91078-飞机总体设计-1. 第一讲-绪论-0303
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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
78.7cm。每位乘客加行李重量102kg； （2）经济航程：740km，设计时应考虑适当的燃油余量； （3）90%载荷时（67名乘客），静风航程大于2960km； （4）起飞和着陆。海平面、最大起飞重量下可使用
1370m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。
❖题目4—先进舰载战斗机
➢ 4.2 性能要求
（2）最大飞行速度：Ma 2.2（标准内油，无武装） （3）最大航程：3000km（最大内油，无武装） （4）巡航高度：11000m （5）实用升限：19000m （6）起飞：滑跃起飞，海平面标准条件下，短点起飞距
离110m，长点起飞距离200m； （7）降落：可用距离100m。
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 . http://www.aiaa.org/DesignCompetitions/
2006.
（89年版的中译本：《现代飞机设计》,1992）
❖ Roskam, J. Airplane Design. 1985.
❖ Nicolai, L. and Carichner, G., Fundamentals of Aircraft and
Airship Design: Volume 1 – Aircraft Design, Revised Edition,
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
32
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
33
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
▪ 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
意见与建议
办公室：科研南1号楼301 （刘虎） 一号楼310（孙康文）
Tel: 010-82339801 / 82338049 E-mail: aircraftdesign@126.com
30
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. Aircraft Design: A Conceptual Approach, 4rd,
▪ 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！
7
课程安排
❖历年优秀设计作品展示
课程安排与评分方式
❖历年优秀设计作品展示 – 2013年度
✓aero.buaa.edu.cn
评分方式
❖评分方式 ▪ 总分 ＝ 平时成绩＋期末笔试
100％ ＝ 50％ ＋ 50％
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5—新型高超声速飞行器
➢ 5.1 设计对象：一种可空间再入、中空高速机动、
低空滑翔着陆、可重复使用的新型无人飞行器；
➢ 5.2 飞行过程概述：可从100km高度的空间轨道再
入大气层，减速至60km高度，在20km-60km的临近 空间高度依靠空气动力以Ma10以上飞行速度可控飞行、 变高度和偏航机动、大范围转场，可在20km以下高度 无动力/间断动力滑翔着陆。
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
Aeronautics: A Design Perspective. 2nd Edition, 2004.
❖ 方宝瑞. 飞机气动布局设计. 1997.
❖ Mattingly, J. D., Heiser, W. H., and Daley, D. H. Aircraft
Engine Design. 2nd Edition, 2003.
31
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 设计中的团队协作
基本参数，绘制详细的飞行包线。
方案设计内容与要求
❖三个阶段评审 SRR SDR CoDR
▪ 系统需求评审System Requirements Review (SRR) • 明确所设计的飞机所在细分市场的需求 • 这一市场现有的飞机型号、数量、主要性 能，包括航程、载客数、运营成本等 • 对设计要求进行细化和完善，补充升限、 起降滑跑距离等 • 2-3个概念草图 • ……
＊设计小组
• 平时成绩 ＝ 课程项目 + 考勤 50％ ＝ 40％ + 10%
10
评分方式
（1）简报与总报告的规范性 2
课程项目（40%）
（2）展示和表达能力 （3）团队协作能力 （4）设计工作量 （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
总决赛将评出前3名的优秀设计小组
* 特别提示：第一名与第二名的“特殊荣誉” * 27
注意事项
❖分组名单 ▪ 第2周周三晚上24点前交分组名单，明确 各组组长、成员及所选题目（根据模板 填写） ▪ 各班班长或学习委员负责将本班名单的 电子版发送至
aircraftdesign@126.com
▪ 第2周周五确认名单
