飞机设计专业需要教什么

袁昌盛

（西北工业大学航空学院，陕西 西安 710072）

摘要：目前大学里的飞机设计教学不能够满足航空工业界的要求。近年来教育界开展了许多改革措施，但并没有改善教育的基础和效果。本文首先总结了飞行器设计的学科框架，建议了在开始设计课程之前必须要理解的关于性能、气动、结构、推进、稳定性和操纵性方面的一些专题。在此基础上提出了设计实践的重要性和开展途径，最后讨论了航空教育面临的问题。

关键词：飞机设计；教学体系；学科框架；设计实践

中图分类号：V221 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）52-0206-03

飞行器设计专业近些年来一直是航空领域最热门的专业，无论从招生或是就业方面都受到最高关注。但我们的飞行器设计教育现状却不容乐观，大多数毕业生不能满足工程单位的需求。许多本科生甚至研究生进入单位后无法胜任工作，需要经过长时间的培训和适应。这一方面是由于学校环境和工程环境的文化差异，另一方面也要归因于高校的教学体系和培养目标不尽合理，无法满足工业界的需求。本文试图从工业界的需求出发，探讨高校的航空专业飞行器设计教育的知识体系构建和教学组织，希望提升学生的基础能力和对具体工作的适应能力。

一、什么是飞行器设计

工业设计师Victor Papanek对设计的定义是“为构建有意义的秩序而付出的努力”[1]。这种定义比较抽象，它强调的是建立起秩序或规则。在实际设计工作中，不同专业领域的关注点会有不同，在形式、内容和行为方面均会有所体现。具体到飞行器设计，可以参看J.Roskam给出的定义[2]：“航空设计是迭代的、非唯一的过程；在这个过程当中，飞机构型、结构和系统集成在一起综合发展，以达到应用领域的基本指标要求。”Roskam的定义其实是将“设计”当作一个黑匣子，只看输出结果。至于其中的过程，则是相当复杂了，在他的八卷本、三千多页的著作《Airplane Design》中有详细论述。设计工作主要在于构思和规划，这些工作需要深厚的基础理论知识，也需要广泛的实践经验。另外，还要强调的是，设计的灵魂在于主动性和创造性。在航空设计学科的教学规划中，需要综合考虑这些方面。

二、航空设计学科的知识体系

设计课程植根于一系列基础学科之上，开始学习之前需要对这些基础知识有充分的理解。大致来说，在开始飞机设计课程之前，需要先修的课程包括以下学科。

1.空气动力学——包括空气动力学的基本概念和分析方法，如不可压流、可压流、无粘、粘性流等；翼型的基本特性，如升力、阻力、力矩特性；增升系统（襟翼、缝翼）的原理的效用；雷诺数和马赫数对气动特性的影响；三维机翼的特性，厚度、弯度、后掠角、展弦比、梢根比等的影响；机翼、机身、吊舱等部件之间的干扰效应；操纵面效能等。

2.飞行性能——掌握极曲线、发动机性能以及起降性能、爬升性能、巡航性能、机动性能等的计算与评估方法。

3.稳定性与操纵性——包括静态和动态分析，可以计算飞机气动力和力矩、静稳定导数和操纵导数，了解多种布局飞机的气动中心、中性点、机动点概念，机动飞行的配平，极限状态的操纵能力等；了解计算动导数的方法，分析短周期、振荡、螺旋和荷兰滚的基本模态；了解驾驶员评价准则，同时也要了解相关的民用和军用规范。

4.推进系统——了解各类发动机的原理和特点；掌握螺旋桨特性、喷气发动机特性的计算方法，能够对进气道、尾喷管等部件进行分析和参数确定。

5.结构——了解气动载荷的特点和确定方法，可以分析主要载荷及其传力路线，了解航空器主要结构型式及其分析方法，掌握有限元素法，还要对材料特性、工艺特性有基本的了解。

