飛行器創(chuàng)新設(shè)計

1、飛行器創(chuàng)新設(shè)計北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)黃黃 俊俊中國航空學(xué)會中國航空學(xué)會第三屆第三屆“創(chuàng)新杯創(chuàng)新杯”飛行器設(shè)計大賽系列講座飛行器設(shè)計大賽系列講座1、飛行器基本概念、飛行器基本概念2、設(shè)計要求與飛行器設(shè)計、設(shè)計要求與飛行器設(shè)計3、飛行器設(shè)計過程、飛行器設(shè)計過程4、飛行器設(shè)計的特點、飛行器設(shè)計的特點5、數(shù)字化設(shè)計技術(shù)、數(shù)字化設(shè)計技術(shù)6、飛行器的未來發(fā)展、飛行器的未來發(fā)展7、飛行基本原理、飛行基本原理8、飛行器創(chuàng)新設(shè)計、飛行器創(chuàng)新設(shè)計內(nèi)容內(nèi)容 在地球大氣層內(nèi)、外飛行的器械均稱為飛在地球大氣層內(nèi)、外飛行的器械均稱為飛行器行器 飛行器包括航空器和航天器飛行器包括航空器和航天器 通常把火箭和導(dǎo)彈歸

2、屬于航天器的范疇通常把火箭和導(dǎo)彈歸屬于航天器的范疇 火箭是靠火箭發(fā)動機提供推進力的飛行器?；鸺强炕鸺l(fā)動機提供推進力的飛行器。導(dǎo)彈是一種飛行武器，它依靠制導(dǎo)系統(tǒng)來導(dǎo)彈是一種飛行武器，它依靠制導(dǎo)系統(tǒng)來控制其飛行軌跡，目標(biāo)是把高爆彈頭或核控制其飛行軌跡，目標(biāo)是把高爆彈頭或核彈頭送到打擊目標(biāo)附近引爆，并摧毀目標(biāo)彈頭送到打擊目標(biāo)附近引爆，并摧毀目標(biāo) 1、飛行器基本概念、飛行器基本概念 航空器是進行航空活動的主體器具航空器是進行航空活動的主體器具 航空航空是指載人或不載人的飛行器在地球大是指載人或不載人的飛行器在地球大氣層中的航行活動氣層中的航行活動 航空必須具備空氣介質(zhì)和克服航空器自身航空必須具備空

3、氣介質(zhì)和克服航空器自身重量的升力重量的升力 航空器分輕于空氣和重于空氣兩類，重于航空器分輕于空氣和重于空氣兩類，重于空氣的航空器要有產(chǎn)生相對于空氣運動所空氣的航空器要有產(chǎn)生相對于空氣運動所需的推力需的推力 典型航空器包括氣球、飛艇、飛機、直升典型航空器包括氣球、飛艇、飛機、直升機、旋翼機撲翼機等機、旋翼機撲翼機等 航空器航空器航空器（輕于空氣）航空器（輕于空氣）航空器（輕于空氣）航空器（輕于空氣）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 航天器是進行航天活動的主體器具航天器是進行航天活動的主體器具 航天航天是指載人或不載人的航天器在地球大是指載人或不載人的航天器

4、在地球大氣層之外的航行活動，又稱空間飛行或宇氣層之外的航行活動，又稱空間飛行或宇宙航行宙航行 航天的實現(xiàn)必須使航天器克服或擺脫地球航天的實現(xiàn)必須使航天器克服或擺脫地球的引力，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個特征速度天所需的三個特征速度 火箭推進技術(shù)是航天技術(shù)的核心火箭推進技術(shù)是航天技術(shù)的核心 航天器分無人和載人兩類：包括人造地球航天器分無人和載人兩類：包括人造地球衛(wèi)星、空間探測器、載人飛船、空間站和衛(wèi)星、空間探測器、載人飛船、空間站和航天飛機等航天飛機等 航天器航天器航天器航天器人造地球衛(wèi)星 航天器航天器月球探測器 航天器航天器火星探測器 航天器航天

