） （kg）
52 208
0.25 88
114 114
172 172
114 114
161 161
82
82
939
尺寸 L×W×H（cm）
5×10×7.5
88个/每投放机 12.5×2.5×2.5
10×5×7.5 7.5×2.5×2.5
2
联合课程
❖北航-普渡飞机设计联合课程计划
▪ 飞机设计导论 – AAE251: Introduction to Aerospace Design
▪ 飞机总体设计 – AAE451：Aircraft Design
3
联合课程
❖北航-普渡飞机设计联合课程计划- 2011年秋季
https://
34
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
方案阶段
工程研制 阶段
24
方案设计内容与要求
❖三个阶段评审 SRR SDR CoDR
▪ 系统定义评审System Definition Review (SDR) • 约束分析、参数选择 • 初步的权衡研究 • 概念方案的基本描述，布局三面图或立体图 • 方案与其他现有飞机的对比 • 准备采用的新技术 • 注明相对于SRR阶段的变化 •…
方案设计可选题目
❖题目1—未来涡桨飞机
➢ 1.1 基本设计要求 （1）载荷能力：75±2名乘客，单通道，单个座位尺寸
激光定位器 放射计 雷达
C3 总计
数量
4
352 1 1 1 1 1
单重 总重 （kg） （kg）
52 208
0.25 88
114 114
172 172
114 114
161 161
82
82
939
尺寸 L×W×H（cm）
5×10×7.5
88个/每投放机 12.5×2.5×2.5
10×5×7.5 7.5×2.5×2.5
2
联合课程
❖北航-普渡飞机设计联合课程计划
▪ 飞机设计导论 – AAE251: Introduction to Aerospace Design
▪ 飞机总体设计 – AAE451：Aircraft Design
3
联合课程
❖北航-普渡飞机设计联合课程计划- 2011年秋季
https://
34
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
方案阶段
工程研制 阶段
24
方案设计内容与要求
❖三个阶段评审 SRR SDR CoDR
▪ 系统定义评审System Definition Review (SDR) • 约束分析、参数选择 • 初步的权衡研究 • 概念方案的基本描述，布局三面图或立体图 • 方案与其他现有飞机的对比 • 准备采用的新技术 • 注明相对于SRR阶段的变化 •…
飞行器总体设计一PPT课件
6
★ 形成飞机的总体布置图、三面图、结构受力 系统图
★ 进行重心定位、性能、操稳计算，结构强度 和刚度计算
★ 提出对各分系统的技术要求 ★ 最终要制造出全尺寸的样机或绘制电子样机， 进行人机接口、主要设备和通路布置的协调检查以 及使用维护检查。
7
样机在经过使用部门，特别是经空、地勤人员审 查通过后，可以冻结新飞机的总体技术方案，开始 转入工程研制。
由设计/研制单位提出 由用户和设计单位共同提出
由用户提出的要求，设计/研制单位要进行分析/ 论证——战术技术要求分析/论证。
19
飞机设计要求通常没有固定的格式，其基本内容
应包括以下几个方面：
(1) 飞机的类型和基本任务 (2) 飞机的有效载荷 (3) 飞机的飞行性能指标 (4) 其他方面的要求：电子对抗、隐身、使用维护性、 使用周期、研制进度/经费、使用经济性，……。有时这 些要求可能会起到决定性的作用。
下面简单讨论飞机设计要求中的战术技术要求。
在作调整试飞过程中，新飞机肯定会出现各种故 障，必要时应对飞机作局部的修改。
在定型试飞过程中还会有故障，当然比调整试飞 中出现的要少的多，而且更改大多是机内系统，涉 及飞机外形的改动极少。
15
定型试飞通常需要上千个起落。试飞科目全部完 成后，由试飞鉴定部门和飞行员写出正式报告，上 报国家航空产品定型委员会批准后，方可进入小批 量生产。
飞行器总体设计
1
第1章 绪 论
1.1 飞机研制的一般过程 1.2 飞机设计要求 1.3 喷气式战斗机的发展 1.4 喷气干线运输机的发展 1.5 支线飞机、通用航空 1.6 无人飞行器 1.7 飞机总体设计的特点 1.8 飞机总体设计框架
2
1.1 飞机研制的一般过程
★ 形成飞机的总体布置图、三面图、结构受力 系统图
★ 进行重心定位、性能、操稳计算，结构强度 和刚度计算
★ 提出对各分系统的技术要求 ★ 最终要制造出全尺寸的样机或绘制电子样机， 进行人机接口、主要设备和通路布置的协调检查以 及使用维护检查。
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样机在经过使用部门，特别是经空、地勤人员审 查通过后，可以冻结新飞机的总体技术方案，开始 转入工程研制。
