01 飞行器设计 —— 一门独立的学科

01 飞行器设计 —— 一门独立的学科

• 01 引言
• 02 飞机设计概述
• • 2-1 什么是飞机设计？
  • 2-1 飞机设计是从哪里开始的？
  • 2-2 如何成为一名飞机设计师？
  • 2-4 本书的组织
• 参考文献

说明：关于Raymer的《Aircraft Design》的读书笔记；

01 引言

飞机设计是一个极具挑战、回报丰厚、充满乐趣的职业。从初始布局方案到系统优化和成本估算，新的飞行器概念涉及到几十种不同的活动、不同的专业。这些活动可以划分为飞机设计的两个同等重要的方面：布局设计和设计分析。虽然有些人两方面工作都会做，但在大多数情况下这两种类型的工作吸引了不同类型的人。有些人喜欢与数字和电脑打交道，而有些人却喜欢在纸上涂鸦。

这本书对飞机设计的这两个方面进行了一个平衡的概述，将两者整合在一起并以在主流航空航天公司的飞机设计项目中可以看到的形式展示出来。无论你倾向于飞机设计的哪一方面，这本书都会邦你开始，并将为你的整个职业生涯提供参考。

飞机设计依赖于可靠的数值计算，但实际最终建造的是图纸或CAD文件上显示的布局方案。它的创建不是基于分析结果完成的简单任务，而是整个设计过程的关键要素，最终决定了飞机的性能，重量和成本。坦率地说，如果你没有一个好的图纸，就谈不上飞机设计。书名中提到的“概念性方法”是指围绕真实概念布局的设计过程。

很难想象和画出一架具有流线型空气动力学外形和高效内部布局的新飞机，同时满足大量现实世界的约束和设计规范。飞机布局概念设计是一项难得的才能，需要多年的培养。虽然在某种程度上，优秀的设计师是“天生的，而不是制造的”，但飞机布局设计中经过验证的方法和最佳实践可以教授，本书的前半部分涵盖了这些内容。这些方法适用于传统的桌面绘图和现代计算机辅助设计。

同样，如果没有分析结果的支持，一幅好的飞机图纸就什么都不是，如果采用巧妙的优化方法，它将是一个更好的设计。因此，一个好的设计师或设计团队必须在布局设计和设计分析之间找到一个适当的平衡。本书的后半部分将介绍分析和优化方法以便让你知道设计是否有效，是否符合设计要求，以及你如何在下一幅画中做得更好。

02 飞机设计概述

2-1 什么是飞机设计？

•飞机概念设计是一项专业技能，不仅仅是绘图和CAD，或计算和优化。
•学生应该像学习其他技能一样，一步一步地学习。
•本书旨在做到这一点，适合学术界，但遵循行业实践。

飞机设计是航空工程的一门独立学科，不同于空气动力学、结构、控制和推进等分析学科。虽然飞机设计师需要精通这些子专业和许多其他专业，但实际上除了最小的公司，设计师几乎不会花时间进行这样的分析。相反，设计师的时间花在了“设计”上，即创造出要制造的飞行器的几何描述。

对于外行来说，“设计”看起来很像“画图纸”。设计师的产品是一幅图纸，设计师整天蜷缩在绘图桌或电脑前。然而，设计师的真正工作大多是脑力劳动。

如果设计师很有才华，那么就会存在比图纸上看到的更多的东西。一个好的飞机设计似乎奇迹般地通过了专家随后的评估，而不需要进行重大修改。不知怎的，起落架很合适，燃料箱接近重心，结构件简单轻便，整体布置具有良好的空气动力学性能，发动机安装简单而干净，许多类似的细节似乎都到位了。

这并非偶然，而是设计师大量积累知识和努力工作的结果。这本书主要是为了提供基本的工具和概念，以产生能够在最小改动下通过详细评估良好的设计。

设计不止是画出布局方案，设计还取决于许多计算，这些计算决定了应该设计什么，以及应该如何修改设计以更好地满足设计需求。在一个小公司，布局设计与计算分析可能是由一个人完成的。但在较大的公司，飞机分析是由尺寸和性能专家在空气动力学、重量、推进、稳定性和其他技术专业专家的协助下完成。

