第1章绪论
飞机设计的理论和方法来源于实践，它是飞机型号设计实践的科学总结。在飞机设计逐渐发展成专门的学问以后，它又反过来用于指导飞机设计的实践。
飞机设计属于工程设计的范畴。为了理解飞机设计的特点，*先应了解工程设计的内涵和逻辑过程。本章*先概要介绍工程设计的基本概念，其目的是帮助读者建立工程设计的思维方式，然后在介绍飞机设计一般过程的基础上，重点阐述飞机总体设计的内涵、过程和特点，使读者对飞机总体设计的全貌有一个初步的认识。
1.1 工程设计的基本概念和逻辑
工程设计方法是人们在工程设计实践中逐步总结出来的一种有效方法，是一种对所有工程设计具有普遍指导作用的科学方法。理解工程设计的基本概念和方法，有助于建立正确的工程设计思维方式。
1.1.1 工程设计的基本概念
这里讲的工程设计是指产品或系统的设计，主要针对硬件系统，如飞机、汽车、桥梁、建筑等。所谓工程设计是为满足特定需求而完成的产品或系统技术方案的过程。在这个过程中，需要应用数学、基础科学、技术科学等知识，将产品或系统的需求转化为一组完整描述产品或系统的技术方案(文档、模型、图纸等)。依据这个技术方案可建造实际的产品或系统，*终满足人们对产品或系统的需求。
1. 从现代科学技术体系考察工程设计
从宏观的角度来看，科学技术体系可划分为基础科学、技术科学、工程技术三个层次[1]，如表 1-1所示。
表 1-1 基础科学、技术科学与工程技术
基础科学研究客观世界的一般规律。例如，物理学中的力学，研究力与物体运动的一般规律。通常，大学里的基础课程讲授基础科学的知识。
技术科学研究特定的工程系统的一般规律，它以基础科学的理论和知识为基础，研究和解决工程技术中的一般性问题，所形成的理论和知识对工程技术具有普遍的应用性。例如，飞行器空气动力学、飞行力学、结构力学等属于技术科学。在工科院校里，技术科学的知识一般由专业基础课程来传授，它是基础科学与工程技术之间的桥梁。
工程技术是关于设计和建造特定工程系统的学问，它以技术科学的知识为指导，是在改造自然过程中形成的各种专门技术的系统知识。工程技术与生产结合*紧密，其知识内容更加具体，知识更新更快。在工科院校里，各种专业课程通常讲授有关工程技术的知识。
飞机设计这门学问，属于工程技术层次。了解飞机设计技术在现代科学技术体系中所处的层次是必要的，因为它有助于我们理解它与其他层次科学之间的联系与区别。
2. 工程设计、分析与科学研究之间的联系和区别
苏联飞机设计学者叶格尔对工程设计、分析、科学研究之间的联系和区别做了形象的对比[2]，如图 1-1所示。以一个工程梁为例，如果给定输入(梁的材料、几何形状和尺寸、载荷)，应用结构力学(技术科学)，求解输出(梁的许用应力和位移)，这个问题属于分析问题；如果给定输入(梁的材料、几何形状和尺寸、载荷)和输出(梁的许用应力和位移)，需要探寻出输入与输出之间的一般规律，这属于科学研究活动；如果给定输入(载荷)和输出(梁的许用应力和位移)，求解梁的材料、几何形状和尺寸，这属于工程设计问题。
给定 求解 过程
输入、一般规律、系统或元件 输出 分析(演绎法)
输入、系统或元件、输出 一般规律 科学研究
输入、输出、一般规律 系统或元件 工程设计
图 1-1 工程设计、分析、科学研究之间的联系和区别
3. 从系统的生命周期看工程设计
根据系统工程的方法，从时间维度上看，每个系统(或产品)都具有一个生命周期。在 NASA系统工程手册中[3]，将系统的生命周期划分为 7个递进阶段，如表 1-2所示。其中， A前阶段至阶段 B在系统生命周期中属于规划论证阶段，是系统 /产品的生命周期的前期阶段，也是*重要的阶段。表中的概念探索、概念研究和技术开发、初步设计、详细设计都属于工程设计的范畴。
表 1-2 系统的生命周期