由设计/研制单位提出 由用户和设计单位共同提出
由用户提出的要求，设计/研制单位要进行分析/ 论证——战术技术要求分析/论证。
19
飞机设计要求通常没有固定的格式，其基本内容
应包括以下几个方面：
(1) 飞机的类型和基本任务 (2) 飞机的有效载荷 (3) 飞机的飞行性能指标 (4) 其他方面的要求：电子对抗、隐身、使用维护性、 使用周期、研制进度/经费、使用经济性，……。有时这 些要求可能会起到决定性的作用。
下面简单讨论飞机设计要求中的战术技术要求。
在作调整试飞过程中，新飞机肯定会出现各种故 障，必要时应对飞机作局部的修改。
在定型试飞过程中还会有故障，当然比调整试飞 中出现的要少的多，而且更改大多是机内系统，涉 及飞机外形的改动极少。
15
定型试飞通常需要上千个起落。试飞科目全部完 成后，由试飞鉴定部门和飞行员写出正式报告，上 报国家航空产品定型委员会批准后，方可进入小批 量生产。
飞行器总体设计
1
第1章 绪 论
1.1 飞机研制的一般过程 1.2 飞机设计要求 1.3 喷气式战斗机的发展 1.4 喷气干线运输机的发展 1.5 支线飞机、通用航空 1.6 无人飞行器 1.7 飞机总体设计的特点 1.8 飞机总体设计框架
2
1.1 飞机研制的一般过程
飞机总体设计绪论
（1）简报与总报告的规范性 2
（2）展示和表达能力 （3）团队协作能力 （4）设计工作量 课程项目（40%） （5）方案完整性与严谨性 （6）技术可行性 （7）创新意识与能力 （8）个人表现
3 3 4 4 8 8 8
11
方案设计可选题目
v 题目1—未来涡桨飞机（AIAA） v 题目2—高空长航时无人飞行系统（NASA） v 题目3—先进布局宽体客机 v 题目4—先进舰载战斗机 v 题目5—新型高超声速飞行器
7
课程安排
v 历年优秀设计作品展示
课程安排与评分方式
v 历年优秀设计作品展示 – 2013年度
v .
评分方式
v 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 + 考勤 50％ ＝ 40％ + 10%
10
评分方式
的跑道起飞；海拔2370m、气温29.5℃、80%最大起飞 重量条件下，可使用2430m跑道起飞。 （5）巡航Ma 0.62-0.68，最大巡航海拔高度7620m-9450m。
方案设计可选题目
v 题目2—高空长航时无人飞行系统
§来源：NASA2013-2014 大学航空工程设计竞赛 /university-contest/
5
联合课程
“航空航天设计联合课程计划”
......
6
课程安排
v 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3个设计小组，每组11人左右 注意：务必保证每个同学都在某一设计小组中！
飞机设计问题
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
什么是飞机总体设计？
军用飞机的一般研制过程
论证阶段 方案阶段
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 否 决策 是 全尺寸样机 研制任务书 决策 是 原型机
工程研制 阶段
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 否
•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
现代设计技术简介
数字样机
计算流体力学 （CFD）
虚拟风洞实验
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（trade studies）
—Raymer D. P., ―Aircraft Design： A Conceptual Approach‖
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-Analytical Modeling and Optimisation
工程设计 · 大规模的组织 · 功能上的分离
制造 · 大规模的组织 · 功能上的分离
飞机结构设计 第1章 绪论
1932年，英国空海军飞机设计要求《AP970》中已有防颤振要求 1975年出现了ACT技术，从原理上讲可以 放宽这一要求
三、静强度、刚度和安全寿命设计 设计准则 Ne≤Ns=Nex/nf Ne— 飞机的使用寿命； Ns— 飞机结构的安全寿命； Nex—结构的疲劳试验寿命； nf —疲劳分散系数。 50年代中期起重视安全寿命设计（彗星号客 机失事） 安全寿命设计准则美国使用到70年代初，其 它国家至今仍不同程度地沿用。
注意：