本书试图平衡布局设计和布局分析，将它们联系在一起，并以与行业实践一致的方式呈现它们。

设计：创造要制造的东西的几何描述。

2-1 飞机设计是从哪里开始的？

那些参与设计的人永远无法就设计过程从哪里开始达成一致。设计师认为这是从一个新的飞机概念开始的；而尺寸专家知道，在对重量进行初步估计之前，什么都不能开始；而无论是民用还是军用，客户都认为设计是从需求开始的。

他们都是对的。设计在较低的复杂程度上从所有这些同时开始，然后随着越来越复杂的方法被采用，通过不断迭代得到解决方案。设计的迭代性表现在图1.1的“设计轮”中：根据最初进行的飞机尺寸计算，进行概念设计以满足最初设想的需求。对这个概念设计进行分析，如空气动力学和性能计算，而分析结果用于对飞机尺寸的权衡和优化，这将导致概念设计的修改，甚至可能导致需求的更改，从而找到一个更具成本效益的解决方案，以满足客户的实际需求。

然后根据所认识到的一切对概念设计进行修改，轮子一遍又一遍地转动，直到出现一个基于当前平衡的一组需求的平衡的设计方案。从某种意义上说，你在设计飞机的时候就“设计”了需求，这两者相互影响。

这是飞机设计的学生必须吸收的最重要的一课。飞机设计是一个迭代的过程。一个人不能只是画一个看起来很整洁的飞行器初始概念方案(“第一轮方案”)，分析它的航程和性能，然后就停在那里。你应该利且第一轮设计中学到的东西，对设计进行判断和计算优化，找出需要改进的地方，然后再进行第二轮设计……再来一次，也许再来一次!

一个特定的飞机设计项目可以以几乎和飞机设计一样多的方式开始。原创设计的人从一个梦想和渴望开始，让他们自己设计的东西飞起来。对他们来说，性能、航程和有效载荷的确切细节远没有从一张白纸到最后在机场最喜欢的餐厅里爬出来的疯狂想法重要:“实际上，这是我自己设计的。”大多数飞机设计确实从规定的要求开始，但最初这些要求相当模糊，基本上相当于军事设计的“赢得战争”，或者民用设计的“赚钱”。它需要经历一个漫长而费力的过程和大量的迭代，直到出现一组“干净”的需求，且这个过程最好与满足这些需求的设计布局的演变并行进行，由专家完成。这为需求定义注入了现实性，即使最终没有对该设计投入制造。

新的飞机设计项目通常在飞机公司开始，而不是在客户社区。航空公司通常不会就新客机的需求与波音或空客联系。相反，波音和空客不断努力确定市场需求。当他们认为自己找到了正确的市场需求后，他们就设计一架飞机，并联系航空公司试图引起他们的兴趣。

在军事领域，虽然各个军事部门确实有研究未来航空航天需求的设计办公室，但他们很少会在不与飞机公司密切合作的情况下确定需求并制定详细的需求清单。根据笔者的经验，公司更常见的做法是获得最初的想法，做一些设计研究，然后把它们带到潜在的军事客户那里。当然，一个大型新飞机项目的需求最终来自军方客户，但只有在整个飞机设计公司做了大量工作之后。

从来没有真正从事过飞机设计工作的人有一个普遍的误解——外人可以提出一个设计概念，然后把它卖给别人。他们认为，他们自己对某些任务需求的识别，就像更好的捕鼠器一样，会让客户挤到他们的门前。事情不是这样的，即使有人能说服一些公司或军事办公室，某个设计概念确实有价值，他们也会自己去研究它，看看具有这些功能的设计是否真的是可取的，那是他们的工作。如果觉得值得，他们就会制定一套任务要求，可能会根据他们自己的认识对其进行修改。他们不是购买外人的设计，而是开发自己的设计概念，或者给出合同以对他的设计进行研究和改进。“局外人”提交一份比大型飞机公司更好的提案的几率微乎其微，即使有一家小企业被排除在外。