1.1.2 工程设计的逻辑
工程设计的逻辑是人们在工程设计实践中逐步总结出来的一种有效步骤，是一种对所有工程设计具有普遍指导作用的科学方法。工程设计的逻辑步骤包括：设计要求拟定、方案设计、方案分析、方案评估和优化，各环节之间的关系如图 1-2所示。
图 1-2 工程设计的逻辑步骤
1. 设计要求拟定
根据需求分析的结果，拟定设计要求。设计要求是对产品必须具备的特性或设计约束的描述，一般包括产品的性能、功能、安全性、经济性、可运营性、环保性、可靠性和维修性等方面。设计要求应具有可验证性、一致性、完整性和可实现性。
2. 方案设计
方案设计也称设计综合。这里说的方案，可以是概念方案、初步方案或详细方案，取决于产品研发所处的产品生命周期阶段。方案设计是指设计人员运用理论知识、经验甚至创造性思维，构思出一种或多种能满足设计要求的设计方案。方案设计的思维方式通常具有发散思维的特征，应用创造学中的“头脑风暴法”有助于产生大量的构想方案。工程设计学中也有一些更为“逻辑的”方法能帮助设计人员产生设计方案 [4]。例如，功能结构分析方法、质量功能配置方法等提供了具体的步骤，帮助设计人员构思设计方案。另外，在方案设计中要关注新技术的应用，以提高设计方案的先进性和竞争力。
3. 方案分析
方案分析是指对所构思方案的各个方面的特性进行分析，如对设计方案的气动特性、强度、重量进行分析。方案分析通常采用数学模型或物理模型的手段来实现。数学模型是实际研究对象的一种抽象，它从定量的角度描述了实际研究对象各种属性之间的关系。例如，飞机空气动力学模型建立了气动力与飞机外形参数之间的定量关系。物理模型模拟研究对象的某种属性，例如，飞机的风洞模型可以用于分析设计方案的气动特性。
方案分析是以设计方案存在为前提的，分析过程一般不会产生新的方案，但方案分析的结果可以帮助我们认识设计方案的特性，也是方案评估和优化的基础。
4. 方案评估和优化
根据方案分析的结果，对设计方案进行评估。方案评估的目的是检查设计方案是否满足设计要求中制定的各项指标，并评估其综合指标(如全生命周期成本、费效比指标等)。
根据方案评估的结果，优选出能满足设计要求且综合指标*优的设计方案。如果设计方案不满足设计要求，则需要修改设计方案，重新进行方案分析和评估，直至获得满足设计要求的*佳设计方案，这个过程称为方案优化。
有时，可能设计要求过于严苛或者设计要求之间存在冲突，目前技术水平可能无法找到可行方案，这时就需要对设计要求进行调整。
上述工程设计的逻辑步骤可用于系统(或产品)生命周期中各设计阶段，包括表 1-2中 A前阶段(概念探索)、阶段 A(概念研究和技术开发)、阶段 B(初步设计和技术完善)和阶段 C(详细设计和制造)。
1.2 飞机研制的一般过程
研制一种新飞机，从设计方案的提出到试制生产和投入使用，一般都要经过几年甚至十几年的时间，这是一个很复杂的过程。按照系统工程中系统生命周期的概念，飞机研制的一般过程可由图 1-3概括地表示。
图 1-3 飞机研制的一般过程
按设计内容的粗细程度和先后次序，飞机设计可以划分为三个有内在联系的不同阶段：
①概念设计( conceptual design)；②初步设计( preliminary design)；③详细设计( detail design)。飞机总体设计是指进行总体方案设计的全过程，包括概念设计阶段和初步设计阶段。
1. 概念设计
在开始进行飞机设计之前，*先由使用部门提出或由使用部门与设计部门共同拟定设计要求。在概念设计阶段要对飞机的设计要求进行充分分析、研究和论证。这个阶段称为概念探索阶段(表 1-2中 A前阶段)，也可称为顶层设计阶段。有的文献把这个阶段的工作称为“外部设计” [2]。