①内部装置与结构之间应有一定的间隙; ②根据具体情况设计出的结构不一定占据整 个最大高度和空间; ③某些协调关系在设计过程中可作一些调整。
1.2.2 结构的外载荷 及对结构受力特性的要求
飞机结构应满足基本要求，结构强度/刚度/寿命/ 可靠性设计与外载直接有关。 外载是结构布局与设计结构尺寸的主要依据。 飞机的外载应按照飞机强度规范要求，通过风洞 实验和分析计算给出。结构零部件的载荷主要由 分析得到。 飞机结构的载荷特性主要取决于飞机的机种、总 重、外形尺寸、使用要求等。 在结构设计时必须明确所设计结构的受力特性。
二、静强度和刚度设计 气动弹性问题：速度和战术技术性能要求 的提高，采用阻力系数较小的薄翼型 设计准则 ： δ≤[δ] ； f Vmax≤Vcr 。 式中： δ—结构在设计载荷下的变形量； [δ]—结构容许的变形量； Vcr=max(ffVf ，fsVs ， faVa) Vf , Vs , Va— 颤振速度、机翼发散 速度与副翼失效速度。
1.3.2 对基本要求分析
上述基本要求是相互关系、相互制约 的，有的是相互矛盾的。
气动要求是一种前提性的要求，即设计出 的结构必须满足。
图1.2 翼面前缘变形
使用要求也是一种前提性要求，即根据飞 机的机种、使用特点规定了使用、维护要 求。因此，要求结构有与之相应的“开敞 性”，即在结构上必须有相应的设计分离 面和开口，以保证维护人员有接近内部的 装载或内部结构的通道，并使相应结构的 拆装迅速可靠。
飞行器结构设计绪论资料
反馈；综合性、权衡性
2020/6/8
11
1.3飞机设计方法与内容
3. 飞机制造过程 工艺设计、机械加工、部件/全机装配。
首批试制出来的新飞机即可投入全机强度、疲劳寿命 试验和试飞。
4. 飞机的试飞、定型过程 地面滑跑试验；起、降性能试验； 飞行包线中各飞行科目试飞试验；
2020/6/8
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飞机设计方法与内容
2020/6/8
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飞机设计方法与内容
2020/6/8
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飞机设计方法与内容
2020/6/8
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1.3飞机设计方法与内容
二、飞机设计过程概述
1、设计的内涵：
① 创造性的思维过程；
② 全面、综合的辨证过程（抓主要矛盾）；
③ 设计的不唯一性；
④ 设计的反复性；
⑤ 设计与科学实验
⑥ 设计的继承性；的关系。
2020/6/8
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1.3飞机设计方法与内容
2、飞机设计的主要阶段概述(三个主要阶段) ①总体设计阶段：主要解决飞机的构形布局、 参数、重量以及性能方面的问题。 ② 飞机结构的打样设计：结构受力形式选择、受力 构件布置、开口布置、分离面及其连接形式等计。 ③ 飞机结构的详细设计（结构件连接设计、细节设 计、工程制图）。
2020/6/8
22
1.3飞机设计方法与内容
3、结构的使用条件
（1）环境条件：指气象条件或周围介质条件（温度、 湿度、腐蚀、有害介质等）。
（2）起降场所条件：水、陆两栖；陆地：水泥、 土跑道。
（3）维修条件：外场维修；场站或基地维修。
2020/6/8
23
1.3飞机设计方法与内容
4、生产条件
（1）工艺条件（热加工、冷加工、少量或批量， 加工精度与性能的保障性）；
飞机总体设计课件(1)
④ 有人主张废弃编队空战，截击机的战术是利
用速度优势追赶目标，并用空-空导弹歼灭目标，
不需要进行高过载机动，并力求一次攻击结束战斗；
⑤ 不重视飞行员在空战中的作用，认为飞行员
不需要学会正确判断空战情况，而是由地面指挥所
来替他们下决心。 这些观点左右了第2代战斗机的设计。
越战及其他局部战争：第2代战斗机在这些局部
拟试验。
飞机部件及整机要做静力试验，以验证飞机的强 度；起落架还要做动力试验。 飞机总装完成以后在试飞前，要做全机地面共振 试验，以确定飞机的颤振特性；还要做各系统及其 综合的机上地面试验以及全机电磁兼容性等机上地
面试验，为放飞前做最后的验证。
飞机在工程研制阶段，即应拟定考核其能否满足
原定战术技术要求的试飞大纲，并且应尽早培训空、
显得更为有利，因此飞机的速度性能比机动性能更
受到重视；单机空战的四要素：高度、速度、机动、
火力；飞机编队作战的规模相当大。战后喷气式发 动机用于战斗机，发展出了第一代喷气式战斗机。
朝鲜战争：技术上的飞速进步并没有对战斗机的
空战产生根本性的影响，战术虽有发展但仍保留了
二战后期的基本特点，只是对飞行员的要求提高了；
展、敌我作战环境等多方面进行充分研究和分析，
