通航飛機設計課程模塊的開發與探索

王曉璐 王菁 趙輝

摘要：傳統的飛機設計教材和課程多以軍機和大型民機為研究對象，較少研究通航飛機，所以當前對通航飛機進行適當的聚焦是必要和重要的。鄭州航空工業管理學一院飛行器設計與工程專業以企業需求和學生就業為.導向，結合通航產業的發展趨勢，開發了通航飛機設計課程的若干模塊，并嘗試將理論課程與實踐課程相結合，以提高學生的就業創業能力。基于現有的通航飛機設計課程模塊，未來要在給出適合典型通航飛機的簡化計算模型、完善課程作業的考核機制、繼續加強與行業企業的聯系等方面加強研究。

關鍵詞：通航飛機;人才培養;課程模塊

飛行器設計與工程專業是航空航天類本科院校的重要專業之一，其專業課程主要圍繞飛行器設計展開。受我國航空工業發展歷史的影響，目前該專業的教材和課程多以軍機和大型民機為研究對象，較少研究通航飛機。而從就業去向來看，大部分畢業生尤其是地方本科院校畢業生進入軍機和大型民機設計院所，從事飛行器設計是不太現實的。就當前航空產業發展現狀來看，通航產業具有門檻較低、形態多樣和人才需求量較大的特點，因此，保持培養方案框架不變，對通航飛機進行適當的聚焦是必要和重要的。

現有的《飛行器總體設計》《空氣動力學》《飛行器系統設計》《飛行器結構設計》等教材中對民用飛機的討論相對較少，涉及通航飛機的吏是寥寥無兒。鄭州航空工業管理學院在2012-2014級飛行器設計與工程專業培養方案中增添了專業選修課程——通用航空技術課程，該課程主要介紹通用航空的政策、市場、飛行員培訓和飛機機型等。這門課程開闊了學生的專業視野，但由于通航產業發展歷史較短，有關設計和工程部分的內容偏少。此外，針對飛行器設計與工程專業的學生，學校還開設了無人機系統導論課程，主要介紹無人機在通航產業內的若干應用情況。但由于無人機強調無人駕駛的智能控制方式，而通航飛機則強調與公共運輸飛機的設計區別，兩者的定義和操作方式并不相同，因此，開設介紹通航飛機技術特點和設計方法的課程是非常必要的。以通用航空企業需求為導向，學校開發了若干通航飛機設計課程模塊，并嘗試將其與實踐課程、就業創業課程相結合，以使其更具針對性和目標性。現將課程框架和內容介紹如下。

一、通航飛機設計課程框架及模塊

（一）適航條例簡介

通航飛機隸屬于民用飛機，其設計、制造和運營一般遵循民航局適航條例的要求。適航條例對飛行員和乘客人數、最大起飛重量、過載系數等均給出了定量約束。通過對適航體系和適航條例的介紹，學生不僅理解了各項參數的由來，還增強了自身的法規意識。

（二）任務剖面和飛行性能

通航飛機常見功能包括旅游觀光、氣象探測、空中巡查和農林植保等。通航飛機任務剖面與公共運輸飛機任務剖面存在較大的區別，這影響到了通航飛機的飛行性能和指標（如下表所示）。對典型通航飛機任務剖面和飛行性能的介紹和分析，可以擴展學生對飛機參數的認識范疇。

（三）氣動布局和結構設計

飛行器設計的任務是針對設計指標提出符合條件的設計方案。氣動布局和結構設計是設計方案中的重要組成部分，也是學生可以直觀感受到的技術特征。結合典型通航飛機，教師要引導學生估算相關參數，并分析與任務剖面的聯系，從而加深學生對所學知識的理解。比如，為何商用飛機機身為圓柱形，而有些通航飛機機身為蝌蚪形（如圖1所示）？為何有些通航飛機使用雙尾撐布局（如圖2所示）？這些飛機的設計依據是什么？其氣動性能和結構設計與常見商用飛機有何不同？物流配送通航飛機（無人機）的研發是目前新聞報道的熱點，它們未來會使用哪些布局？等等。這些都是教師要帶領學生思考并探索的重要問題。

（四）制造和運營維護

通航企業一般都購置了成熟機型，受適航成本的限制，設計全新機型的需求較少，畢業生的工作崗位多為運營和維護。飛行器設計與工程專業的學生要了解通航飛機的制造工藝與材料、開口位置和零部件檢修注意事項等。

教師在實際講授和操作時要注意應用相關的案例作為研究對象。比如，對于多以農林植保為目的的有人駕駛固定翼通航飛機和市場上常見的多旋翼無人機的具體區別，教師要引導學生計算不同任務下的各分項成本及載荷布置形式，并估算單位飛行小時成本。同時，教師也應要求學生收集相關企業的有關數據，對比計算結果是否合理。

由于在先導課程中，學生對飛機設計、制造、運營等整個流程已有輪廓性的了解，再結合算例，這樣的教學方式可以加深學生對設計約束的認識以及對動力形式、重量和成本的辯證關系的直觀和定量的理解，同時也可以培養學生的市場意識和就業創業意識。

二、理論課程與實踐課程的結合

飛行器設計在本質上是沒有標準答案的，而通航飛機的特點是任務多樣、形態豐富.因此.通航飛機的設計非常適合培養學生的創新能力和實踐能力。教師在課程設計和課余競賽中可以使用開放式的命題，引導學生根據命題需求提出設計方案，并進行分析迭代，在論證設計的合理性后，讓學生制作出實物模型進行驗證。

例如：針對勘查類小型固定翼飛機體積較大、需要滑跑場地的問題，學生提出了“便攜式矢量推進無人機”設計方案，其特點是機翼可折疊、使用矢量電機推進等;針對水域環境監控和治理問題，學生提出了“面向水污染樣本自動采集的水上無人機”設計方案，其特點是使用聯接翼的兩棲飛機布局，具有良好的氣動和結構效率以及抗浪性。

三、后續工作展望

當前，“互聯網+”和人工智能正處于蓬勃發展階段。在新技術的牽引下，通航飛機也逐漸融入人們的日常生活。人才培養和專業定位不僅要考慮學科的發展，還要與學生的就業創業密切結合。基于已有課程模塊，研究者圍繞以下若干方面進行改進和完善。

（一）給出適合典型通航飛機的簡化計算模型

在對飛機進行概念設計時，需要較為方便地估算出若干性能參數。目前針對通航飛機的公式和模型相對較少，進行高精度的數值模擬將耗費大量的時間，難度也比較大，很容易影響學生學習的積極性。因此，教師需要針對阻力和重量等重要參數，給學生提供若干簡化的計算模型。

（二）完善課程作業的考核機制

飛機設計和制作是團隊行為，在制作環節進行定量化的分工和考核是非常重要的。但在設計領域（如布局形式的選擇、動力裝置和結構件的選擇與布置等），往往僅由個別學生提出和確定，部分學生容易出現“搭便車”的行為。教師可以嘗試引人方案權衡和打分評議等考核機制，讓每個學生都積極參與到設計過程中。

（三）繼續加強與行業企業的聯系

課程已有案例主要來自與相關通航企業的合作。目前，不少通航企業處于發展初期，更需要運營和維護方面的人才。高校要以企業技術升級為抓手，逐步從設計源頭提出問題和解決方案，從而推進課程的精細化建設。

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