6.自动飞行控制——自动控制原理，基本分析方法如根轨迹法、伯德图，频域、时域分析；增稳系统，基本自动飞行控制模式；飞行仪表的原理与使用，传感器动力学特性及其对闭环控制系统的影响等。

以上提出的这些学科覆盖面广，知识点散布，在课程设置方面需要合理筹划，尤其要注意衔接问题。我们教学中曾经历先修课和后续课程同时开课的情况，学生在没有先修基础的情况下完全无法理解后续课程，造成教与学双方的极大浪费。另外，对于设计专业的学生，在以上课程的教学中需要具备设计方面的内容。这意味着在教学过程中要有大量的开放式问题，这可以激发设计思维，同时也可以加深对于专业基础知识的理解。

三、设计实践的地位和重要性

上世纪末美国一些调查指出[3]：“航空工程师中有超过40%的人从事设计相关工作（方案设计、初步设计、详细设计、工艺设计等）”，可见设计对于工业发展的重要性。航空工业界普遍对于现今的毕业生不满意，大多数工程主管人员认为航空专业的学生没有足够的设计知识，不能胜任实际工作。问题的脉络很清楚：工业企业靠产品盈利，产品的竞争力源自优秀的设计，而我们的航空业设计能力严重不足。对于航空院校来说，要提升毕业生的工作能力，除了基础理论知识和高级应用技术的授课之外，设计实践是一个必不可少的环节。美国工程与技术认定委员会（ABET）在1971年要求所有工程院校课程中都必须包括一年半的设计实践内容[4]。这其实是非常困难的目标，大多数院校都难以实现。只有少数几个协会如AIAA，致力于严格但又循序渐进的改进；而有些行业，如电子工程，则无法达到这样的要求。作为结果，美国航空航天产业情况较好，但在电器领域则很不乐观，美国家用电器的贸易额远低于竞争对手。其实即使在航空航天领域，美国也面临世界范围的竞争，正在兴起的竞争对手——欧洲和日本——的高校里学生可以获得更多的设计经验[5]。以上例子中，虽然不能断定行业竞争力与学校课程一定是正相关，但多少也可以看出一些联系。设计实践的目的大致有三个：①深入理解基础理论知识；②融会贯通知识体系；③强化确定问题、分析问题和解决问题的能力。以上这些方面在课堂教学中是难以贯彻的，大多数课堂教学还是宣讲——模仿的模式，禁锢着学生的主動性和创造力。而设计实践的特点之一就是问题的开放性，有多种解决方案，也面临多方面的问题，这可与课堂教学相互补充、相互促进。因此，需要特别强调：设计实践不应只是课堂教学的补充，设计实践和课堂教学是整个教学过程中两个同等重要的组成部分，是并驾齐驱的。

四、設计实践的开展

前面已经提到设计实践的目的，那么在实施的过程中，需要注意两个方面：基础知识和设计方法的理解；系统集成技能的强化。对于专题的设置，希望能够尽量模拟真实的设计。这意味着要有明确的设计要求，设计过程要包括分析、讨论，最后要有设计报告和设计总结；需要以团队工作的方式，处理真实的、开放性的问题。时间方面最少要包括两个学期，这样才可能有机会深入理解设计过程，同时也有足够的时间实施设计过程中的迭代。最后还要强调一点，“模拟真实”的关键在于结果的真实：学生需要进行真正的分析和计算，做出可行的估计，并由此做出设计决策。对于航空设计专业，通过以下途径，希望可以使学生更好地掌握所需的设计知识和系统集成技能。

1.独立完成一架飞机从指标要求到三面图的设计过程。其中要包括一些主要系统的集成，如发动机、起落架、人员和装载等。

2.以团队合作的形式完成一架飞机从任务指标权衡直到最终报告的过程。最终报告要包括飞机的描述和系统集成、制造、最终装配、材料选择和成本预测等方面的重要特性。

要为学生的设计报告设立高标准。另外，设计过程中还要经常组织口头报告和讨论，并使用高质量的辅助演示工具。（以目前的工具软件水平和易用度，制作符合工业标准的设计报告和辅助演示不是什么问题[6]，但我们的学生在这方面显然缺少训练，能力平平。）

