飞机概论之五：总体设计

作者：上海航妙实业有限公司

飞机作为现代交通工具和军事装备的重要组成部分，具有复杂的结构和系统设计。本文将探讨飞机的基本概念、类型以及其总体设计的关键要素，并介绍国内具有飞机总体设计能力的单位，探讨其历史、现状及资源配备。

一、飞机概论

飞机是一种能够在大气中飞行的航空器，通常由机身、机翼、尾翼、起落架和动力装置等主要部分组成。根据用途，飞机可以分为民用飞机、军用飞机、通用航空飞机和特种用途飞机等。

• 民用飞机：主要用于客运和货运，如波音737、空客A320等。
• 军用飞机：用于国防和军事行动，包括战斗机、轰炸机、运输机等，如F-16战斗机、B-2轰炸机等。
• 通用航空飞机：包括私人飞机、商务飞机、农用飞机等。
• 特种用途飞机：用于特殊任务，如消防飞机、救援飞机、侦察机等。

二、飞机的总体设计

飞机的总体设计是一个复杂的工程过程，涉及多学科的综合应用。总体设计的目标是确保飞机在安全性、经济性、可操作性和环境适应性方面达到最佳平衡。

1. 需求分析

需求分析是飞机设计的起点。通过与客户（航空公司、军方等）的沟通，确定飞机的具体性能要求，包括：

• 航程和续航时间：决定飞机的燃油容量和发动机性能。
• 载客量和载货量：影响机身大小和布局。
• 飞行速度和高度：决定机翼和发动机的设计。
• 起降性能：影响起落架和机翼的设计。

2. 气动设计

气动设计是飞机设计的核心。主要任务是设计出最优的机翼和机身形状，以满足升力、阻力、稳定性和操控性的要求。

• 机翼设计：包括翼型选择、翼展、翼弦长度和翼尖形状等。
• 机身设计：包括机身长度、直径和外形，以减少空气阻力。
• 尾翼设计：包括水平尾翼和垂直尾翼，确保飞机的纵向和横向稳定性。

3. 结构设计

结构设计需确保飞机在各种飞行条件下具有足够的强度和刚度，同时保持轻量化。

• 材料选择：常用的航空材料包括铝合金、钛合金、复合材料等。
• 结构布置：包括机身框架、机翼梁、蒙皮等的设计和布置。
• 疲劳和损伤容限设计：确保飞机结构在使用寿命内不发生灾难性失效。

4. 动力装置

动力装置是飞机的心脏，提供推力以克服阻力，实现飞行。

• 发动机选择：根据飞机类型选择涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机或活塞发动机。
• 推力要求：计算并选择适合的发动机推力等级。
• 燃油系统：设计适当的燃油储存和输送系统，以满足航程要求。

5. 航电系统

航电系统是飞机的“大脑”，包括飞行控制、导航、通讯和监控等子系统。

• 飞行控制系统：包括机械、液压和电子控制系统，确保飞机的操控性。
• 导航系统：包括GPS、惯性导航系统、地面导航设备等。
• 通讯系统：确保飞机与地面和其他飞机之间的通信畅通。

6. 人机工程

人机工程设计关注飞行员和乘客的舒适性和安全性。

• 驾驶舱布局：设计符合人机工程学的仪表和控制面板布局，减少飞行员的工作负荷。
• 客舱设计：包括座椅布置、照明、通风、噪音控制等，以提高乘客的舒适性。

7. 试验验证

在设计完成后，需要通过各种试验验证飞机的性能和安全性。

• 风洞试验：验证气动设计。
• 地面试验：包括结构试验、发动机试验等。
• 飞行试验：最终验证飞机的综合性能。

三、国内具有总体设计能力的单位

中国在航空工业领域拥有几家主要的飞机设计和制造单位，它们在国内外享有较高声誉。这些单位在飞机总体设计上拥有丰富的经验和先进的技术。

1. 中国航空工业集团有限公司（AVIC）

中国航空工业集团有限公司（AVIC）是中国最大的航空制造企业，涵盖了飞机设计、制造、试验和服务的全产业链。AVIC 拥有多个研究所和工厂，专门从事不同类型飞机的设计和制造。