是一个精密筹划、精心运筹的过程。正确处理好现
实与未来、应用与开拓的关系，对军机的研制与发
展具有十分重要的意义。
在设计新机时，战术技术要求的论证和确定，直
接影响着新机的前途和使用效能。
新机的战术技术要求不仅取决于本国的战略战术
思想和技术发展，也受敌方战略战术的影响。
1.1.5 生产定型阶段
特别是工艺性的改进。改进后的飞机即进入小批量 生产。 首批生产的飞机也应经鉴定试飞，主要检查工艺 质量，通过后即可进入成批生产。
飞机总体设计报告
飞机总体设计报告
摘要
本文讨论了飞机总体设计的理念、目标与要求，并着重介绍了对飞机
自主导线程、机身构型、发动机、动力传动和控制系统的设计和分析。
在
此基础上，我们对机身结构进行了优化、结构验算、负载分析以及失速特
性的评估。
同时，我们对飞行推进系统进行了考察，并且给出了各个系统
优化的建议，以满足设计要求。
最后，本文总结了整个飞机总体设计流程，并且给出了未来工作的发展方向。
关键词：飞机设计；导线程；机身构型；动力传动；控制系统
一、飞机总体设计理念
飞机总体设计旨在使飞机具备安全可靠、高效低消耗、稳定可操纵的
性能，具有良好的机动性能和航电系统控制功能。
因此，对飞机总体设计
的要求既是优化机体结构与动力传动系统，也是优化系统动力性能、质量
特性、空气动力特性以及系统控制性能。
二、飞机自主导线程
飞机总体设计的主要导线程是安全、可靠、全面考虑。
在总体设计过
程中，必须确保飞机结构能符合机动性能和航电系统控制功能要求，同时
结构的可安全操纵性、可靠性和耐久性也要满足一定要求，以保证飞机机
组在任何操纵状态下都能保持安全飞行。
飞机总体设计介绍
航空宇航学院
飞机总体设计框架
总体设计 = 概念设计 + 初步设计
设计 要求 主要参数计算 发动机选择 布局型式选择 部件外形设计
机身 机翼 尾翼 机身 机翼 尾翼 起落架 进气道 起落架 进气道
分析计算
是否满足 设计要求？ 最优？
重量计算 重量计算 气动计算 气动计算 性能计算 性能计算 结构分析 结构分析
航空宇航学院
结构力学 空气动力学 飞行力学
航空发动机
飞机设计
……
自动控制 工程材料学
航空宇航学院
飞机设计的过程
• 概念设计 (Conceptual Design) • 初步设计 (Preliminary Design) • 详细设计（Detail Design) 1% 人员 9% 人员 90%人员
航空宇航学院
工程设计、分析计算和科学研究
自然规律 输入 系统或元件 输出
给定
输入、自然规律、系统 输出、自然规律、系统 输入、输出、系统 输入、输出、自然规律
求解
输出 输入 自然规律 系统
过程
分析计算 逆分析 科学研究 工程设计
航空宇航学院
飞机设计的含义
• 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。 • 设计要求通常包括： - 性能、载荷和使用要求 - 适航条例和设计规范 - 工艺和生产要求 - 环境要求 - 成本
反复迭代，多轮逼近
设计要求
修改方案
设计方案 计算和试验
评估
否
是否满足要求？ 是否最优？
综合与协调
航空宇航学院
航空宇航学院
91078-飞机总体设计-1. 第一讲-绪论-0303
4
联合课程
❖北航-普渡飞机设计联合课程计划-2012/2013
https:///~crossley/
5
联合课程
“航空航天设计联合课程计划”
......
6
课程安排
❖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
2014 第一讲
飞机总体设计
飞机系 航空科学与工程学院
国家级精品课服务团队
课程负责人 课程组成员
武哲 航空宇航科学与技术学科责任教授
杨超 黄俊 孙康文 罗明强 刘东旭
张云飞 刘虎 李道春 马云鹏 周尧明
助教团队 张夏阳、刘宇轩
1
课程安排
❖课程内容
▪ 课堂讲授 ▪ 专题讲座 ▪ 设计项目 ▪ 课堂展示 ▪ 国际交流
11
方案设计可选题目
❖题目1—未来涡桨飞机（AIAA） ❖题目2—高空长航时无人飞行系统（NASA） ❖题目3—先进布局宽体客机 ❖题目4—先进舰载战斗机 ❖题目5—新型高超声速飞行器
12
方案设计可选题目
❖题目1—未来涡桨飞机
▪ 来 源 ： AIAA2013-2014 大 学 生 团 队 飞 机 设 计 竞 赛 . /DesignCompetitions/
AIAA Education Series, 2010
❖ 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. Introduction to
联合课程
❖北航-普渡飞机设计联合课程计划-2012/2013
https:///~crossley/
5
联合课程
“航空航天设计联合课程计划”
......