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://aero.buaa.edu.cn
102kg；货仓容量150m³。 （3）满载航程。满载航程应大于10000km，设计时注意
燃油余量。 （ 4 ） 巡 航 Ma 0.82-0.95 ， 最 大 巡 航 海 拔 高 度 9000m-
13000m。 （5）起飞和着陆：可使用当前通用机场涡扇喷气客机跑
道进行起降。
方案设计可选题目
❖题目4—先进舰载战斗机
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
方案设计可选题目
❖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 http://aero.larc.nasa.gov/university-contest/
▪ 背景：研究人员一直在使用全球鹰型无人机进行飓风季 节大气数据的采集，通过这些数据来优化计算机大气模 型。但全球鹰的持续航时仅有 24小时，难以满足长期数 据采集要求。因而需要设计出新一代的具有更长续航能 力的无人飞行系统。
28
注意事项
❖小组人员分工参考：
▪ 组长（协调、整理报告等） 1
▪ 数据收集与分析
1~2
▪ 方案确定
所有成员
▪ 绘图、CAD、数据转换
2~3
▪ 参数选择
1~2
▪ 重量估算
1
▪ 气动估算
1
▪ 性能估算
1~2
▪ 经济性与环保性
1~2
▪ “兼职记者”
1
29
获取课件及通知
designcourse@163.com (Password: design2012) ————————————————
26
注意事项
❖展示与讨论课初步安排
▪ 2013年： 淘汰赛第一轮 SRR + 淘汰赛第二轮 SDR + 复活赛 SDR + 决赛 CoDR
▪ 2014年： ▪ 分区预选赛 +总决赛 ▪ 每个教学班约6个小组，按照 SRR（网评） 、 SDR （网评+现场） 、 CoDR （网评+现场） 三个阶段的总分，前两名进入总决赛（现场）
方案设计可选题目
❖题目5—新型高超声速飞行器
➢ 5.3 设计要求
（1）提出清晰的设计思路，描述方案的基本特点； （2）调研并选择典型的发动机或发动机组合； （3）完成飞行器总体布局设计； （4）完成飞行器分系统分解和基本描述； （5）完备的几何描述，绘制高质量的渲染图、三视图； （6）估算飞行器气动、重量及重心变化、速度、航程等
方案设计可选题目
❖题目2—高空长航时无人飞行系统
➢ 2.1 性能要求
巡航速度 m/s
巡航高度 km
航时
天
载荷
kg
载荷功率 kw
最小值 77 18 7 4 9
目标值 128 21 10+ 6 15
方案设计可选题目
❖题目2—高空长航时无人飞行系统
➢ 2.2 载荷要求
投式探空仪 投放机
投式探空仪 干涉仪
10×10×5 2.5×2.5×2.5
方案设计可选题目
❖题目3—先进布局宽体客机
➢ 背景：大型飞机多采用宽体布局设计，以达到更大载 客数量和更好的乘客体验；宽体客机的布局也在不断 发展。我国未来的新布局宽体客机会是什么形式呢？
方案设计可选题目
❖题目3—先进布局宽体客机
➢ 基本设计要求
（1）布局要求：宽体机身设计，客舱双/多通道布局。 （ 2） 载 荷 能 力 ： 300名乘客 ， 每位乘客和行李总重量
25
方案设计内容与要求
❖三个阶段评审 SRR SDR CoDR
▪ 概念设计评审Conceptual Design Review (CoDR)
• 最终的设计要求 • 全机外形参数、三维模型 • 全机整体布置，含机舱、结构、起落架、动力系
统、有效载荷等 • 重量、气动、飞行性能等 • 成本、环保性的评估 • 现对于现有同类型飞机的优势 • ……
➢ 4.1 基本要求
（1）载荷能力： ➢ 乘员1人； ➢ 正常状态下利用内置弹舱可携带4枚90kg级近距空空 弹+4枚200kg级中距空空导弹+1枚500kg对地攻击制 导弹药； ➢ 利用外挂点可增加1枚800kg级反舰导弹/4枚200kg中 距空空导弹，具体尺寸等参数可查找文献。
方案设计可选题目
4பைடு நூலகம்
联合课程
❖北航-普渡飞机设计联合课程计划-2012/2013
https://engineering.purdue.edu/~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
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
78.7cm。每位乘客加行李重量102kg； （2）经济航程：740km，设计时应考虑适当的燃油余量； （3）90%载荷时（67名乘客），静风航程大于2960km； （4）起飞和着陆。海平面、最大起飞重量下可使用
1370m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。
❖题目4—先进舰载战斗机
➢ 4.2 性能要求
（2）最大飞行速度：Ma 2.2（标准内油，无武装） （3）最大航程：3000km（最大内油，无武装） （4）巡航高度：11000m （5）实用升限：19000m （6）起飞：滑跃起飞，海平面标准条件下，短点起飞距
离110m，长点起飞距离200m； （7）降落：可用距离100m。
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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 . http://www.aiaa.org/DesignCompetitions/
2006.
