飞行器创新设计
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中国航空学会
第三届“创新杯”飞行器设计大赛系列讲座
飞行器创新设计
北京航空航天大学 黄 俊
内容
1、飞行器基本概念 2、设计要求与飞行器设计 3、飞行器设计过程 4、飞行器设计的特点 5、数字化设计技术 6、飞行器的未来发展 7、飞行基本原理 8、飞行器创新设计
1、飞行器基本概念
5、数字化设计技术
5、数字化设计技术
5、数字化设计技术
5、数字化设计技术
5、数字化设计技术
5、数字化设计技术
5、数字化设计技术
5、数字化设计技术
5、数字化设计技术
5、数字化设计技术
6、飞行器的未来发展
• 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 解，才能做到有的放矢 • 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 速运输机、微型航空器、新概念特种航空 器等 • 这些发展方向可以给同学们的创新设计提 供一些参考
飞机的操纵性
飞机的操纵性
飞机的稳定性
• 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 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 • 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
航天器飞行原理
• 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 • 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， 从本质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， 实现调姿、轨道保持、转移轨道、交会、 对接、回收等
2、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设 计规范，民用飞机设计必须满足适航性条 例的要求
2、设计要求与飞行器设计
• 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(图纸、 技术文件、电子文档)的形式指导飞行器 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 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 学科 • 学科：航空宇航科学与技术，飞行器设计， 飞行器设计与工程
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 • v=11.8km/s时，为第二宇宙速度，轨道为抛 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 曲线，航天器飞离地球，最终飞出太阳系 • 7.91km/s<v<11.18km/s时，轨道为椭圆，航 天器绕地球飞行 • 11.8km/s<v<16.6km/s时，轨道为抛物线， 航天器脱离地球
8、飞行器创新设计
• 四代机F-22 • Super Maneuverability • Supersonic Cruise • Stealth • STOL(Short Take-off and Landing)
8、飞行器创新设计
• • • • • • • • UCAV 远航程 长航时 高隐身 超机动 大载荷 自主飞行 纵深打击
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
航天器的未来发展
• 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 • 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 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 具、小型人造地球卫星、载人航天、空间 天文探测等方面
航天器
人造地球卫星
航天器
月球探测器
航天器
火星探测器
航天器
卫星式载人飞船 火星探测器
航天器
登月式载人飞船
卫星式载人飞船 火星探测器
航天器
登月式载人飞船
空间站 卫星式载人飞船 火星探测器
航天器
登月式载人飞船
航天飞机 空间站 卫星式载人飞船 火星探测器
航天器
登月式载人飞船
空间站 未来空天飞机 卫星式载人飞船 火星探测器
8、飞行器创新设计
• • • • • • • • MAV 尺寸小:15cm 有效载荷 2小时航时 低成本 自主飞行 城市巷战 蜂群攻击
谢谢大家！
• 在地球大气层内、外飞行的器械均称为飞 行器 • 飞行器包括航空器和航天器 • 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。 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 弹头送到打击目标附近引爆，并摧毁目标
航空器
• 航空器是进行航空活动的主体器具 • 航空是指载人或不载人的飞行器在地球大 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 重量的升力 • 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 需的推力 • 典型航空器包括气球、飞艇、飞机、直升 机、旋翼机扑翼机等
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Leabharlann 空器航空器航天器• 航天器是进行航天活动的主体器具 • 航天是指载人或不载人的航天器在地球大 气层之外的航行活动，又称空间飞行或宇 宙航行 • 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 天所需的三个特征速度 • 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 卫星、空间探测器、载人飞船、空间站和 航天飞机等
2、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 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 • 个别情况下由用户提出要求 • 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 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 能、其它要求（安全、舒适性能）
8、飞行器创新设计
• 创新设计概念：前所未有的设计，代表飞 行器未来发展方向的设计 • 创新度与创新设计的限制：可行性 • 创新思维：逻辑思维、形象思维，两者相 辅相存，创新设计需要发散性、联想性思 维，而不是归纳和收敛 • 创新设计方法：沿用式、否定式、内在因 素带动创新
沿用式（渐改式创新）
否定式创新设计
3、飞行器设计过程
3、飞行器设计过程
3、飞行器设计过程
3、飞行器设计过程
4、飞行器设计的特点
• 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 • 科学性 • 创造性 • 非唯一性 • 反复迭代，多轮逼近 • 综合与协调
科学性
创造性
非唯一性
反复迭代，多轮逼近
内在因素带动创新
8、飞行器创新设计
• 创新设计的驱动力：需求、竞争、技术
8、飞行器创新设计
8、飞行器创新设计
• • • • 波音787→7E7 Efficiency Economics Environmantal performance • Extraordinary confort and convenience • E-enabled
影响飞机升力的因素