6
课程安排
❖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
2014 第一讲
飞机总体设计
飞机系 航空科学与工程学院
国家级精品课服务团队
课程负责人 课程组成员
武哲 航空宇航科学与技术学科责任教授
杨超 黄俊 孙康文 罗明强 刘东旭
张云飞 刘虎 李道春 马云鹏 周尧明
助教团队 张夏阳、刘宇轩
1
课程安排
❖课程内容
▪ 课堂讲授 ▪ 专题讲座 ▪ 设计项目 ▪ 课堂展示 ▪ 国际交流
11
方案设计可选题目
❖题目1—未来涡桨飞机（AIAA） ❖题目2—高空长航时无人飞行系统（NASA） ❖题目3—先进布局宽体客机 ❖题目4—先进舰载战斗机 ❖题目5—新型高超声速飞行器
12
方案设计可选题目
❖题目1—未来涡桨飞机
▪ 来 源 ： AIAA2013-2014 大 学 生 团 队 飞 机 设 计 竞 赛 . /DesignCompetitions/
AIAA Education Series, 2010
❖ 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. Introduction to
《飞机总体设计与系统工程课程》 教学大纲
2周
1.有2.无
课程简介：
本课程是飞机设计专业的专业课。主要讲述飞机总体设计的基本原理和方法，内容包括飞机设计阶段的划分和飞机设计的依据，飞机型式和发动机的选择，飞机主要参数的选择，部件外形设计，进气道与尾喷管的参数选择，飞机的总体布置，客机设计的特点，飞机总体参数优化设计。
先修课程、能力和知识结构要求：
[8]Daniel P. Raymer. Aircraft Design: A Conceptual Approach [M]. AmericanInstituteofAeronauticsand Astronautics, Inc. 1999
[9]中国航空信息中心《世界飞机手册》编写组.世界飞机手册[M]北京：航空工业出版社，2000
课程相关
主要网站
(/ad，/pd-2004)
主要教学方式
理论讲授+实践环节
主要适用专业
飞行器设计与工程
课程组成员：昂海松
姚卫星
余雄庆
徐惠民
罗东明
王宇
负责人（签名）：
2013年5月日
学院意见
教学院长（签名）：
年月日
系意见
系主任（签名）：
年月日
3、自学能力：具有自我阅读理论力学与相关教学参考书的能力。
先修主要课程
空气动力学、航空发动机原理、机械原理和设计、自动控制原理、飞行力学
使用教材
余雄庆．飞机总体设计．航空工业出版社，2000。
参考书目文献
[1]1．丁运亮. 现代飞行器设计的理论与技术. 南京：南京航空航天大学，2004
[2]余雄庆. 飞机隐身设计技术. 南京：南京航空航天大学，1992
计算题，约占20%。
课程教授方法说明：
1.有2.无
课程简介：
本课程是飞机设计专业的专业课。主要讲述飞机总体设计的基本原理和方法，内容包括飞机设计阶段的划分和飞机设计的依据，飞机型式和发动机的选择，飞机主要参数的选择，部件外形设计，进气道与尾喷管的参数选择，飞机的总体布置，客机设计的特点，飞机总体参数优化设计。
先修课程、能力和知识结构要求：
[8]Daniel P. Raymer. Aircraft Design: A Conceptual Approach [M]. AmericanInstituteofAeronauticsand Astronautics, Inc. 1999
[9]中国航空信息中心《世界飞机手册》编写组.世界飞机手册[M]北京：航空工业出版社，2000
课程相关
主要网站
(/ad，/pd-2004)
主要教学方式
理论讲授+实践环节
主要适用专业
飞行器设计与工程
课程组成员：昂海松
姚卫星
余雄庆
徐惠民
罗东明
王宇
负责人（签名）：
2013年5月日
学院意见
教学院长（签名）：
年月日
系意见
系主任（签名）：
年月日
3、自学能力：具有自我阅读理论力学与相关教学参考书的能力。
先修主要课程
空气动力学、航空发动机原理、机械原理和设计、自动控制原理、飞行力学
使用教材
余雄庆．飞机总体设计．航空工业出版社，2000。
参考书目文献
[1]1．丁运亮. 现代飞行器设计的理论与技术. 南京：南京航空航天大学，2004
[2]余雄庆. 飞机隐身设计技术. 南京：南京航空航天大学，1992
计算题，约占20%。
课程教授方法说明：
飞机总体设计：第十八讲：总复习
梁式：单梁、双梁、多梁式 单块式 多腹板式 混合式
1、梁式：
主要结构特点是 纵向有很强的翼梁，蒙皮较薄，长桁较弱，梁
的缘条剖面与长桁剖面相比要大得多。
与机身的连接形式 梁式机翼通常作成两个半机翼，即机翼常在
机身两侧有设计分离面，并就在此分离面处借助几个对接接头与机 身连接。
分类 按翼梁的数量，可分为单梁式、双梁式和多梁式（3-5根
4.工艺要求——主要对应于结构的生产过程
飞机的制造工艺性与飞机的经济性。
3
二.飞机结构设计的原始条件
1. 结构外形和空间协调
2. 结构的外载荷和受力特点
3. 结构的使用条件
结构的使用条件
环境条件 起飞着陆条件
维护、检修条件
4. 结构的生产条件
结构的生 飞机产量：产量-效益和工艺-结构设计 产条件 工厂加工能力：包括设备、人员和工艺等
8
第三章 飞机的外载荷