5、器火星探測器 衛(wèi)星式載人飛船 航天器航天器火星探測器 衛(wèi)星式載人飛船 登月式載人飛船 航天器航天器火星探測器 衛(wèi)星式載人飛船 登月式載人飛船 空間站 航天器航天器火星探測器 衛(wèi)星式載人飛船 登月式載人飛船 空間站 航天飛機航天飛機航天器航天器火星探測器 衛(wèi)星式載人飛船 登月式載人飛船 空間站 未來空天飛機未來空天飛機 設(shè)計要求是設(shè)計飛行器的依據(jù)設(shè)計要求是設(shè)計飛行器的依據(jù) 例如：軍用飛機設(shè)計要求也叫戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指例如：軍用飛機設(shè)計要求也叫戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)，一般由飛機的使用單位標(biāo)，一般由飛機的使用單位( (用戶用戶) )提出提出 制定軍用飛機設(shè)計要求要從以下方面考慮：制定軍用飛機設(shè)計要求要從以下方面考慮：

6、未來政治環(huán)境和沖突規(guī)模的估計，壽命周未來政治環(huán)境和沖突規(guī)模的估計，壽命周期費用和承受能力估計，未來敵機發(fā)展估期費用和承受能力估計，未來敵機發(fā)展估計和新技術(shù)的風(fēng)險分析計和新技術(shù)的風(fēng)險分析 戰(zhàn)斗機設(shè)計要求包括：性能、推進系統(tǒng)、戰(zhàn)斗機設(shè)計要求包括：性能、推進系統(tǒng)、重量、綜合航電、武器、其重量、綜合航電、武器、其他（他（rmsa）2 2、設(shè)計要求與飛行器設(shè)計、設(shè)計要求與飛行器設(shè)計 民用飛機的設(shè)計要求一般由飛機制造公司民用飛機的設(shè)計要求一般由飛機制造公司根據(jù)市場調(diào)查和對未來空中交通運輸?shù)陌l(fā)根據(jù)市場調(diào)查和對未來空中交通運輸?shù)陌l(fā)展預(yù)測自行制訂展預(yù)測自行制訂 個別情況下由用戶提出要求個別情況下由用戶提出要求

7、制訂民機設(shè)計要求要綜合考慮以下方面：制訂民機設(shè)計要求要綜合考慮以下方面：世界經(jīng)濟的發(fā)展預(yù)測、空中運輸量、競爭世界經(jīng)濟的發(fā)展預(yù)測、空中運輸量、競爭對手的情況、市場需求量分析與預(yù)測等對手的情況、市場需求量分析與預(yù)測等 民機設(shè)計要求包括：航程、商載、飛行性民機設(shè)計要求包括：航程、商載、飛行性能、其它要求（安全、舒適性能）能、其它要求（安全、舒適性能）2 2、設(shè)計要求與飛行器設(shè)計、設(shè)計要求與飛行器設(shè)計 根據(jù)設(shè)計要求，軍用飛機的設(shè)計要滿足根據(jù)設(shè)計要求，軍用飛機的設(shè)計要滿足設(shè)設(shè)計規(guī)范計規(guī)范，民用飛機設(shè)計必須滿足，民用飛機設(shè)計必須滿足適航性適航性條條例的要求例的要求2 2、設(shè)計要求與飛行器設(shè)計、設(shè)計要求與飛