机翼产生升 力的大小与机翼 剖面形状有关。 在一定迎角范围 内，升力随着迎 角的增大而增大。 当迎角超出此范 围而继续增大时， 则产生失速现象
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 系数Cy表现出来 • 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）：
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 • 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 • 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 位机翼面积 的飞机起飞重量:kg/m2） • 客机：推重比0.23~0.40，翼载荷550-750 • 战斗机：推重比0.8~1.1，翼载荷300-500
2、设计要求与飞行器设计
• 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 标，一般由飞机的使用单位(用户)提出 • 制定军用飞机设计要求要从以下方面考虑： 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 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、 重量、综合航电、武器、其他（rmsa）
1 2 Y= C y V S 2
飞机的操纵性
• 飞机的操纵性是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 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 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 面—升降舵、方向舵和副翼来进行的，分 别操纵飞机的三种运动
轨道方程与宇宙速度
• 航天器的轨道方程为圆锥曲线 圆锥曲线的一般方程为
p r 1 e cos f
其中：r：圆锥曲线的任意一点到焦 点的距离。e ：圆锥曲线的偏心率。p ： 正焦距或半通径。f ： r与焦点至近心点 之间连线的夹角，叫真近点角
轨道方程与宇宙速度
• 圆锥曲线的类型： • e=0时，r=p，圆锥 曲线为圆 • 0<e<1时，圆锥曲线 为椭圆 • e=1且f=180度，圆 锥曲线为抛物线 • e>1时，圆锥曲线为 双曲线
综合与协调
综合与协调
5、数字化设计技术
• 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 状各异、内部结构复杂、空间十分紧凑、 各类系统布臵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 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 • 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
飞机设计基本步骤
• 例如：我国大飞机，起飞重量150吨 • 取推重比0. 3，则需要发动机推力45吨，可 选两台23吨推力级发动机 • 取翼载荷650 kg/m2 ，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 型，确定平面形状），根据装载要求来设 计机身 • 战斗机的设计类似
航天器未来发展
航天器未来发展
7、飞行基本原理
• 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 • 航空器飞行中产生的阻力由发动机产 生的推力来克服
飞机升力的产生
影响飞机升力的因素
（1）机翼面积的影响 机翼面积越大，则产生的升力就越大 （2）相对速度的影响 相对速度越大机翼产生的升力就越大 （3）空气密度的影响 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 （4）机翼剖面形状和翼迎角的影响
第三届“创新杯”飞行器设计大赛系列讲座
飞行器创新设计
北京航空航天大学 黄 俊
内容
1、飞行器基本概念 2、设计要求与飞行器设计 3、飞行器设计过程 4、飞行器设计的特点 5、数字化设计技术 6、飞行器的未来发展 7、飞行基本原理 8、飞行器创新设计
1、飞行器基本概念
5、数字化设计技术
5、数字化设计技术
5、数字化设计技术
5、数字化设计技术
5、数字化设计技术
5、数字化设计技术
5、数字化设计技术
5、数字化设计技术
5、数字化设计技术
5、数字化设计技术
6、飞行器的未来发展
• 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 解，才能做到有的放矢 • 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 速运输机、微型航空器、新概念特种航空 器等 • 这些发展方向可以给同学们的创新设计提 供一些参考
飞机的操纵性
飞机的操纵性
飞机的稳定性
• 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 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 • 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
航天器飞行原理
• 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 • 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， 从本质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， 实现调姿、轨道保持、转移轨道、交会、 对接、回收等
2、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设 计规范，民用飞机设计必须满足适航性条 例的要求
2、设计要求与飞行器设计
• 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(图纸、 技术文件、电子文档)的形式指导飞行器 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 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 学科 • 学科：航空宇航科学与技术，飞行器设计， 飞行器设计与工程
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 • v=11.8km/s时，为第二宇宙速度，轨道为抛 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 曲线，航天器飞离地球，最终飞出太阳系 • 7.91km/s<v<11.18km/s时，轨道为椭圆，航 天器绕地球飞行 • 11.8km/s<v<16.6km/s时，轨道为抛物线， 航天器脱离地球
8、飞行器创新设计
• 四代机F-22 • Super Maneuverability • Supersonic Cruise • Stealth • STOL(Short Take-off and Landing)
8、飞行器创新设计
• • • • • • • • UCAV 远航程 长航时 高隐身 超机动 大载荷 自主飞行 纵深打击
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
航天器的未来发展
• 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 • 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 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 具、小型人造地球卫星、载人航天、空间 天文探测等方面
