[科普中国]-飞机概念设计

特点

方案没计过程首先是“概念设计研究”。在这一阶段，仔细推敲传统构型与新颖构型，确定在技术上可行和商业上有生存力的飞机布局。在该阶段初期，如飞机的总体几何布局、发动机(型号、数量和位置)、内部座舱布置、系统和操纵、制造方法和材料、采用先进技术的水平程度以及综合使用程序等，都要选择确定。在时间允许的情况下，对每一项选择都要尽可能详细地进行分析。还要对新颖的概念和技术进行分析研究，以便定量地确定它们对飞机设计方案所产生的有利影响。在有些研究领域，无法以合理的精度定量地分析这种有利的影响，这时就需要明智的推断。

在概念设计阶段，各方面设计所得到的数据量相对有限，人力投入也相对较少。研究的结果是各种概念的可行性信息和最有希望布局的尺寸估算。在这一阶段进行详细分析是不可能的，也没有多大意义，因为大多数方案将被淘汰。对于传统布局和现有飞机的改型，以前的设计方案(和竞争飞机)的经验可以提供非常近似的估算。如果是全新布局，则传统设计中所发展的有效方法只能给出粗略的估计，必须发展新的评估模型。在整个方案设计过程中，所有的分析模型都要不断地改进和细化，以尽量减少采用新布局和新技术的技术风险和商业风险。2

目的概念设计的目的是对飞机的气动布局、性能、重量水平、航空电子、所需新技术、费用和市场前景等方面进行初步和方向性的探讨。概念设计阶段主要依据需求定义阶段确定的基本技术要求和主要性能指标，基于现有的技术条件和资源进行概念设计，通常与设计要求阶段有重叠。通过概念设计来使设计要求制订得更为合理和具体化，概念设计中还要对设计要求中各项目的指标进行分析，适当降低那些对性能影响不大，但可能降低技术风险和发展费用的设计要求，并有可能提出一套合理组合的设计要求。概念设计中设计师的经验和判断力起重要作用，往往采用经验或半经验的分析方法。

概念设计阶段的人为因素关注的内容主要是对飞机概念设计的人因评估。通常通过对用户飞行员的主观调查获取飞机设计理念宏观需求信息，以及概念设计力案与设计理念的匹配程度。3

设计方法概念设计是针对需求的最初始设计。该阶段主要采用的方法有任务剖面法(mission profile)、功能流程图法、决策/动作分析。

任务剖面法任务剖面是指产品在完成规定任务的时间段内所经历的事件和环境的时序描述。任务剖面法就是根据飞机预期的运营环境对典型的场景巾特定状态点对飞机状态的描述。国外的研制经验说明，任务剖面应尽早绘制，以便于对系统功能的分析，通过任务剖面图可以对飞行任务进行具体描述，从而初步确定系统的操作要求。

功能流程图功能流程图是用于决定系统需求的常用分析方法，它可以提供所有的系统需求的详细要点。功能流程图从系统总体开始不断细化，从对系统的功能要求逐渐细化到具体的操作者层面，但在高层次的流程图构建时，并不区分功能实现是由操作者或系统软硬件完成。这主要是为了下一步进行功能分配时便于进行调整。

功能是系统所必须完成的内容．所有的功能都可以分解或划分成更细的功能。驾驶舱是一个复杂系统，因此需要通过多个层次对系统功能进行描述。建立好功能流程图后通过对其功能及子功能的分析与评估判断系统对需求的满足程度，同时也可以对可能的操作者界面要求、能力、所需的特殊条件、潜在问题及可能的解决途径等做出早期评估。

制订功能流程图时应注意以下特征：

(1)功能流程图的框图中应包括动词和名词，明确功能执行方式和操作对象。

(2)功能路程的每个扩展层次应该包括更多更详细的信息，通常至少为3个层次。

(3)从功能起点开始以一种能够反映功能连贯性的功能逻辑分解的方式编号。

(4)编制功能流程图应能够让设计者容易找到输入，并沿着框图流程找到输出。

决策/动作分析决策动作分析是根据操作和决策来表现所需的系统数据的流程。决策动作图也采用分层次的形式，最初的决策动作图仅与总体功能有关，而与是否由操作者、系统软硬件或者他们的组合来完成无关。

决策或行动图在较详细的层次上也可与一些特殊的符号一起使用来表示人和机器的配置(例如单线表示手动。双线表示自动等)。实际应用时要考虑下面有关问题。

(1)决策或行动图与功能流程图非常相似，所以通常不需要同时使用这两种方法。这两种方法的最重要的区别是决策或行动图比功能流程图增加了决策框(菱形框)。如果程序是有向软件．一般使用决策或行动图。

(2)在记录满足特定系统功能的操作和决策过程方面，决策或行动图和计算机程序员所使用的流程图相类似。它们都是基于二元选择决策和干预操作。在决策或行动图中应用二元决策有两个重要原因：其一是通过使用简单而又通用的惯例来促进交流；其二是系统的计算机部分很容易把决策或行动图翻泽为逻辑流程图。

(3)一般水平决策可以分解为几个更为详细的水平：

一般水平：任何目标都需要识别过程吗?

具体水平：任何新出现的目标都需要识别过程吗?

任何目标的轨迹都需要用试探性的识别来确认吗?