使用过程中，影响飞机结构强度的主要载荷有： 影响飞机结构强度的主要载荷
飞行中的空气动力
质量力 着陆时的地面冲击力
这章介绍的内容：飞机飞行中的载荷
9
外界作用在飞机上的外力有：
升力 Y 阻力 X 动力装置产生的推力 T 起飞着陆时作用在前、主起落 架的地面反力 Pn 、 Pm 飞机各部分的相互作用力 Ri
➢ 安全系数 f ：强度规范中定义 设计载荷与使用载荷之比，即 f = Pd / Pe
二、安全系数的物理意义：
其物理意义为实际使用载荷增大到多少倍结构才破坏，这个倍数就 是安全系数。
14
Pd = f Pe = f nG
第四章 机翼、尾翼结构分析与设计
一、 机翼的功用与要求
机翼的功用 ➢ 机翼的用途
飞机部件与系统设计-课件-第1讲-绪论
飞机部件与系统设计-课 件-第1讲-绪论
本课程将介绍飞机部件与系统设计的基础知识、设计原则和过程。通过这门 课程，学生将了解飞机部件和系统的分类、功能，以及飞机设计的目标和阶 段。
飞机部件概述
分类
了解飞机部件的不同分类，如机翼、发动机、 起落架等。
功能
探索飞机部件的各项功能和作用，如提供升 力、推动力和降落支撑等。
飞机系统概述
分类
了解飞机系统的不同分类，如动力系统、控制系统和通信系统等。
功能
探索飞机系统的各项功能和作用，如提供动力、控制机动和通信导航等。
飞机设计的基本原理
1 目标
2 原则
了解飞机设计追求的目标，如安全性、经 济性和环境友好性等。
探索飞机设计的基本原则，如重量优化、 结构强度和气动性能等。
飞机设计的过程
1
阶段
了解飞机设计的不同阶段，如概念设计、详细设计和验证验证等。
2
流程
探索飞机设计的典型流程，如需求分析、概念选择和工程实施等。
总结
1 重要概念回顾
2 局限性与出路
回顾本课程中涉及到的一些重要概念和关 键信息。
讨论飞机设计中的局限性，并探讨未来的 发展出路。
参考资料
• XXX教材 • YYY文献 • ZZZ网络资源
本课程将介绍飞机部件与系统设计的基础知识、设计原则和过程。通过这门 课程，学生将了解飞机部件和系统的分类、功能，以及飞机设计的目标和阶 段。
飞机部件概述
分类
了解飞机部件的不同分类，如机翼、发动机、 起落架等。
功能
探索飞机部件的各项功能和作用，如提供升 力、推动力和降落支撑等。
飞机系统概述
分类
了解飞机系统的不同分类，如动力系统、控制系统和通信系统等。
功能
探索飞机系统的各项功能和作用，如提供动力、控制机动和通信导航等。
飞机设计的基本原理
1 目标
2 原则
了解飞机设计追求的目标，如安全性、经 济性和环境友好性等。
探索飞机设计的基本原则，如重量优化、 结构强度和气动性能等。
飞机设计的过程
1
阶段
了解飞机设计的不同阶段，如概念设计、详细设计和验证验证等。
2
流程
探索飞机设计的典型流程，如需求分析、概念选择和工程实施等。
总结
1 重要概念回顾
2 局限性与出路
回顾本课程中涉及到的一些重要概念和关 键信息。
讨论飞机设计中的局限性，并探讨未来的 发展出路。
参考资料
• XXX教材 • YYY文献 • ZZZ网络资源
飞机结构—第一章 绪论
《飞机结构》
第一章 绪论：飞机结构设计概述 ——§2 飞机的研制
二、飞机设计过程
2. 结构设计 1）结构 本课程中，结构指：能承受和传递载荷的系统，即受力结构。 一架飞机的整个结构，包含：机翼、尾翼、机身、发动机短舱、 起落架、操纵系统（机械操纵系统部分）及其他受力结构等部件或 组件结构。 • 部件结构：机翼、机身。 • 组件结构：组成部件的大段结构。 • 构件：很少零件装配而成。 • 元件：零件或构件作为具有一定功用的基本单元。
飞机结构
刘晖
明故宫校区科学馆 302室 Tel：84890755 Email：Liuhui@
飞机结构
飞机的基本组成
1. 飞机结构：
• 机体： －机身（装载、连接） －机翼（产生升力） －尾翼（使飞机具有操纵性与稳定性） • 起落架（起飞、着陆、滑跑） • 发动机（产生推力）
2. 操纵系统 （保证操纵性与稳定性） 3. 机载设备等 （保证飞机可靠控制 与飞行安全）
《飞机结构》
第一章 绪论：飞机结构设计概述 ——§2 飞机的研制
二、飞机设计过程
2. 结构设计 2）结构设计的含义 根据结构设计的原始条件和基本要求，提出方案及进行具 体的部件和零构件设计，进行强度计算和必要的试验，最后绘 出结构图纸，完成相应的技术文件，以使生产单位能根据这些 图纸和技术文件进行生产。
－军用飞机和民用飞机
2. 民用飞机
1） 航线飞机/民用运输机 （用于商业飞行的客机和货机） ①按功能分： 客机 、 货机、客货两用机。 ②按巡航速度： 低（M<0.4） 亚（M=0.4~0.6） 高亚（M=0.6~1） 超（M>1） ③按动力装臵： 活塞、涡桨、涡扇、涡喷 ④按航程： 短（＜2500km）、中（2500~4500km）、远（4500~8000km）、 洲际（>8000km）
总体设计——精选推荐
总体设计⼀．绪论1.飞机研制的⼀般过程。
(1)论证阶段、(2) ⽅案阶段、(3) ⼯程研制阶段、(4) 设计定型阶段、(5) ⽣产定型阶段。
2.飞机设计要求的主要内容；(1) 飞机的类型和基本任务(2) 飞机的有效载荷(3) 飞机的飞⾏性能指标(4) 其他⽅⾯的要求：电⼦对抗、隐⾝、使⽤维护性、使⽤周期、研制进度/经费、使⽤经济性，……。
有时这些要求可能会起到决定性的作⽤。