8、行器設(shè)計 飛行器設(shè)計：綜合利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成果，飛行器設(shè)計：綜合利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成果，以系統(tǒng)工程的方法，用工程語言以系統(tǒng)工程的方法，用工程語言( (圖紙、圖紙、技術(shù)文件、電子文檔技術(shù)文件、電子文檔) )的形式指導(dǎo)飛行器的形式指導(dǎo)飛行器的制造、試驗和使用的制造、試驗和使用 飛行器設(shè)計是飛行器研制過程的重要組成飛行器設(shè)計是飛行器研制過程的重要組成部分和第一個環(huán)節(jié)，也是研究飛行器設(shè)計部分和第一個環(huán)節(jié)，也是研究飛行器設(shè)計理論、方法和設(shè)計過程的一門綜合性技術(shù)理論、方法和設(shè)計過程的一門綜合性技術(shù)學(xué)科學(xué)科 學(xué)科：航空宇航科學(xué)與技術(shù)，飛行器設(shè)計，學(xué)科：航空宇航科學(xué)與技術(shù)，飛行器設(shè)計，飛行器設(shè)計與工程飛行器設(shè)計

9、與工程2 2、設(shè)計要求與飛行器設(shè)計、設(shè)計要求與飛行器設(shè)計3 3、飛行器設(shè)計過程、飛行器設(shè)計過程3 3、飛行器設(shè)計過程、飛行器設(shè)計過程3 3、飛行器設(shè)計過程、飛行器設(shè)計過程3 3、飛行器設(shè)計過程、飛行器設(shè)計過程 作為一種涉及到多個學(xué)科的復(fù)雜工程系統(tǒng)，作為一種涉及到多個學(xué)科的復(fù)雜工程系統(tǒng)，現(xiàn)代飛行器設(shè)計一般具有以下特點現(xiàn)代飛行器設(shè)計一般具有以下特點 科學(xué)性科學(xué)性 創(chuàng)造性創(chuàng)造性 非唯一性非唯一性 反復(fù)迭代，多輪逼近反復(fù)迭代，多輪逼近 綜合與協(xié)調(diào)綜合與協(xié)調(diào)4、飛行器設(shè)計的特點、飛行器設(shè)計的特點科學(xué)性科學(xué)性創(chuàng)造性創(chuàng)造性 非唯一性非唯一性 反復(fù)迭代，多輪逼近反復(fù)迭代，多輪逼近綜合與協(xié)調(diào)綜合與協(xié)調(diào)綜合與協(xié)調(diào)

10、綜合與協(xié)調(diào) 飛行器產(chǎn)品具有外形氣動要求嚴格、設(shè)計飛行器產(chǎn)品具有外形氣動要求嚴格、設(shè)計更改頻繁、產(chǎn)品構(gòu)型眾多、零件材料和形更改頻繁、產(chǎn)品構(gòu)型眾多、零件材料和形狀各異、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間十分緊湊、狀各異、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間十分緊湊、各類系統(tǒng)布置密集以及零組件數(shù)量巨大各類系統(tǒng)布置密集以及零組件數(shù)量巨大 飛行器制造技術(shù)難度大、研制流程長、工飛行器制造技術(shù)難度大、研制流程長、工程艱巨、協(xié)作面廣、管理困難，是需投入程艱巨、協(xié)作面廣、管理困難，是需投入巨額資金的綜合性高技術(shù)產(chǎn)業(yè)巨額資金的綜合性高技術(shù)產(chǎn)業(yè) 數(shù)字化技術(shù)從根本上改變了飛機研制方法，數(shù)字化技術(shù)從根本上改變了飛機研制方法，已成為企業(yè)核心競爭力已成為企