（89年版的中译本：《现代飞机设计》,1992）
❖ Roskam, J. Airplane Design. 1985.
❖ Nicolai, L. and Carichner, G., Fundamentals of Aircraft and
Airship Design: Volume 1 – Aircraft Design, Revised Edition,
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
32
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
33
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
▪ 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
意见与建议
办公室：科研南1号楼301 （刘虎） 一号楼310（孙康文）
Tel: 010-82339801 / 82338049 E-mail: aircraftdesign@126.com
30
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. Aircraft Design: A Conceptual Approach, 4rd,
▪ 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！
7
课程安排
❖历年优秀设计作品展示
课程安排与评分方式
❖历年优秀设计作品展示 – 2013年度
✓aero.buaa.edu.cn
评分方式
❖评分方式 ▪ 总分 ＝ 平时成绩＋期末笔试
100％ ＝ 50％ ＋ 50％
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5—新型高超声速飞行器
➢ 5.1 设计对象：一种可空间再入、中空高速机动、
低空滑翔着陆、可重复使用的新型无人飞行器；
➢ 5.2 飞行过程概述：可从100km高度的空间轨道再
入大气层，减速至60km高度，在20km-60km的临近 空间高度依靠空气动力以Ma10以上飞行速度可控飞行、 变高度和偏航机动、大范围转场，可在20km以下高度 无动力/间断动力滑翔着陆。
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
Aeronautics: A Design Perspective. 2nd Edition, 2004.
❖ 方宝瑞. 飞机气动布局设计. 1997.
❖ Mattingly, J. D., Heiser, W. H., and Daley, D. H. Aircraft
Engine Design. 2nd Edition, 2003.
31
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 设计中的团队协作
基本参数，绘制详细的飞行包线。
方案设计内容与要求
❖三个阶段评审 SRR SDR CoDR
▪ 系统需求评审System Requirements Review (SRR) • 明确所设计的飞机所在细分市场的需求 • 这一市场现有的飞机型号、数量、主要性 能，包括航程、载客数、运营成本等 • 对设计要求进行细化和完善，补充升限、 起降滑跑距离等 • 2-3个概念草图 • ……
＊设计小组
• 平时成绩 ＝ 课程项目 + 考勤 50％ ＝ 40％ + 10%
10
评分方式
（1）简报与总报告的规范性 2
课程项目（40%）
（2）展示和表达能力 （3）团队协作能力 （4）设计工作量 （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
总决赛将评出前3名的优秀设计小组
* 特别提示：第一名与第二名的“特殊荣誉” * 27
注意事项
❖分组名单 ▪ 第2周周三晚上24点前交分组名单，明确 各组组长、成员及所选题目（根据模板 填写） ▪ 各班班长或学习委员负责将本班名单的 电子版发送至
aircraftdesign@126.com
▪ 第2周周五确认名单
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://aero.buaa.edu.cn