3.飞机总体设计的特点。
飞机的⾼技术性和复杂性(1) 外形要求严格，⽓动特性良好(2) 重量轻（为减轻飞机的⼀克重量⽽奋⽃）(3) 可靠性、安全性、维修性、寿命等要求⾼(4) 多个专业技术和系统组成的复杂⼯程系统飞机总体设计⼯作的特点(1) 创造性与科学性；(2) 多解性；(3) 反复迭代，逐次（多轮）逼近；(4) 综合与协调。
⼆．空⽓动⼒学与飞⾏⼒学：1.标准⼤⽓；以海平⾯为标准：温度为15度，T=288.15k。
压⼒p=101325.2Pa，空⽓密度ρ=1.22505kg/m3,声速v=340.29m/s.2.⾼、低速空⽓动⼒学基础知识；3. 飞机的主要飞⾏性能；飞⾏速度指标：最⼤速度，巡航速度，失速速度飞⾏⾼度指标：巡航⾼度，升限续航指标：航程，作战半径，最⼤续航时间起飞着陆指标：起飞速度，起飞距离，着陆速度，着陆距离机动性能指标–改变飞⾏⾼度能⼒：爬升率–改变飞⾏速度能⼒：加速性能–改变飞⾏⽅向能⼒：转弯半径4.飞机的稳定性和操纵性。
三．飞机初始参数的确定：（确定飞机参数：原准统计法和统计分析法）1. 主要的飞机总体设计参数；(1) 飞机的正常起飞重量W 0或W TO (或正常起飞质量m 0)；(2) 动⼒装置的海平⾯净推⼒T 0或P 0；(3) 机翼⾯积S 。
由这3个参数可以引出2个相对参数：起飞翼载荷W /S 和起飞推重⽐T /W起飞翼载荷起飞推重⽐2. 起飞重量的构成及估算；在最初阶段，可将起飞重量分为3部分：有效载荷重量、燃油重量和空机重量W p 为有效载荷(含乘员)重量，由设计要求给定；W f 为燃油重量，包括任务燃油(可⽤燃油)、备份燃油(安全余油)及死油三部分；W e 为空机重量，主要包括结构(机体、起落架、操纵系统等)重量、动⼒装置重S W S W p 00/==00/W T W T t ==e f p W W W W ++=0)(eq en st f p W W W W W ++++=量及设备重量三部分。
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2.
D.P. Raymer, Aircraft Design: A Conceptual Approach, AIAA Education Series. 1992.
3.
J. Roskam, Airplane Design, Part Ⅰ- Part Ⅷ, Roskam Aviation and Engineering Corporation, Ottawa,
0
概念设计 初步设计
详细设计
制造/采购
全寿命周期
使用维护 报废
概念设计流程
设计
全机布局设计
发 动分 机系 短统 舱
机身外形初步设计 确定主要参数 发动机选择
机翼外形初步设计 尾翼外形初步设计
总体布置 形成初步方案
设计要求、适航条例
No
优化
满足要求？ 方案最优？
Yes 初 步 方 案
方案分析与评估
重量特性 气动特性 动力特性 性能评估 操稳特性 经济性分析 噪声特性 排放量 可靠性 维修性 机场适应性 ……
12. Nicolai著，赵先宁译，《飞机设计基本原理》，台湾，徐氏基金会，1975年.
飞机设计的三个阶段
• 概念设计 (Conceptual Design) 1% 人员
• 初步设计 (Preliminary Design) 9% 人员
• 详细设计（Detail Design)
90%人员
设计工作特点
• 科学性与创造性
– 构思与分析 – 右脑与左脑
• 非唯一性 • 逐步细化 • 反复迭代，多轮逼近 • 多学科综合与协调
分析
飞机设计工作的主要形式
方案生成
• 尽可能熟悉 多种飞机的 方案特点
• 案例分析 • 团队的力量
– 头脑风暴
方案分析评估
• 定量方法
– 数学模型 – 计算机仿真 – 试验
• 定性方法
– 专家打分
方案优选
• 参数分析 • 敏感度分析 • 试验设计法 • 优化方法
飞机设计应具备的知识与技能
数据与经验 • 数据收集 • 统计分析 • 经验积累
工作内容
• 细化和优化几何外形 - 气动设计、分析与优化
• 初步结构布置 - 结构初步分析与优化
• 多学科分析与优化 • 完整三面图和外形数模 • 飞机总体布置图
方法与手段
输出
• CAD软件（CATIA）
• 全机外形数模 • 完整三面图/总体布置图
• 基于数值仿真的方法－
• 论证报告
CFD、FEM、性能、气动
工程设计、分析计算和科学研究
输入
自然规律 系统或元件
输出
给定 输入、自然规律、系统 输出、自然规律、系统 输入、输出、系统 输入、输出、自然规律
求解 输出 输入 自然规律 系统
过程 分析计算 逆分析 科学研究 工程设计
飞机设计的含义
• 飞机设计是指设计人员应用气动、结构、动力、材料、 自动控制、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。
课程评分内容与方法
• 设计报告 50%
• 笔试
50%
• 得分： 设计报告 + 笔试成绩
• 设计报告评分标准：
– 完整性 – 正确性和合理性 – 清晰性
设计报告内容
• 设计要求拟定 • 飞机构形的确定 • 飞机主要参数计算 • 发动机选择 • 部件外形设计 • 飞机总体布置 • 重量重心计算 • 气动特性分析 • 飞行性能分析计算 • 三面图 • 总结
Kansas,1985
4.
