面向就业创业的通航飞机气动设计案例库建设

王晓璐 刘战合 赵辉

摘要：通用航空是综合交通运输体系的一个重要组成部分，也是飞行器设计与工程专业学生就业创业的优势领域之一。通航（通用航空的简称）产业具有门槛较低、形态多样和人才需求较大的特点。以就业创业为导向，郑州航空工业管理学院航空工程学院开发建设了通航飞机气动设计案例库，以期为飞行器设计与工程专业的人才培养提供参考。

关键词：飞行器设计与工程;通用航空;课程建设

通用航空是综合交通运输体系中的一个重要组成部分。就定义来看，除军用和公共运输之外的其他航空活动均属于通用航空的范畴，如公务机旅行、农林植保作业、医疗救助等。目前，通用航空正处于蓬勃发展的重要阶段，根据中国民航局的统计数据，截至2017年年底，全国通用航空企业数量达到365家，在册通用航空器数量为2297架，通用航空器全年飞行83.75万小时，同比分别增长13.3%、10.0%、9.5%。

就当前航空产业发展状况来看，通航（通用航空的简称）产业具有门槛较低、形态多样和人才需求较大的特点，因此，通航方向是航空专业毕业生就业的一个重要方向。为提高毕业生的就业创业能力与竞争力，郑州航空工业管理学院航空工程学院对飞行器设计与工程专业的课程进行了适当聚焦，并开发建设了通航飞机气动设计案例库。

一、通航飞机气动布局特点

与公共运输飞机不同，通航飞机的飞行任务涉及许多方面，通航飞机各机型的作业性质也存在较大的差异。在布局上，除公共运输飞机常使用的后掠翼和圆柱形机身的布局外，通航飞机还有旋翼布局，双尾撑布局，双翼布局，串列翼、旋翼和固定翼混合布局等多种布局形式。

如图1所示，在不同发动机形式和安装位置下，通航飞机有多种布局形式。以图中的布局G为例，二战时期的不少战斗机使用该布局，现在该布局被多款通航物流飞机借鉴与使用。其优点是使用螺旋桨发动机，成本低于喷气发动机，并且螺旋桨被机身、机翼和尾撑包裹，在一定程度上提高了安全性。布局J则适用于通航公务机，其特点是使用了H型尾翼，在单发失效时可产生偏航恢复力矩。图2则给出了两种用于物流运输的通航飞机的布局形式。可见，与公共运输飞机相比，通航飞机的气动布局较为灵活。一方面由于其任务多样，另一方面也与其设计成本较低、可选用无人驾驶方式等有关。在案例库建设上，我们结合社会需求确定合理的设计目标，引导学生以小组形式开展设计工作。

二、案例库基本内容及成果展示

（一）气动估算方法

教师在指导学生进行概念设计时，需要学生估算得到飞机的气动特性参数。飞机气动特性主要有升力特性和阻力特性两类。在概念设计阶段，学生一般使用经验公式估算，这些公式是基于飞机主要部件（如机翼、机身和尾翼）提出的，其中，阻力特性的估算难度一般大于升力特性的估算难度。

升力特性估算包括：巡航状态下翼型、机翼和全机的升力系数以及升力线斜率、起降时的最大升力系数。阻力特性估算包括：基本阻力（压差阻力）、摩擦阻力、诱导阻力、激波阻力（跨声速时需考虑）和附加阻力。具体公式学生可查阅《飞机设计手册》以及相关教科书、设计报告等得到。同时，教师指导学生将气动特性计算公式整理为Excel表格或Matlab文件形式，便于后续使用。

需要指出的是，概念设计阶段估算得到的阻力系数往往偏小，可能给后续性能计算带来一些问题。很多通航飞机由于机体流线型程度有限，其飞行速度小于公共運输飞机的飞行速度，此时必须较为细致地估算附加阻力。笔者借鉴国内外的技术资料，总结汇集了若干计算附加阻力的公式，并整理到Excel表格或Matlab软件中。典型的公式有支架阻力、起落架阻力、起落架整流罩阻力、浮筒（适用于水上飞机）阻力、座舱盖阻力、螺旋桨自由旋转（发动机失效时）阻力等的公式。

学生在飞机概念设计阶段一般不使用高精度的计算工具，但对于学有余力或参加过设计竞赛的学生，教师要支持他们使用商业计算流体力学软件进行数值模拟，以定量分析设计特性和参数影响，如观察螺旋桨滑流对机身的影响、分析对比巡航效率估算值是否合理等。数值模拟的结果可用于改善估算公式，也可延续用于学生的课程设计和毕业设计。

（二）通航飞机气动布局利弊说明及定量化展示

通航飞机气动设计的任务一般由学生组成团队完成，每个设计组一般只有1个气动布局方案。为避免仅由个别学生提出（其余学生“搭便车”），或者完全照搬已有飞机设计方案，教师要求他们给出方案权衡和各候选方案利弊说明，尽量定量化体现设计思想，如图3所示。

（三）课程成果展示

设计小组根据教师命题任务或自行提出设计任务，并论证分析，然后确定基本的布局形式与估算气动特性和飞行性能。图4、图5、图6给出了部分设计成果。其中，图4是针对城市交通问题，将汽车和飞机结合起来，提出的可垂直起降个人飞行器方案;图5是针对资源和特定目标的勘查问题，将便携性和可重构性结合起来，提出的便携式矢量推进无人机方案;图6是针对水域环境监控和治理问题，提出的联接翼布局水上通航飞机方案。这些任务与实际问题的关联度较高，非常适合作为学生就业创业的切入点。其中，图5和图6所展示的作品均入选国家级大学生创新创业训练计划，后者还荣获全国“互联网+”创新创业大赛铜奖和河南省专项财政资金扶持，并尝试向工业应用领域推广，

三、通航飞机气动设计案例库建设的总结与展望

学校结合通航产业的发展需求，以飞行器设计与工程专业的人才培养为背景，建设了通航飞机气动设计案例库。笔者介绍了案例库的基本内容，给出了在引导学生就业创业方面的若干成果，以期为飞行器设计与工程专业的人才培养提供参考。学生在通航飞机气动设计案例库建设的学习实践过程中有很大的收获，不仅是在专业知识与技能上的提高，而且是在团队协作意识与能力方面的提高，同时，学生的创新创业能力也有了较大的发展。这些收获对学生毕业之后的就业创业有重要的帮助和指导。

参考文献：

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