11、業(yè)核心競爭力5、數(shù)字化設(shè)計技術(shù)、數(shù)字化設(shè)計技術(shù)5、數(shù)字化設(shè)計技術(shù)、數(shù)字化設(shè)計技術(shù)5、數(shù)字化設(shè)計技術(shù)、數(shù)字化設(shè)計技術(shù)5、數(shù)字化設(shè)計技術(shù)、數(shù)字化設(shè)計技術(shù)5、數(shù)字化設(shè)計技術(shù)、數(shù)字化設(shè)計技術(shù)5、數(shù)字化設(shè)計技術(shù)、數(shù)字化設(shè)計技術(shù)5、數(shù)字化設(shè)計技術(shù)、數(shù)字化設(shè)計技術(shù)5、數(shù)字化設(shè)計技術(shù)、數(shù)字化設(shè)計技術(shù)5、數(shù)字化設(shè)計技術(shù)、數(shù)字化設(shè)計技術(shù)5、數(shù)字化設(shè)計技術(shù)、數(shù)字化設(shè)計技術(shù)5、數(shù)字化設(shè)計技術(shù)、數(shù)字化設(shè)計技術(shù) 要進行面向未來的飛行器創(chuàng)新設(shè)計，應(yīng)該要進行面向未來的飛行器創(chuàng)新設(shè)計，應(yīng)該對飛行器未來可能的發(fā)展方向有一定的了對飛行器未來可能的發(fā)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 航空器的未來發(fā)展包括：先進

12、戰(zhàn)斗機、無航空器的未來發(fā)展包括：先進戰(zhàn)斗機、無人偵察與無人作戰(zhàn)飛機、大型客機和超音人偵察與無人作戰(zhàn)飛機、大型客機和超音速運輸機、微型航空器、新概念特種航空速運輸機、微型航空器、新概念特種航空器等器等 這些發(fā)展方向可以給同學(xué)們的創(chuàng)新設(shè)計提這些發(fā)展方向可以給同學(xué)們的創(chuàng)新設(shè)計提供一些參考供一些參考 6、飛行器的未來發(fā)展、飛行器的未來發(fā)展航空器未來發(fā)展航空器未來發(fā)展航空器未來發(fā)展航空器未來發(fā)展航空器未來發(fā)展航空器未來發(fā)展航空器未來發(fā)展航空器未來發(fā)展 在新的世紀中，太空將進一步成為國家安在新的世紀中，太空將進一步成為國家安全和國家利益的的重點考慮對象全和國家利益的的重點考慮對象 大力發(fā)展軍事和商業(yè)航天，

13、奪取和保持太大力發(fā)展軍事和商業(yè)航天，奪取和保持太空優(yōu)勢地位，是本世紀超級大國和地區(qū)性空優(yōu)勢地位，是本世紀超級大國和地區(qū)性強國所追求的重要目標(biāo)強國所追求的重要目標(biāo) 航天器的未來發(fā)展包括：低成本的運載工航天器的未來發(fā)展包括：低成本的運載工具、小型人造地球衛(wèi)星、載人航天、空間具、小型人造地球衛(wèi)星、載人航天、空間天文探測等方面天文探測等方面 航天器的未來發(fā)展航天器的未來發(fā)展航天器未來發(fā)展航天器未來發(fā)展航天器未來發(fā)展航天器未來發(fā)展 飛行器要升空飛行，首先必須具有一飛行器要升空飛行，首先必須具有一個用來平衡其自身重量的升力個用來平衡其自身重量的升力 航空器飛行中產(chǎn)生的阻力由發(fā)動機產(chǎn)航空器飛行中產(chǎn)生的阻力由

14、發(fā)動機產(chǎn)生的推力來克服生的推力來克服7、飛行基本原理、飛行基本原理飛機升力的產(chǎn)生飛機升力的產(chǎn)生（1 1）機翼面積的影響）機翼面積的影響 機翼面積越大，則產(chǎn)生的升力就越大機翼面積越大，則產(chǎn)生的升力就越大（2 2）相對速度的影響）相對速度的影響 相對速度越大機翼產(chǎn)生的升力就越大相對速度越大機翼產(chǎn)生的升力就越大（3 3）空氣密度的影響）空氣密度的影響 空氣密度越大，升力也就越大，反之空氣密度越大，升力也就越大，反之當(dāng)空氣稀薄時，升力就變小了當(dāng)空氣稀薄時，升力就變小了（4 4）機翼剖面形狀和翼迎角的影響）機翼剖面形狀和翼迎角的影響影響飛機升力的因素影響飛機升力的因素影響飛機升力的因素影響飛機升力的因素

