从整个飞行器设计的大方向上看,可以看做是流体、固体、总体三分天下。流体负责研究气动布局,固体负责研究机体结构。相对而言,总体设计相对应的任务似乎不是很清晰,因为无论是在气动布局的选择上还是在机体结构的确定上,都有总体设计在其作用。
一:飞机设计中的矛盾均衡性特点
飞机设计中充满着矛盾,要通过各种方案的研究来评价、折中和综合,不断进行改进,指导获得一个满足要求的综合最佳方案。如图一所示:以军用飞机的一般研制过程而言,每一个阶段都存在对不同方向的取舍。
图一:军用飞机的一般研制过程
图二:各个学科眼中的飞机
如图二所示:各个学科重视的方向各不一样,甚至相互冲突,这时对于整个飞机而言,不能只考虑任意一个方向。作为系统工程的飞行器设计,面对着各个子系统各个方面要求,
总体设计要解决的就是调和各个子系统的矛盾,一架好的飞机往往不是哪个子系统很强大
而在于总系统的均衡。
以米格29和F16为例而言:米格29在机动性能上不小的优势。如图三所示在跨音速阶段米格29的机动性相对F16有很大优势,在高空高速段亦有不小的优势。但是在空战效果中,米格29和F16的战绩相去甚远。抛开米格29使用国的航空力量不谈,单就两种作战平台而言,米格29在航电,武器,航程等其他因素上却远远不如F16。这也就说明了,对于飞机设计而言,特别对今后航空工业的发展而言,不能单单只注重于一方面因素,应该多从综合方面考虑。即便此时赋予飞机的任务很单一,作为设计师也应该给飞机留下足够空间以供改进。
图三:米格29和F16的瞬时与持续机动性包线对比图
二:面对折中权衡的反复迭代
飞行器设计是高度复杂的大系统,是一个周期很长的分阶段工程,是一个综合了多学科的科学技术系统工程。正因为前文所述的矛盾性,因此要通过各种方案的研究来评价、折中和综合,不断进行改进,只到获得一个满足要求的综合最佳方案。再考虑折中均衡时,反复迭代是在设计过程中不可缺少的手段。
仅以飞机重量估算而言,起飞总重的估算,最开始仅仅是凭设计人员经验来猜测,但是随着设计的深入,要不断的修正飞机使用空重、任务装载重量、任务油重,使得飞机起飞总重在反复迭代中达到设计要求允许的误差内。反复迭代这一特性不单在一型飞机上充分体现,也表现在不同时代飞机的设计思想继承和发展,以我国的鸭式布局来看:从最开始的抬式布局的提出到歼9鸭翼的发展,再到歼10的诞生,一直到歼20的横空出世,也体现了鸭翼技术在设计过程中反复迭代被中国航空人运用自如。
图四:我国早期抬式布局——ZM-01 抬式战斗机外形试验模型
图五:歼9气动布局方案
随着航空工业的进步,飞机设计师要考虑的因素将会越来越多,折中权衡将是设计师需要具备的基本能力,更应该避免追求单一指标的先进。对军用战斗机而言,从高空高速理念放弃到重视隐身性高机动性,就是空战中飞机综合性能的整体考虑;对军用运输机而言,高垂尾宽机体的布局,也是在无数实验中对作战任务折中均衡。无论是军用战斗机气动布局的变化还是军用运输机气动布局的稳定,都是这样折中均衡的体现。
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