01 飞行器设计 —— 一门独立的学科

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涉及，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，并以和主流航空航天公司的飞机设计项目中一致的形式展示出来。无论你倾向于飞机设计的哪一方面，这本书都会帮你启蒙，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，但实际最终制造的依据是图纸或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。

很难想象和绘制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，同时满足大量工程约束和设计规范。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绘图板绘图和现代计算机辅助设计。

与此同时，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设计图纸中做得更好。

飞机设计的两个同等重要的方面：布局设计和设计分析。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

02 飞机设计概述

2-1 什么是飞机设计？

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，设计师把时间花在了“设计”上，即创造出要制造的飞行器的几何描述（设计图纸）。

对于外行来说，“设计”看起来很像“画图纸”。设计师的最终产品是一幅幅设计图纸，设计师整天蜷缩在绘图桌或电脑前。然而，设计师的真正工作主要是脑力劳动。

如果设计师才华横溢，那么图纸上所呈现的绝不仅仅是眼前所见。一个出色的飞机设计，往往能够在专家组的评审中“奇迹般”地顺利通过，而无需进行任何重大修改。不知怎的，起落架与机体配置恰到好处，燃料箱位置紧邻重心，结构件既简洁又轻便，整体布局展现出良好的空气动力学性能，发动机也能简洁而干净地安装……诸多细节似乎都自然地落在了最合适的位置。

这绝非偶然，而是设计师丰富的知识积累和努力工作的结果。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的良好设计。

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、稳定性和其他专业的专家协助下完成的。

本书试图平衡布局设计和布局分析，将它们联系在一起，并以和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，永远无法就设计从哪里开始达成统一意见。设计师认为，一切始于一个全新的飞机概念；尺寸专家则强调，没有对重量进行初步评估，一切都无从谈起；而无论民用或军用，客户普遍坚持设计应从需求出发。

事实上，他们都各有道理。飞机设计在较低的复杂性层面上，往往会同时从这些要素开始，然后随着方法愈发复杂，通过不断迭代逐步形成设计方案。这种迭代性可见于图 1.1 的“设计轮”：首先，根据初步的飞机尺寸计算，提出一个满足最初需求的概念设计；随后，对该概念进行分析（如空气动力学和性能计算），并根据分析结果对飞机尺寸进行权衡和优化，从而修改最初的概念设计，甚至在必要时调整需求，以寻求更具成本效益、真正符合客户需求的方案。

在这个过程中，随着对概念设计不断进行修正，设计轮一次又一次地转动，直到围绕当前需求达到相对平衡并得到一个可行的设计。换言之，在设计飞机的同时，也是在“设计”需求，两者相互影响、共同演进。

对于学习飞机设计的人而言，最重要的一课就是：飞机设计是一个迭代的过程。我们不能只画出一个看似精巧的初步方案（“第一轮”方案），在计算了其航程和性能后就停止。你应该利用第一轮设计中获得的经验和数据，通过判断和计算来找出需要改进之处，然后再进行第二轮设计——然后可能会有第三轮，甚至更多次……不断迭代，直到最终获得能够真正满足需求的设计方案。

图1.1 设计轮

一个飞机设计项目往往可以从许多不同角度展开，几乎与飞机设计本身所包含的可能性一样多。那些原创设计师往往是先怀抱一个梦想或冲动：让自己设计的飞行器能够真正飞起来。对他们来说，性能、航程和有效载荷等具体细节，远不及把灵感从一张白纸变成最终能在机场降落的飞机来得重要——“实际上，这是我自己设计的。”

尽管大多数飞机设计确实源于某些需求，但其最初的形式往往非常模糊——比如军事设计中的“赢得战争”，或民用设计中的“赚钱”。从这样泛泛的概念出发，需要经历漫长而反复的过程，并与设计布局的演变同步进行，才能得到一组“干净”的需求定义。专业人员在此过程中不断迭代、验证可行性，将需求逐步落地，即便最后并未进行实物制造，需求本身也会在这个过程中得到充分的现实检验。

新的飞机设计项目通常是由飞机制造公司而非客户主动发起。比如，航空公司很少会主动找上波音或空客，提出一份对新客机的详细需求。相反，波音和空客会持续研究市场需求，认为时机成熟时先行设计一款飞机，然后再联系各大航空公司，尝试引起它们的兴趣。

在军事领域，虽然各军种部门确实会对未来航空需求展开内部研究，但他们往往不会在与飞机制造企业紧密合作之前，就独立确定并锁定一份完整的详细需求清单。根据笔者的经验，更常见的做法是由企业先提出初步想法，并进行设计研究，然后再将这些成果带给潜在的军事客户。毫无疑问，一款大型新飞机最终的需求必然由军方客户提出或拍板，但在此之前，飞机制造企业往往已为此付出了大量努力并完成了相当程度的设计工作。

从未真正参与过飞机设计工作的人常常有一个误解：他们以为“局外人”可以提出一个设计概念，然后把它卖给别人。他们觉得，只要自己发现了某个任务需求——就像发明了更好的捕鼠器——就能吸引客户主动找上门来。可事实上，现实并非如此。即便你成功说服了某家企业或军事部门，让他们相信某个设计概念确有价值，他们也会自行对该概念展开研究，来判断拥有此类功能的设计是否真能行得通。这是他们的职责。如果他们认为可行，就会制定出一套需求，并在此基础上进行改动和优化，而不是直接购买局外人的完整设计。他们要么自行开发设计，要么给出合同，对其设计进行深化与改进。对于“局外人”而言，能在竞争激烈的大型飞机公司面前拿出更优提案的几率微乎其微，即使偶尔能让小企业参与，也很难被采纳。