这并不是说“外部人员”没有作用或没有机会获得设计项目的资金。他们只需要了解这个过程是如何运作的，并意识到没有人会从他们那里购买完整的概念设计。除非他们有足够的钱来自己设计，否则他们必须根据客户的需求开发设计概念，然后让客户相信他们的设计最能满足这些需求——他们可以制造、试飞、生产和提供支持。

并非所有飞机都是为军事或商业用途而设计的。一些最著名的飞机，从第一架开始，都是为了概念验证和实验研究而设计的。比如“X”系列飞机，该项目的目的是验证整体设计方法或验证和发展某些技术。只有当航程和性能影响到所进行的研究时，它们才是重要的。对于这样的项目，设计工作的早期部分集中在控制成本和完全“实践”新概念或技术的能力之间的权衡。一个廉价的设计证明不了什么，但一个昂贵的设计可能永远不会被制造。X-31飞行器是这些权衡的一个经典例子，在确定“最佳点”和验证设计概念之前，作者花了很多时间来领导这种成本与验证能力的权衡研究。

最后，有些飞机只是为了好玩而设计的。这没什么不好的!

2-2 如何成为一名飞机设计师？

很多航空工程专业的学生梦想成为飞机设计师，但很少有人实现梦想。主流飞机公司的先进设计部门都不是很大，较小的公司甚至可能没有专门的团队来开发新飞机。在新飞机概念设计领域，无论是入门级还是其他级别，都没有那么多工作。

但我们不是基于对职业选择的理性分析而进入飞机设计的。我们这么做是因为我们太爱它了，所以我们必须这么做。对于那些渴望成为飞机设计师的人来说，不要放弃! 这不容易，但也不是不可能。

如果你遵循一些简单的建议，你的机会就会最大。学会飞行，或者至少通过联邦航空局私人飞行员笔试。飞行模型飞机，尤其是你自己的原创设计。学会焊接和操作基本的机床，学会用复合材料制造东西。精通计算机辅助设计(CAD)。

去最好的工程大学，有很好的飞机设计课程和以设计为导向的教授。取得好成绩，并学习广泛的航空工程科目，包括空气动力学，结构，控制和推进。做一些独立学习的设计项目，如果可能的话还可以获得风洞经验。参加AIAA学生设计竞赛并赢得它。

你可能会在大型航空航天公司或像美国国家航空航天局这样的政府机构，或与他们签订合同的小型工程公司获得暑期实习或勤工俭学的职位。有前途的实习生在毕业时得到一份真正的工作是很常见的，因为他们的真实工作能力是众所周知的，所以薪水通常会略高。

还有一个建议——确保你在某一技术专业上了足够多的课程，这样，如果所有这些都失败了，你可以“重新定位”你的简历，以获得除飞机设计以外的第一份工作。一旦进入航空航天公司，你就可以建立自己的声誉，并开始争取调动。

如果你希望成为一名飞机设计师，你可能会喜欢我的书《生活在未来——高级飞机设计师的教育和冒险》，这是一本非技术书籍，一半是传记，一半是作者工作项目的内部历史。这些项目范围从X-31到BQM-177，包括早期参与的F-22、B-2、F-35、T-45等项目。彼得·加里森在《飞行杂志》的技术专栏(2010年11月)中说:“这本书是各种各样的东西的大自助餐……它提供了一个人类生活的特写镜头，在这个古怪的、看起来不像洛克威尔和洛克希德的世界里。”诺斯罗普YF-23的首席配置设计师J·达罗德·卡明斯(J Darold Cummings)说:“如果丹的飞机设计教科书涵盖了飞机设计领域的‘精神’，那么这本配套书涵盖了悲情、温暖、讽刺、快乐、沮丧、回报、痛苦，以及作为一名飞机设计师的纯粹禅宗经历。”一般的网上书商都可以买到。