15、 機翼產(chǎn)生升機翼產(chǎn)生升力的大小與機翼力的大小與機翼剖面形狀有關(guān)。剖面形狀有關(guān)。在一定迎角范圍在一定迎角范圍內(nèi)，升力隨著迎內(nèi)，升力隨著迎角的增大而增大。角的增大而增大。當(dāng)迎角超出此范當(dāng)迎角超出此范圍而繼續(xù)增大時，圍而繼續(xù)增大時，則產(chǎn)生則產(chǎn)生失速現(xiàn)象失速現(xiàn)象影響飛機升力的因素影響飛機升力的因素 翼型和迎角對升力的影響可以通過升力翼型和迎角對升力的影響可以通過升力系數(shù)系數(shù)CyCy表現(xiàn)出來表現(xiàn)出來 總結(jié)以上因素的影響，升力的公式可寫總結(jié)以上因素的影響，升力的公式可寫成（飛機阻力公式的形式完全相同）：成（飛機阻力公式的形式完全相同）：2y1Y=C2V S 飛機的操縱性是指駕駛員通過操縱設(shè)備飛機的操縱性是

16、指駕駛員通過操縱設(shè)備 （如駕駛桿、腳蹬和氣動操縱面等）來改（如駕駛桿、腳蹬和氣動操縱面等）來改變飛機飛行狀態(tài)的能力變飛機飛行狀態(tài)的能力 飛機在空中飛行，可以產(chǎn)生俯仰運動、偏飛機在空中飛行，可以產(chǎn)生俯仰運動、偏航運動和滾轉(zhuǎn)運動航運動和滾轉(zhuǎn)運動 飛機在空中的操縱是通過操縱氣動操縱飛機在空中的操縱是通過操縱氣動操縱面面升降舵、方向舵和副翼來進行的，分升降舵、方向舵和副翼來進行的，分別操縱飛機的三種運動別操縱飛機的三種運動飛機的操縱性飛機的操縱性飛機的操縱性飛機的操縱性飛機的操縱性飛機的操縱性 飛機的穩(wěn)定性是指飛行過程中，如果飛機飛機的穩(wěn)定性是指飛行過程中，如果飛機受到某種擾動而偏離原來的平衡狀態(tài)，在

17、受到某種擾動而偏離原來的平衡狀態(tài)，在擾動消失后，不經(jīng)飛行員操縱，飛機能自擾動消失后，不經(jīng)飛行員操縱，飛機能自動恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)的特性動恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)的特性 飛機飛行時穩(wěn)定性相應(yīng)的可分為縱向穩(wěn)定飛機飛行時穩(wěn)定性相應(yīng)的可分為縱向穩(wěn)定性、方向穩(wěn)定性和橫向穩(wěn)定性性、方向穩(wěn)定性和橫向穩(wěn)定性飛機的穩(wěn)定性飛機的穩(wěn)定性 航天器在空間航行的軌跡稱為軌道航天器在空間航行的軌跡稱為軌道 航天器由運載火箭發(fā)射入軌航天器由運載火箭發(fā)射入軌 在軌道上運行的航天器，絕大部分時間在軌道上運行的航天器，絕大部分時間是在地球引力作用下的無動力慣性飛行，是在地球引力作用下的無動力慣性飛行，從本質(zhì)上它與自然天體的運動一致從本質(zhì)

18、上它與自然天體的運動一致 不同之處是航天器可以在人的控制下，不同之處是航天器可以在人的控制下，實現(xiàn)調(diào)姿、軌道保持、轉(zhuǎn)移軌道、交會、實現(xiàn)調(diào)姿、軌道保持、轉(zhuǎn)移軌道、交會、對接、回收等對接、回收等航天器飛行原理航天器飛行原理軌道方程與宇宙速度軌道方程與宇宙速度 航天器的軌道方程為圓錐曲線航天器的軌道方程為圓錐曲線 圓錐曲線的一般方程為圓錐曲線的一般方程為 其中：其中：r：圓錐曲線的任意一點到焦：圓錐曲線的任意一點到焦點的距離。點的距離。e ：圓錐曲線的偏心率。：圓錐曲線的偏心率。p ：正焦距或半通徑。正焦距或半通徑。f ： r與焦點至近心點與焦點至近心點之間連線的夾角，叫真近點角之間連線的夾角，叫真