• 主要机构：
  • 中国航空工业第一飞机设计研究院（西安）：主要负责战斗机、教练机和无人机的设计。
  • 中国航空工业成都飞机设计研究所：专注于战斗机和无人机的研发。
  • 中国航空工业沈阳飞机设计研究所：致力于战斗机和轰炸机的设计。

2. 中国商用飞机有限责任公司（COMAC）

中国商用飞机有限责任公司（COMAC）是中国主要的民用飞机制造商，负责开发和生产大型客机。

• 主要产品：
  • ARJ21：支线客机，已投入商业运营。
  • C919：大型客机，目前正在进行飞行测试，预计不久将投入市场。
  • CR929：与俄罗斯联合开发的远程宽体客机，正在研制中。

3. 上海飞机设计研究所（SADRI）

上海飞机设计研究所（SADRI）是COMAC前身的重要组成部分，承担了多项关键型号飞机的设计和研发工作。

• 历史沿革：
  • 运十项目：上世纪70年代，上海飞机设计研究所负责运十（Y-10）的设计和研发。运十是中国首款自主研制的大型喷气式客机，虽然最终项目因种种原因被搁置，但其技术积累和人才培养为后续的C919项目奠定了坚实基础。
• 现状及主要项目：
  • C919大型客机：上海飞机设计研究所是C919项目的核心设计单位，负责整体设计和系统集成工作。
  • CR929宽体客机：上海飞机设计研究所也参与了中俄联合研制的CR929宽体客机的设计工作。

四、历史现状及发展

中国的航空工业起步较晚，但发展迅速。自20世纪50年代以来，中国逐步建立起了自己的航空工业体系。经过几十年的发展，中国在军用和民用飞机设计和制造方面取得了显著成就。

• 早期发展：20世纪50年代至70年代，中国航空工业主要依靠引进和仿制苏联的航空技术，逐步积累经验。
• 自主研发：从80年代开始，中国加大了自主研发的力度，成功研制出了一系列具有自主知识产权的飞机，如歼-8、歼-10等战斗机。
• 国际合作：21世纪以来，中国积极参与国际合作，引进先进技术和管理经验，与波音、空客等国际巨头建立了合作关系，提升了自身的技术水平。
• 现代成就：如今，中国不仅能够自主设计和制造各种类型的军用飞机，还在民用飞机领域取得了重要突破，C919 的研制成功标志着中国在大型客机领域迈出了重要一步。

五、人员和资源配备

飞机总体设计需要高素质的专业人才和先进的资源配置。

1. 人员配备

• 工程师和技术人员：包括气动设计师、结构工程师、动力装置工程师、航电工程师和人机工程师等。
• 试飞员和测试人员：负责进行各种地面和飞行试验，验证飞机性能。
• 项目管理人员：负责项目的协调和管理，确保设计和制造过程按计划进行。

2. 资源配备

• 研发设施：包括风洞实验室、材料测试实验室、模拟驾驶舱和计算机辅助设计（CAD）系统等。
• 制造设施：包括先进的数控机床、复合材料制造设备和装配车间等。
• 试验设施：包括地面试验场、飞行测试中心和专用试飞场等。

结论

飞机的总体设计是一个复杂且精细的过程，需要综合考虑气动、结构、动力、航电和人机工程等多个方面的因素。中国在航空工业领域的发展迅速，拥有一批具备先进设计和制造能力的单位。随着科技的进步，未来的飞机设计将更加注重环保、节能和智能化，进一步提升航空运输的效率和舒适性。

通过不断的创新和国际合作，中国的航空工业将在全球航空市场中占据越来越重要的位置。