飛機設計專業需要教什么

袁昌盛

（西北工業大學航空學院，陜西 西安 710072）

摘要：目前大學里的飛機設計教學不能夠滿足航空工業界的要求。近年來教育界開展了許多改革措施，但并沒有改善教育的基礎和效果。本文首先總結了飛行器設計的學科框架，建議了在開始設計課程之前必須要理解的關于性能、氣動、結構、推進、穩定性和操縱性方面的一些專題。在此基礎上提出了設計實踐的重要性和開展途徑，最后討論了航空教育面臨的問題。

關鍵詞：飛機設計；教學體系；學科框架；設計實踐

中圖分類號：V221 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）52-0206-03

飛行器設計專業近些年來一直是航空領域最熱門的專業，無論從招生或是就業方面都受到最高關注。但我們的飛行器設計教育現狀卻不容樂觀，大多數畢業生不能滿足工程單位的需求。許多本科生甚至研究生進入單位后無法勝任工作，需要經過長時間的培訓和適應。這一方面是由于學校環境和工程環境的文化差異，另一方面也要歸因于高校的教學體系和培養目標不盡合理，無法滿足工業界的需求。本文試圖從工業界的需求出發，探討高校的航空專業飛行器設計教育的知識體系構建和教學組織，希望提升學生的基礎能力和對具體工作的適應能力。

一、什么是飛行器設計

工業設計師Victor Papanek對設計的定義是“為構建有意義的秩序而付出的努力”[1]。這種定義比較抽象，它強調的是建立起秩序或規則。在實際設計工作中，不同專業領域的關注點會有不同，在形式、內容和行為方面均會有所體現。具體到飛行器設計，可以參看J.Roskam給出的定義[2]：“航空設計是迭代的、非唯一的過程；在這個過程當中，飛機構型、結構和系統集成在一起綜合發展，以達到應用領域的基本指標要求。”Roskam的定義其實是將“設計”當作一個黑匣子，只看輸出結果。至于其中的過程，則是相當復雜了，在他的八卷本、三千多頁的著作《Airplane Design》中有詳細論述。設計工作主要在于構思和規劃，這些工作需要深厚的基礎理論知識，也需要廣泛的實踐經驗。另外，還要強調的是，設計的靈魂在于主動性和創造性。在航空設計學科的教學規劃中，需要綜合考慮這些方面。

二、航空設計學科的知識體系

設計課程植根于一系列基礎學科之上，開始學習之前需要對這些基礎知識有充分的理解。大致來說，在開始飛機設計課程之前，需要先修的課程包括以下學科。

1.空氣動力學——包括空氣動力學的基本概念和分析方法，如不可壓流、可壓流、無粘、粘性流等；翼型的基本特性，如升力、阻力、力矩特性；增升系統（襟翼、縫翼）的原理的效用；雷諾數和馬赫數對氣動特性的影響；三維機翼的特性，厚度、彎度、后掠角、展弦比、梢根比等的影響；機翼、機身、吊艙等部件之間的干擾效應；操縱面效能等。

2.飛行性能——掌握極曲線、發動機性能以及起降性能、爬升性能、巡航性能、機動性能等的計算與評估方法。

3.穩定性與操縱性——包括靜態和動態分析，可以計算飛機氣動力和力矩、靜穩定導數和操縱導數，了解多種布局飛機的氣動中心、中性點、機動點概念，機動飛行的配平，極限狀態的操縱能力等；了解計算動導數的方法，分析短周期、振蕩、螺旋和荷蘭滾的基本模態；了解駕駛員評價準則，同時也要了解相關的民用和軍用規范。

4.推進系統——了解各類發動機的原理和特點；掌握螺旋槳特性、噴氣發動機特性的計算方法，能夠對進氣道、尾噴管等部件進行分析和參數確定。

5.結構——了解氣動載荷的特點和確定方法，可以分析主要載荷及其傳力路線，了解航空器主要結構型式及其分析方法，掌握有限元素法，還要對材料特性、工藝特性有基本的了解。

6.自動飛行控制——自動控制原理，基本分析方法如根軌跡法、伯德圖，頻域、時域分析；增穩系統，基本自動飛行控制模式；飛行儀表的原理與使用，傳感器動力學特性及其對閉環控制系統的影響等。

以上提出的這些學科覆蓋面廣，知識點散布，在課程設置方面需要合理籌劃，尤其要注意銜接問題。我們教學中曾經歷先修課和后續課程同時開課的情況，學生在沒有先修基礎的情況下完全無法理解后續課程，造成教與學雙方的極大浪費。另外，對于設計專業的學生，在以上課程的教學中需要具備設計方面的內容。這意味著在教學過程中要有大量的開放式問題，這可以激發設計思維，同時也可以加深對于專業基礎知識的理解。