概念设计阶段的任务是根据飞机的顶层设计要求，对所要设计的飞机进行全面的构思，形成飞机总体方案的基本概念，草拟一个或几个能满足设计要求的概念方案，确定出*合理的概念方案。概念设计的主要内容包括：选定飞机的总体布局形式；初步确定飞机的基本参数；选定发动机和主要的机载设备；初步确定各部件的主要几何参数；绘制飞机的初步三视图或三维数模；初步考虑飞机的总体布置方案；对形成的概念方案进行综合分析，检查概念方案是否符合设计要求。之后，修改和整理所拟定的概念方案，组织专门的评比和论证，选定*合理的概念方案，经主管部门批准后，进行下一阶段的设计工作。
概念设计阶段的工作通常多限于纸面上，不做很多试验，所以所需费用较少。为了缩短设计周期，通常应用计算机程序来帮助设计人员进行总体参数选择、性能估算和外形设计。因此，在这个阶段中，可以多选择几个方案进行对比，经过充分论证后，选出*合理的概念方案，然后将它作为进一步设计的基础。虽然这个阶段所需的费用和耗时不是很多，但非常重要。这是因为，在概念设计阶段要做出事关全局的决策，而且所确定的概念方案也是后续设计工作的基础。
2. 初步设计
初步设计阶段的任务是对前面草拟的飞机概念方案进行修改、补充和完善，使其进一步明确和具体化，*终形成完整的总体设计方案。
这一阶段的工作包括：修改、补充和完善飞机的几何外形设计，给出完整的飞机三视图和理论外形；全面布置各种机载设备、各个系统和有效载荷；布置飞机结构的承力系统和主承力构件；进行更为详细的重量计算和重心定位；获得精确的气动性能和操稳特性；详细绘出飞机的总体布置图。在此设计阶段，通常还要对飞机及各系统进行一系列的试验研究，需进行大量的吹风试验，有时甚至还需要制造全尺寸的样机，用于协调各系统和内部装载的布置。
与前一阶段的工作相比，这一阶段要耗费较多的时间和资金，并且需要各个有关专业部门的配合和参加，协调解决在设计中所遇到的各种技术问题，经过多次反复，*终得出完整的总体设计方案。由于此阶段的各种图纸和技术文件已经过多轮细化和修改，并且经过了更加精细的计算和专项试验的验证，因此，这个阶段完成的总体方案已具有很高的可信度，可作为正式的方案提交审查和论证。论证通过后，飞机总体方案的设计工作告一段落，可以转入下一阶段进行详细设计。
3. 详细设计
详细设计阶段主要是进行结构设计和系统设计，包括部件设计、零构件设计、各分系统设计等。设计完成后，要绘出飞机各个部件及各系统的总图、装配图、零件图和详细的重量计算及强度计算报告。此阶段的工作量很大，而且还要进行许多试验，包括静强度试验、动强度试验、寿命试验、各系统的地面台架试验等。
4. 制造、试验、试飞
在完成详细设计后，下一步工作是试制原型机和进行地面试验，包括全机静、动力试验和各系统的地面试验。若发现问题，则需要修改原型机的设计。解决问题后，再进行试飞。试飞合格后，申请设计定型，*后由国家有关部门审查，颁发型号合格证书( type certificate)。至此，完成整个设计过程，下一步是转入批量生产。
从飞机的研制过程可以看出，飞机总体设计是飞机设计的早期阶段，对新机研制工作具有全局性影响的大部分重大决策都要在总体设计阶段做出。从系统工程的观点来看，衡量一个系统的综合指标是生命周期成本(参见第 16章)。有关研究表明 [5]，总体设计阶段(概念设计阶段和初步设计阶段)对飞机生命周期成本的影响程度占 70%～80%。换句话讲，在总体设计阶段，虽然此时飞机还没有制造出来，也还没有投入使用，但飞机型号的成败在总体设计阶段就基本上被“锁定”了。总体设计工作中的失误，不仅会对以后的设计工作产生不利的影响，在时间上和经济上造成损失，而且往往直接影响到新机研制的
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