五、航空设计教育的困境

航空工业界的需求比较明确：要有真正理解设计并具备更多设计经验的毕业生。而这两方面都比较难于满足——基础理论教学和设计实践的效果都不尽如人意，原因是多方面的。从院校方面大体说有以下几个问题：

1.大学里设计研究方面的经费不多。对希望晋升的年轻人来说，设计不是一个有吸引力的领域。在分析和实验领域的经费则要多得多，因而也受到年轻人特别的关注。

2.在设计领域发表文章的机会不多。除了设计研究的经费缺乏，实际上也缺少真正的“设计期刊”。（即使在国际范围，也几乎没有纯粹的飞机设计期刊。）

3.以上两条使年轻人不愿从事设计方面的教研，但真正留下的年轻教师又有着另一个问题：他们很少能胜任设计工作——设计技巧需要从实践中获得，而在高校中几乎没有实践的机会。

4.大多数高校管理者并不了解，设计教学是一项非常耗时的工作，比常规课程所需的时间多得多！为设计报告评分和频繁的设计咨询讨论占用了大量额外的时间，远超过课堂授课的时间。

5.设计专业的教学难以适应高校的评价体系。对于目前流行的量化评估体系，在实践设置方面、在创造性方面、在工作态度方面如何量化，还是一个很难解决的问题。

另外，毕业生自身也面临着一种文化冲突，即从校园文化到企业文化的转换，所谓校园文化关注于教学和研究，而企业文化则强调制造产品并将其销售。这需要思维转变和行为模式的转换，但这些问题在学校很难接触到。

飞行器设计不同于航空领域的其他分析类学科，它不但需要扎实的基础，也需要开阔的思路和融会贯通的能力，因而在教学和实践方面都需要专门的规划和系统的安排。在飞行器设计的教学方面，需要非常大的投入，却不见得有明显的效果，无法吸引有能力的教职人员。要解决这个问题，需要提高设计在教育环境中的地位。德国在第二次世界大战期间造出那么多种突破性的新飞机，想来也不奇怪——在许多德国大学里，执教设计课程被赋予高度的荣誉。德国许多最有天分的飞机设计师，如容克（Junkers）、梅塞施密特（Messerschmitt）、福克（Focke）、亨克尔（Heinkel）等被授予教授级职位，在保持他们工业界地位的同时进行教学活动。高校管理者应该面对这个事实：企业靠他们产品来获得利润！产品的竞争力取决于设计团队的工作，为了保持竞争优势企业需要越来越多有能力的设计师。高校的产品是毕业生，如果他们在设计能力方面能有所提高，对于企业、学生个人和学校都是非常有益的。国家工业的竞争力在很大程度上依赖于设计能力，这需要教育界和工业界共同长期的努力。

参考文献：

[1]Victor Papanek，Design for the Real World：Human Ecology and Social Change [M]，New York，Pantheon Books，1971

[2]J. Roskam，What is Needed to Teach Aeronautical Engineering Students How to Design Aircraft？ [J]，AIAA 90-3257

[3]L. M. Nicolai，An Industry View of Engineering Design Education[J]，Aerospace America，AIAA Washington，DC，April 1993

[4]D. S. Joshi，Viewpoint：Aerospace Education for 2000 and Beyond[J]，Int. J. Engng Ed. Vol. 13，No. 2，1997

[5]Leland Nicolai，Eric Schrock，What Would Industry Like To See Covered In the Senior Capstone Design Course？ [J]. AIAA 2010-9014

[6]L. R. Jenkinson，J. F. Marchman，Aircraft Design Projects for engineering students[M]，Butterworth-Heinemann，2003