三、設計實踐的地位和重要性

上世紀末美國一些調查指出[3]：“航空工程師中有超過40%的人從事設計相關工作（方案設計、初步設計、詳細設計、工藝設計等）”，可見設計對于工業發展的重要性。航空工業界普遍對于現今的畢業生不滿意，大多數工程主管人員認為航空專業的學生沒有足夠的設計知識，不能勝任實際工作。問題的脈絡很清楚：工業企業靠產品盈利，產品的競爭力源自優秀的設計，而我們的航空業設計能力嚴重不足。對于航空院校來說，要提升畢業生的工作能力，除了基礎理論知識和高級應用技術的授課之外，設計實踐是一個必不可少的環節。美國工程與技術認定委員會（ABET）在1971年要求所有工程院校課程中都必須包括一年半的設計實踐內容[4]。這其實是非常困難的目標，大多數院校都難以實現。只有少數幾個協會如AIAA，致力于嚴格但又循序漸進的改進；而有些行業，如電子工程，則無法達到這樣的要求。作為結果，美國航空航天產業情況較好，但在電器領域則很不樂觀，美國家用電器的貿易額遠低于競爭對手。其實即使在航空航天領域，美國也面臨世界范圍的競爭，正在興起的競爭對手——歐洲和日本——的高校里學生可以獲得更多的設計經驗[5]。以上例子中，雖然不能斷定行業競爭力與學校課程一定是正相關，但多少也可以看出一些聯系。設計實踐的目的大致有三個：①深入理解基礎理論知識；②融會貫通知識體系；③強化確定問題、分析問題和解決問題的能力。以上這些方面在課堂教學中是難以貫徹的，大多數課堂教學還是宣講——模仿的模式，禁錮著學生的主動性和創造力。而設計實踐的特點之一就是問題的開放性，有多種解決方案，也面臨多方面的問題，這可與課堂教學相互補充、相互促進。因此，需要特別強調：設計實踐不應只是課堂教學的補充，設計實踐和課堂教學是整個教學過程中兩個同等重要的組成部分，是并駕齊驅的。

四、設計實踐的開展

前面已經提到設計實踐的目的，那么在實施的過程中，需要注意兩個方面：基礎知識和設計方法的理解；系統集成技能的強化。對于專題的設置，希望能夠盡量模擬真實的設計。這意味著要有明確的設計要求，設計過程要包括分析、討論，最后要有設計報告和設計總結；需要以團隊工作的方式，處理真實的、開放性的問題。時間方面最少要包括兩個學期，這樣才可能有機會深入理解設計過程，同時也有足夠的時間實施設計過程中的迭代。最后還要強調一點，“模擬真實”的關鍵在于結果的真實：學生需要進行真正的分析和計算，做出可行的估計，并由此做出設計決策。對于航空設計專業，通過以下途徑，希望可以使學生更好地掌握所需的設計知識和系統集成技能。

1.獨立完成一架飛機從指標要求到三面圖的設計過程。其中要包括一些主要系統的集成，如發動機、起落架、人員和裝載等。

2.以團隊合作的形式完成一架飛機從任務指標權衡直到最終報告的過程。最終報告要包括飛機的描述和系統集成、制造、最終裝配、材料選擇和成本預測等方面的重要特性。

要為學生的設計報告設立高標準。另外，設計過程中還要經常組織口頭報告和討論，并使用高質量的輔助演示工具。（以目前的工具軟件水平和易用度，制作符合工業標準的設計報告和輔助演示不是什么問題[6]，但我們的學生在這方面顯然缺少訓練，能力平平。）

五、航空設計教育的困境

航空工業界的需求比較明確：要有真正理解設計并具備更多設計經驗的畢業生。而這兩方面都比較難于滿足——基礎理論教學和設計實踐的效果都不盡如人意，原因是多方面的。從院校方面大體說有以下幾個問題：

1.大學里設計研究方面的經費不多。對希望晉升的年輕人來說，設計不是一個有吸引力的領域。在分析和實驗領域的經費則要多得多，因而也受到年輕人特別的關注。

2.在設計領域發表文章的機會不多。除了設計研究的經費缺乏，實際上也缺少真正的“設計期刊”。（即使在國際范圍，也幾乎沒有純粹的飛機設計期刊。）

3.以上兩條使年輕人不愿從事設計方面的教研，但真正留下的年輕教師又有著另一個問題：他們很少能勝任設計工作——設計技巧需要從實踐中獲得，而在高校中幾乎沒有實踐的機會。

4.大多數高校管理者并不了解，設計教學是一項非常耗時的工作，比常規課程所需的時間多得多！為設計報告評分和頻繁的設計咨詢討論占用了大量額外的時間，遠超過課堂授課的時間。

5.設計專業的教學難以適應高校的評價體系。對于目前流行的量化評估體系，在實踐設置方面、在創造性方面、在工作態度方面如何量化，還是一個很難解決的問題。

另外，畢業生自身也面臨著一種文化沖突，即從校園文化到企業文化的轉換，所謂校園文化關注于教學和研究，而企業文化則強調制造產品并將其銷售。這需要思維轉變和行為模式的轉換，但這些問題在學校很難接觸到。

飛行器設計不同于航空領域的其他分析類學科，它不但需要扎實的基礎，也需要開闊的思路和融會貫通的能力，因而在教學和實踐方面都需要專門的規劃和系統的安排。在飛行器設計的教學方面，需要非常大的投入，卻不見得有明顯的效果，無法吸引有能力的教職人員。要解決這個問題，需要提高設計在教育環境中的地位。德國在第二次世界大戰期間造出那么多種突破性的新飛機，想來也不奇怪——在許多德國大學里，執教設計課程被賦予高度的榮譽。德國許多最有天分的飛機設計師，如容克（Junkers）、梅塞施密特（Messerschmitt）、福克（Focke）、亨克爾（Heinkel）等被授予教授級職位，在保持他們工業界地位的同時進行教學活動。高校管理者應該面對這個事實：企業靠他們產品來獲得利潤！產品的競爭力取決于設計團隊的工作，為了保持競爭優勢企業需要越來越多有能力的設計師。高校的產品是畢業生，如果他們在設計能力方面能有所提高，對于企業、學生個人和學校都是非常有益的。國家工業的競爭力在很大程度上依賴于設計能力，這需要教育界和工業界共同長期的努力。

參考文獻：

[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