航天器
人造地球卫星
航天器
月球探测器
航天器
火星探测器
航天器
卫星式载人飞船 火星探测器
航天器
登月式载人飞船
卫星式载人飞船 火星探测器
航天器
登月式载人飞船
空间站 卫星式载人飞船 火星探测器
航天器
登月式载人飞船
航天飞机 空间站 卫星式载人飞船 火星探测器
航天器
登月式载人飞船
空间站 未来空天飞机 卫星式载人飞船 火星探测器
8、飞行器创新设计
• • • • • • • • MAV 尺寸小:15cm 有效载荷 2小时航时 低成本 自主飞行 城市巷战 蜂群攻击
谢谢大家！
• 在地球大气层内、外飞行的器械均称为飞 行器 • 飞行器包括航空器和航天器 • 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。 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 弹头送到打击目标附近引爆，并摧毁目标
航空器
• 航空器是进行航空活动的主体器具 • 航空是指载人或不载人的飞行器在地球大 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 重量的升力 • 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 需的推力 • 典型航空器包括气球、飞艇、飞机、直升 机、旋翼机扑翼机等
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Leabharlann 空器航空器航天器• 航天器是进行航天活动的主体器具 • 航天是指载人或不载人的航天器在地球大 气层之外的航行活动，又称空间飞行或宇 宙航行 • 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 天所需的三个特征速度 • 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 卫星、空间探测器、载人飞船、空间站和 航天飞机等
2、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 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 • 个别情况下由用户提出要求 • 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 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 能、其它要求（安全、舒适性能）
8、飞行器创新设计
• 创新设计概念：前所未有的设计，代表飞 行器未来发展方向的设计 • 创新度与创新设计的限制：可行性 • 创新思维：逻辑思维、形象思维，两者相 辅相存，创新设计需要发散性、联想性思 维，而不是归纳和收敛 • 创新设计方法：沿用式、否定式、内在因 素带动创新
沿用式（渐改式创新）
否定式创新设计
3、飞行器设计过程
3、飞行器设计过程
3、飞行器设计过程
3、飞行器设计过程
4、飞行器设计的特点
• 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 • 科学性 • 创造性 • 非唯一性 • 反复迭代，多轮逼近 • 综合与协调
科学性
创造性
非唯一性
反复迭代，多轮逼近
内在因素带动创新
8、飞行器创新设计
• 创新设计的驱动力：需求、竞争、技术
8、飞行器创新设计
8、飞行器创新设计
• • • • 波音787→7E7 Efficiency Economics Environmantal performance • Extraordinary confort and convenience • E-enabled
影响飞机升力的因素
机翼产生升 力的大小与机翼 剖面形状有关。 在一定迎角范围 内，升力随着迎 角的增大而增大。 当迎角超出此范 围而继续增大时， 则产生失速现象
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 系数Cy表现出来 • 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）：
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 • 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 • 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 位机翼面积 的飞机起飞重量:kg/m2） • 客机：推重比0.23~0.40，翼载荷550-750 • 战斗机：推重比0.8~1.1，翼载荷300-500
2、设计要求与飞行器设计
• 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 标，一般由飞机的使用单位(用户)提出 • 制定军用飞机设计要求要从以下方面考虑： 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 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、 重量、综合航电、武器、其他（rmsa）
1 2 Y= C y V S 2
飞机的操纵性
• 飞机的操纵性是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 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 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 面—升降舵、方向舵和副翼来进行的，分 别操纵飞机的三种运动
轨道方程与宇宙速度
• 航天器的轨道方程为圆锥曲线 圆锥曲线的一般方程为
p r 1 e cos f
其中：r：圆锥曲线的任意一点到焦 点的距离。e ：圆锥曲线的偏心率。p ： 正焦距或半通径。f ： r与焦点至近心点 之间连线的夹角，叫真近点角
轨道方程与宇宙速度
• 圆锥曲线的类型： • e=0时，r=p，圆锥 曲线为圆 • 0<e<1时，圆锥曲线 为椭圆 • e=1且f=180度，圆 锥曲线为抛物线 • e>1时，圆锥曲线为 双曲线
综合与协调
综合与协调
5、数字化设计技术
• 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 状各异、内部结构复杂、空间十分紧凑、 各类系统布臵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 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 • 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
飞机设计基本步骤
• 例如：我国大飞机，起飞重量150吨 • 取推重比0. 3，则需要发动机推力45吨，可 选两台23吨推力级发动机 • 取翼载荷650 kg/m2 ，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 型，确定平面形状），根据装载要求来设 计机身 • 战斗机的设计类似
航天器未来发展
航天器未来发展
7、飞行基本原理
• 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 • 航空器飞行中产生的阻力由发动机产 生的推力来克服
飞机升力的产生
影响飞机升力的因素
（1）机翼面积的影响 机翼面积越大，则产生的升力就越大 （2）相对速度的影响 相对速度越大机翼产生的升力就越大 （3）空气密度的影响 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 （4）机翼剖面形状和翼迎角的影响