任何确认性识别都需要再核对吗?

(4)每一个具体的决策都会有一个或几个具体的操作与之相连。同样，一个一般水平的操作也可再分解为几个更为具体的决策和操作。

(5)决策动作图一般没有对人和机器之间进行功能分配。在这个水平上，该图普遍应用于几种检测和跟踪系统决策以及操作。这种流程图的缺陷是会诱导分析人员去考虑一些别的实施方案．影响决策和操作的进一步进行。例如：如何把给定的信号和系统中已知的目标进行比较?如何给可能的目标做上标记，使它们在再次出现时容易识别。

(6)信息是产生决策或行动图所必须的，它来自任务剖面和任务概要。更为详细的低层次的决策或行动图，可能直接来自于高一级的流程图和分系统设计组所提供的设备的详细特征。

制订决策或行动图的程序和功能流程图的程序一样。它们通过把所有的与系统以及分系统(取决于详细水平)有关的功能和决策排序来实现决策或行动图的构成。每个功能由一个动词和名词组合，有时还有形容词或其他修饰语。每个功能短语相对较短。用一个方框表示，每个决策功能由一个菱形框图表示，以二元的是否方式来回答问题。功能活动方框及决策菱形框和功能流程图一样要给一个编号，以确保它的可查找性。决策菱形框可以用实线或虚线分别表示决策功能或共用的决策功能。3

概念设计内容及论证总体设计部门在飞机总体方案概念设计和可行性论证中的工作应包括：

①气动布局初步设计；

②总体初步方案设计；

③性能初步计算和论证；

④全机重量、重心转动惯量初步估算；

⑤载荷计算顶层设计；

⑥飞机外形及隐身初步设计和论证；

⑦飞机进排气方案初步设计。

气动布局初步设计(1)依据飞机战术技术指标要求开展气动布局初步设计

①深人分析飞机战术技术指标要求等设计要求，在选择飞机总体参数的同时，明确飞机气动布局设计任务与目标，以满足飞机飞行性能和隐身的要求；

②初步提出若干待选方案的气动布局参数、定义全机基本状态(带或不带悬挂物)的气动布局；

③计算全机基本状态气动力焦点，依据纵向静稳定性的设计要求，分析和检查气动力焦点和重心后极限是否匹配，否则应视情调整布局参数；

④通过几个待选布局方案全机气动特性的计算、分析和比较，选出气动特性较好的若干个候选布局方案；

⑤对候选布局方案进行布局参数优化与一体化综合设计的计算分析，适当调整、优化布局参数；

⑥对若干候选方案布局气动特性进行综合分析和论证，依据论证结果，从气动布局角度提出对战术技术指标的修改意见；

⑦编写气动布局初步设计报告和汇报与评审用的技术资料，参加方案咨询与设计评审工作；

⑧设计、加工若干候选布局方案的示意模型，用于汇报展示。

(2)气动布局初步设计的具体工作内容与要求

①气动布局形式初步选择

依据飞机战术技术指标要求，确定可基本满足任务需求的一种或数种布局形式，给出对布局形式的评估意见。

a．分析飞机战术技术指标要求，确定气动力设计目标；

b．分析飞机几种典型布局形式(例如正常式、远距鸭式、短间距鸭式、三翼面、无尾式或飞翼式等)的主要优缺点，以及对气动特性及其他相关设计要求的影响；

c．初步选定若干种可能满足气动力设计目标的布局形式作为开展气动布局设计工作的基础；

d．在气动布局初步设计确定的全机布局参数和全机气动力数值计算的基础上，进行初步的气动力分析和比较，择优选定一种或数种气动布局形式，并给出相应的评估意见。

②翼面参数初步选择

分析明确翼面参数对性能趋势性的影响规律和飞机的气动力设计目标，初步选择与评估各候选方案翼面参数。

③机身外形和参数初步选择

分析和评估机身气动力参数，配合相关专业开展机身外形(包含进排气装置)设计，并对机身外形迭代进行气动力分析和评估。4

总体初步方案设计依据飞机战术技术要求，总体专业会同有关专业进行飞机的系统配套论证、飞机总体方案设想的初步布置协调和设计，编制可行性论证阶段飞机总体文件。

论证、协调和提出满足飞机战术技术和使用要求的飞机系统设备配套方案。

(1)发动机选型论证

①分析飞机战术技术要求对发动机的要求，协调确定发动机的选型原则；

②研究和分析国内外发动机的技术发展现状，收集国内外有关发动机的技术资料，进行对比分析；

③根据选型原则列出备选的发动机；

④分析和比较备选发动机的性能、可靠性、维修性、寿命、经济性，以及在飞机上布置、安装的可行性等，综合权衡优选能够稳定供应、性价比高、推重比大、寿命长、工作可靠、泼辣性好、易维护的发动机作为初步确定的发动机型号；

⑤初步协调发动机推力、重量和轮廓外形。

(2)辅助/应急动力装置选型论证

①分析飞机战术技术要求对辅助/应急动力装置的要求，协调确定辅助/应急动力装置的选型原则；

②研究和分析国内外辅助/应急动力装置的发展现状，收集整理国内外辅助/应急动力装置资料；

③根据选型原则确定初步人选的辅助/应急动力装置。4