19、近點角1cospref軌道方程與宇宙速度軌道方程與宇宙速度 圓錐曲線的類型：圓錐曲線的類型： e=0時，時，r=p，圓錐，圓錐曲線為圓曲線為圓 0e1時，圓錐曲線為時，圓錐曲線為雙曲線雙曲線宇宙速度與航天器軌道宇宙速度與航天器軌道 v=7.91km/s時，為第一宇宙速度，軌道為圓時，為第一宇宙速度，軌道為圓 v=11.8km/s時，為第二宇宙速度，軌道為拋時，為第二宇宙速度，軌道為拋物線，航天器脫離地球軌道物線，航天器脫離地球軌道 v=16.6km/s時，為第三宇宙速度，軌道為雙時，為第三宇宙速度，軌道為雙曲線，航天器飛離地球，最終飛出太陽系曲線，航天器飛離地球，最終飛出太陽系 7.91km/

20、sv11.18km/s時，軌道為橢圓，航時，軌道為橢圓，航天器繞地球飛行天器繞地球飛行 11.8km/sv16.6km/s時，軌道為拋物線，時，軌道為拋物線，航天器脫離地球航天器脫離地球飛機設(shè)計基本步驟飛機設(shè)計基本步驟 設(shè)計要求和設(shè)計規(guī)范是設(shè)計飛機的依據(jù)設(shè)計要求和設(shè)計規(guī)范是設(shè)計飛機的依據(jù) 飛機起飛總重、發(fā)動機推力和機翼面積是飛機起飛總重、發(fā)動機推力和機翼面積是首先要確定的三個主要設(shè)計參數(shù)首先要確定的三個主要設(shè)計參數(shù) 研究現(xiàn)有飛機的起飛推重比（發(fā)動機推力研究現(xiàn)有飛機的起飛推重比（發(fā)動機推力與飛機起飛總重之比）和起飛翼載荷（單與飛機起飛總重之比）和起飛翼載荷（單位機翼面積位機翼面積 的飛機起飛重量

21、的飛機起飛重量:kg/m2） 客機：推重比客機：推重比0.230.40，翼載荷，翼載荷550-750 戰(zhàn)斗機：推重比戰(zhàn)斗機：推重比0.81.1，翼載荷，翼載荷300-500飛機設(shè)計基本步驟飛機設(shè)計基本步驟 例如：我國大飛機，起飛重量例如：我國大飛機，起飛重量150噸噸 取推重比取推重比0. 3，則需要發(fā)動機推力，則需要發(fā)動機推力45噸，可噸，可選兩臺選兩臺23噸推力級發(fā)動機噸推力級發(fā)動機 取翼載荷取翼載荷650 kg/m2 ，則飛機機翼面積為，則飛機機翼面積為230m2 接下來根據(jù)機翼面積去設(shè)計機翼（選擇翼接下來根據(jù)機翼面積去設(shè)計機翼（選擇翼型，確定平面形狀），根據(jù)裝載要求來設(shè)型，確定平面形狀），根據(jù)裝載要求來設(shè)計機身計機身 戰(zhàn)斗機的設(shè)計類似戰(zhàn)斗機的設(shè)計類似8、飛行器創(chuàng)新設(shè)計、飛行器創(chuàng)新設(shè)計 創(chuàng)新設(shè)計概念：前所未有的設(shè)計，代表飛創(chuàng)新設(shè)計概念：前所未有的設(shè)計，代表飛行器未來發(fā)展方