这并不意味着“外部人员”就毫无用武之地，也不意味着无法获得设计项目的资金。他们只需要认清现实：不会有人直接购买一份全套设计方案，除非你有足够的资金自行制造并试验原型机。否则，必须基于客户的需求来开发设计概念，然后向客户证明，你的方案最能满足这些需求，并且你有能力将其投产、试飞、量产并提供后续支持。

并非所有飞机都用于军事或商业用途。一些最著名的飞机（从最早的飞机开始）就是为验证概念和进行实验研究而设计的。例如“X”系列飞机，主要用于验证整体设计方法，或验证和发展某些关键技术。对于这些项目，只有当航程和性能影响到研究内容时，它们才具有重要性。在此类项目中，设计的早期阶段往往围绕控制成本与充分验证新概念/技术的能力之间的权衡展开。 一个过于廉价的设计可能无法证明太多价值，而一个过于昂贵的设计则有可能永远不会被制造出来。X-31 便是这一理念的典型示例：在确定何谓“最佳平衡点”并验证该设计概念之前，作者花了大量时间来主导成本与验证能力间的权衡研究。

最后，还有一些飞机是单纯为了乐趣而设计的——而这也没什么不好!

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，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积累了足够多的课程，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的首席布局设计师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。”一般的网上书城都可以买到这本书。

2-4 本书的组织

《飞机设计：概念性方法》主要讲述了如何从一组既定需求出发，逐步开发出一个可靠的飞机概念设计。其整体结构特意模仿了大型航空公司在实际项目中所遵循的典型设计步骤。本书前半部分从初始需求的定义、飞机尺寸的确定与初步几何方案的筛选开始，然后进一步展开到总体布局的设计，包括需求分析、空气动力学、结构、推进系统以及各类子系统的综合考虑。后半部分则侧重于概念分析与设计优化，重点说明如何在下一轮迭代中对设计方案进行改进。

本书共分为 24 章。第 2 章和第 3 章对设计流程做了总体介绍：第 2 章阐述了概念设计的基本工作方式以及它在飞机研发整体过程中的地位；第 3 章则通过一个设计案例，让读者熟悉飞机设计中的基本概念，包括总体布局设计、分析方法、起飞重量估算和各类权衡研究。

第 4-11 章介绍了初始布局开发的技术手段，涵盖概念草图、初步尺寸确定、机翼几何形状选择、机身外形设计、客舱布局、推进系统集成、机组人员工作空间、有效载荷/乘客舱设计、燃料系统和起落架等。此外，还对可观察性、可生产性和可维护性的考量进行了阐述。虽然书中时常使用的术语看似针对传统绘图台上的设计过程，但应当意识到，如今大多数飞机设计均在计算机辅助设计系统中完成。不过，无论是在纸面绘图还是数字平台上，所采用的基本设计技术并无本质区别。

第 12-18 章则将对最终成型的设计布局进行细化分析。各章分别探讨空气动力学、重量控制、动力装置的安装与特性、稳定性与操纵性、性能评价、成本及尺寸确定等方面。相关的分析方法被简化到足以让学生在一门课程中对设计流程进行完整体验的程度。

尽管工业界广泛使用的实际设计方法往往具有专有性并高度依赖计算机，本书所提供的方法依然足够全面，适用于大多数类型的飞机，并能给出合理的结果。事实上，这些方法还能用于对比验证更复杂的计算机方法，如果两者结果差异过大，那么很可能是计算机计算出错。第 19 章探讨了优化方法，包括经典的飞机地毯图、参数化权衡分析，以及分解法、响应面法和遗传算法等现代优化方案。

随后四章讨论了在某些方面与“常规”飞机存在差异的飞行器。全新的第 20 章介绍了电动飞机，包括电机、控制器、电源以及相应的分析方法。第 21 章涉及垂直飞行器的设计，如直升机和垂直起降喷气机。第 22 章则专门讲解极端飞行——从极其低速到极高速，并分章节讨论了航天飞行器、高超声速飞行器以及飞艇。第 23 章涵盖了一些非常规设计，例如飞翼、鸭翼推进器、连接翼以及不对称飞机；在传统飞机设计方法的基础上，补充了影响布局设计与分析的额外因素。

本书最后一章展示了两个完整的设计项目示例，运用前述各章介绍的方法。通过这两个示例，读者可以了解如何将各种设计环节衔接成一个整体，而不仅仅是零散地应用若干理论或案例。

作为 AIAA 教育系列的一部分，本书专为大学生编写，并力求自成体系。在大型飞机公司，设计人员可直接向相关专家咨询初始轮胎尺寸、进气道面积或使用复合材料可节省的重量等参数；但在大多数高校并没有相应的专家可供咨询。因此，本书提供了大量经验方法和“经验法则”近似值，以便在初始阶段对设计参数做出合理估计。

本书附录中还包含许多在概念设计阶段实用的信息，例如单位换算表、大气参数表，以及各种机翼和发动机的相关数据。此外，还提供了民用和军用现行设计要求的摘要，主要参考自联邦航空法规（FAR）和军用规范（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.