D. Howe, Aircraft Conceptual Design Synthesis, Professional Engineering Publishing Limited, London,
UK, 2000.
5.
Aircraft Design：Synthesis and Analysis, （stanford大学教材）：/aa241/
设计工作的创造性
构思（创造性）： 提出各种各样方案
Creativity: Left Brain—Right Brain
Creative Mind
(Right Brain)
Associative Creative
Creative Synthesis
Features • no rules • uncritical thinking • irrational • illogical • diverge • alternative
8. 余雄庆，徐惠民，昂海松，飞机总体设计，航空工业出版社，2000年。
9. 顾诵芬、解思适等编，飞机总体设计，北京航空航天大学出版社，2001年。
10. 李为吉主编，现代飞机总体综合设计，西北工业大学出版社，2001年。
11. 谢·米·叶格尔[俄]等著，杨景佐、胡传泰等译，《飞机设计》，航空工业出版社，1986年。
飞机总体设计
第一讲 绪论
余雄庆 南京航空航天大学
2012年
内容提要
• 什么是工程设计 • 飞机设计的含义 • 飞机设计的过程 • 飞机设计的特点 • 本课程教学目标 • 课程将如何进行 • 课程的评分方法
什么是工程设计
• 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。
课程如何进行
• 采用“基于问题（项目）的教学”方法
✓ 以解决某飞机总体设计问题为中心，进行“教”与 “学”。
✓ 不仅仅是获取有关飞机总体设计的知识，更重要的是学
会如何应用知识来解决问题。
• 教员
- 讲解总体设计的方法 - 讲解分析和综合方法
• 学生
- 完成设计报告 - 笔试
课程网站
/PD-2004/
➢ 液压系统 ➢ 环控系统 ➢ 起落架系统…… • 详细的重量重心计算 • 强度计算 • 静强度、动强度和寿命试验 • 系统的地面台架试验 • 工装设计
方法与手段
• CAD • CAE（FEM） • 结构优化设计 • 系统可靠性设计 • 试验
输出
• 部件总图、装配图、零 件图
• 各系统总图、装配图、 零件图
方法与手段
• 统计数据 • 经验公式 • 工程估算公式 • 参数敏感分析 • 地毯图 • 总体分析软件 • 总体参数优化软件
输出
• 初步方案的三面图 • 可行性论证报告 • 详细技术要求与目标
初步设计
输入
• 概念设计结果 • 初始方案的外形CAD模型
目标
• 细化、优化概念设计方案 • 确信方案能达到设计求，冻结总体外形。
…… aerodynamics
structure performance
conceptual
preliminary
detail
多学科 综合协调
飞机设计的特点
多轮迭代 逐步细化
飞机总体设计的重要性
总体设计影响全寿命周期成本的85％！
100
95％
影
85％
响
寿 80 命
65％
周
期 60
成
本 的
40
程
度 20
优化、结构优化、多学科 • 全尺寸样机
设计优化软件
• 风洞实验
• 工程样机
- 各种机载设备、各系统、 载荷和结构承力系统
• 方案的进一步评估
详细设计
输入
• 初步设计结果 ➢ 飞机外形数模； ➢ 总体布置（数字样机；全尺寸样机）
目标
• 完成可用于制造加工的细节设计图和技术 文件。
工作内容
• 部件设计和零构件设计 • 各系统的设计
Judicial Mind
(Left Brain)
Analysis
Decision Making
Deductive Analytical
• rigid rules • critical thinking • rational • logical • converge • one answer
反复迭代，多轮逼近
• Engineering design is the translation of some set of functional and aesthetic desires into instructions that could be used to construct an object that satisfies these desires.
修改方案
设计要求 设计方案 计算和试验
评估
否
是否满足要求？
是否最优？
多学科综合
空气动力学
结构力学
飞行力学
航空发动机
飞机设计
……
工程材料学
自动控制
协调
逐步细化
Integrated Multidisciplinary analysis and optimization
Disciplines at greater depth of detail, but on separate tracks
6.
R. D. Schaufele, The Element of Aircraft Preliminary Design, Aries Publications, Santa Ana, California,
2000.
7.
Torenbeek， Synthesis of Subsonic Airplane Design，Delft University Press, 1982.
技
术
储
备
总体设计 =
概念设计 + 初步设计