102kg；货仓容量150m³。 （3）满载航程。满载航程应大于10000km，设计时注意
燃油余量。 （ 4 ） 巡 航 Ma 0.82-0.95 ， 最 大 巡 航 海 拔 高 度 9000m-
13000m。 （5）起飞和着陆：可使用当前通用机场涡扇喷气客机跑
道进行起降。
方案设计可选题目
❖题目4—先进舰载战斗机
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
方案设计可选题目
❖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 http://aero.larc.nasa.gov/university-contest/
▪ 背景：研究人员一直在使用全球鹰型无人机进行飓风季 节大气数据的采集，通过这些数据来优化计算机大气模 型。但全球鹰的持续航时仅有 24小时，难以满足长期数 据采集要求。因而需要设计出新一代的具有更长续航能 力的无人飞行系统。
28
注意事项
❖小组人员分工参考：
▪ 组长（协调、整理报告等） 1
▪ 数据收集与分析
1~2
▪ 方案确定
所有成员
▪ 绘图、CAD、数据转换
2~3
▪ 参数选择
1~2
▪ 重量估算
1
▪ 气动估算
1
▪ 性能估算
1~2
▪ 经济性与环保性
1~2
▪ “兼职记者”
1
29
获取课件及通知
designcourse@163.com (Password: design2012) ————————————————
26
注意事项
❖展示与讨论课初步安排
▪ 2013年： 淘汰赛第一轮 SRR + 淘汰赛第二轮 SDR + 复活赛 SDR + 决赛 CoDR
▪ 2014年： ▪ 分区预选赛 +总决赛 ▪ 每个教学班约6个小组，按照 SRR（网评） 、 SDR （网评+现场） 、 CoDR （网评+现场） 三个阶段的总分，前两名进入总决赛（现场）
方案设计可选题目
❖题目5—新型高超声速飞行器
➢ 5.3 设计要求
（1）提出清晰的设计思路，描述方案的基本特点； （2）调研并选择典型的发动机或发动机组合； （3）完成飞行器总体布局设计； （4）完成飞行器分系统分解和基本描述； （5）完备的几何描述，绘制高质量的渲染图、三视图； （6）估算飞行器气动、重量及重心变化、速度、航程等
方案设计可选题目
❖题目2—高空长航时无人飞行系统
➢ 2.1 性能要求
巡航速度 m/s
巡航高度 km
航时
天
载荷
kg
载荷功率 kw
最小值 77 18 7 4 9
目标值 128 21 10+ 6 15
方案设计可选题目
❖题目2—高空长航时无人飞行系统
➢ 2.2 载荷要求
投式探空仪 投放机
投式探空仪 干涉仪
10×10×5 2.5×2.5×2.5
方案设计可选题目
❖题目3—先进布局宽体客机
➢ 背景：大型飞机多采用宽体布局设计，以达到更大载 客数量和更好的乘客体验；宽体客机的布局也在不断 发展。我国未来的新布局宽体客机会是什么形式呢？
方案设计可选题目
❖题目3—先进布局宽体客机
➢ 基本设计要求
（1）布局要求：宽体机身设计，客舱双/多通道布局。 （ 2） 载 荷 能 力 ： 300名乘客 ， 每位乘客和行李总重量
25
方案设计内容与要求
❖三个阶段评审 SRR SDR CoDR
▪ 概念设计评审Conceptual Design Review (CoDR)
• 最终的设计要求 • 全机外形参数、三维模型 • 全机整体布置，含机舱、结构、起落架、动力系
统、有效载荷等 • 重量、气动、飞行性能等 • 成本、环保性的评估 • 现对于现有同类型飞机的优势 • ……
➢ 4.1 基本要求
（1）载荷能力： ➢ 乘员1人； ➢ 正常状态下利用内置弹舱可携带4枚90kg级近距空空 弹+4枚200kg级中距空空导弹+1枚500kg对地攻击制 导弹药； ➢ 利用外挂点可增加1枚800kg级反舰导弹/4枚200kg中 距空空导弹，具体尺寸等参数可查找文献。
方案设计可选题目
4பைடு நூலகம்
联合课程
❖北航-普渡飞机设计联合课程计划-2012/2013
https://engineering.purdue.edu/~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