2-4 本书的组织

《飞机设计：概念性方法》描述了从一组给定需求出发，开发一个可靠的飞机概念设计的过程。它的结构特意模仿了在大型航空公司进行典型“真实”设计项目时所遵循的实际设计步骤。书的前半部分从初始需求定义、尺寸确定和初步几何选择开始，然后继续进行配置布局，包括对需求、空气动力学、结构、推进系统和许多子系统的考虑。书的后半部分涵盖了概念分析和设计优化，强调在下一次迭代中如何改进设计。

这本书有24章。第2章和第3章提供了设计过程的总体介绍。第2章讨论了概念设计过程是如何工作的，以及它如何适应飞机开发的整体过程。第3章介绍了一个设计案例 ，使读者熟悉设计的基本概念，包括设计布局、分析、起飞重量估计和权衡研究。

在第4-11章中，介绍了开发初始布局的技术。这些包括概念草图、初始尺寸、机翼几何形状选择、放样、舱内布局、推进系统集成、机组人员站、有效载荷/乘客舱、燃料系统和起落架。还讨论了对可观察性、可生产性和可支持性的考虑。

虽然书中有时会使用术语，好像设计是在绘图桌上完成的，但应该理解的是，今天大多数飞机设计工作都是在计算机辅助设计系统上完成的。无论是在绘图桌上还是在计算机范围内，都使用相同的基本设计技术。

第12-18章详细分析了最终的设计布局。不同的章节讨论空气动力学，重量，安装推进特性，稳定性和控制，性能，成本和尺寸。分析技术被简化到足以让学生在一门课程中体验整个设计过程。

没有教科书能包含工业中实际使用的方法，这些方法往往是专有的和高度计算机化的。本文提出的方法是充分的，并对大多数类别的飞机都能给出合理的结果。事实上，它们足以用来检查复杂的计算方法的结果，如果它们相差甚远，计算机的结果可能是错误的!优化方法涵盖在第19章，包括经典的飞机地毯图，参数权衡研究，和现代优化方案，如分解，响应面，和遗传算法。

接下来的四章讨论了在某种程度上不同于“正常”飞行器的飞行器的设计。新的第20章涵盖电动飞机，包括电机，控制器，电源，分析等。第21章介绍垂直飞行，包括直升机和垂直起飞的喷气式飞机。第22章介绍了极端的飞行——从非常慢到非常快——并分章节介绍了宇宙飞船、高超音速和飞艇。第23章讨论了一些非传统的设计，包括飞翼、鸭翼推进器、连接翼和非对称飞机。章节材料建立在传统飞机设计方法的基础上，但引入了影响设计布局和分析的额外考虑因素。

最后一章，包含两个完整的设计项目示例，它们使用了前几章中介绍的方法。这些可以说明设计的不同方面如可配合在一起作为一个整体，而不是以无数的零散例子来说明。

作为AIAA教育系列的一部分，这本书是为大学生而写的，并且尽可能地独立。在大型飞机公司，设计师可以向功能专家询问合理的初始轮胎尺寸、进气道捕获面积、复合材料使用所节省的重量，或类似的估计。大多数大学都没有这样的专家，因此本书提供了许多经验方法和“经验法则”近似，用于初始估计设计参数。

附录包含概念设计中有用的附加信息，如单位换算、大气表以及机翼和发动机的数据。还包括当前民用和军用设计要求的摘要，主要来自联邦航空法规(FAR)和军事规范(Mil-Specs)。

飞机概念设计是一门独立的学科，有自己的历史、方法和经验法则。这是一项需要教育和经验才能完善的技能。如果你擅长这一点，你就能以更低的成本得到性能更强的飞机。

参考文献

[1] Raymer D. Aircraft design: a conceptual approach[M]. American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., 2012.