面向就業創業的通航飛機氣動設計案例庫建設

王曉璐 劉戰合 趙輝

摘要：通用航空是綜合交通運輸體系的一個重要組成部分，也是飛行器設計與工程專業學生就業創業的優勢領域之一。通航（通用航空的簡稱）產業具有門檻較低、形態多樣和人才需求較大的特點。以就業創業為導向，鄭州航空工業管理學院航空工程學院開發建設了通航飛機氣動設計案例庫，以期為飛行器設計與工程專業的人才培養提供參考。

關鍵詞：飛行器設計與工程;通用航空;課程建設

通用航空是綜合交通運輸體系中的一個重要組成部分。就定義來看，除軍用和公共運輸之外的其他航空活動均屬于通用航空的范疇，如公務機旅行、農林植保作業、醫療救助等。目前，通用航空正處于蓬勃發展的重要階段，根據中國民航局的統計數據，截至2017年年底，全國通用航空企業數量達到365家，在冊通用航空器數量為2297架，通用航空器全年飛行83.75萬小時，同比分別增長13.3%、10.0%、9.5%。

就當前航空產業發展狀況來看，通航（通用航空的簡稱）產業具有門檻較低、形態多樣和人才需求較大的特點，因此，通航方向是航空專業畢業生就業的一個重要方向。為提高畢業生的就業創業能力與競爭力，鄭州航空工業管理學院航空工程學院對飛行器設計與工程專業的課程進行了適當聚焦，并開發建設了通航飛機氣動設計案例庫。

一、通航飛機氣動布局特點

與公共運輸飛機不同，通航飛機的飛行任務涉及許多方面，通航飛機各機型的作業性質也存在較大的差異。在布局上，除公共運輸飛機常使用的后掠翼和圓柱形機身的布局外，通航飛機還有旋翼布局，雙尾撐布局，雙翼布局，串列翼、旋翼和固定翼混合布局等多種布局形式。

如圖1所示，在不同發動機形式和安裝位置下，通航飛機有多種布局形式。以圖中的布局G為例，二戰時期的不少戰斗機使用該布局，現在該布局被多款通航物流飛機借鑒與使用。其優點是使用螺旋槳發動機，成本低于噴氣發動機，并且螺旋槳被機身、機翼和尾撐包裹，在一定程度上提高了安全性。布局J則適用于通航公務機，其特點是使用了H型尾翼，在單發失效時可產生偏航恢復力矩。圖2則給出了兩種用于物流運輸的通航飛機的布局形式。可見，與公共運輸飛機相比，通航飛機的氣動布局較為靈活。一方面由于其任務多樣，另一方面也與其設計成本較低、可選用無人駕駛方式等有關。在案例庫建設上，我們結合社會需求確定合理的設計目標，引導學生以小組形式開展設計工作。

二、案例庫基本內容及成果展示

（一）氣動估算方法

教師在指導學生進行概念設計時，需要學生估算得到飛機的氣動特性參數。飛機氣動特性主要有升力特性和阻力特性兩類。在概念設計階段，學生一般使用經驗公式估算，這些公式是基于飛機主要部件（如機翼、機身和尾翼）提出的，其中，阻力特性的估算難度一般大于升力特性的估算難度。

升力特性估算包括：巡航狀態下翼型、機翼和全機的升力系數以及升力線斜率、起降時的最大升力系數。阻力特性估算包括：基本阻力（壓差阻力）、摩擦阻力、誘導阻力、激波阻力（跨聲速時需考慮）和附加阻力。具體公式學生可查閱《飛機設計手冊》以及相關教科書、設計報告等得到。同時，教師指導學生將氣動特性計算公式整理為Excel表格或Matlab文件形式，便于后續使用。

需要指出的是，概念設計階段估算得到的阻力系數往往偏小，可能給后續性能計算帶來一些問題。很多通航飛機由于機體流線型程度有限，其飛行速度小于公共運輸飛機的飛行速度，此時必須較為細致地估算附加阻力。筆者借鑒國內外的技術資料，總結匯集了若干計算附加阻力的公式，并整理到Excel表格或Matlab軟件中。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（適用于水上飛機）阻力、座艙蓋阻力、螺旋槳自由旋轉（發動機失效時）阻力等的公式。

學生在飛機概念設計階段一般不使用高精度的計算工具，但對于學有余力或參加過設計競賽的學生，教師要支持他們使用商業計算流體力學軟件進行數值模擬，以定量分析設計特性和參數影響，如觀察螺旋槳滑流對機身的影響、分析對比巡航效率估算值是否合理等。數值模擬的結果可用于改善估算公式，也可延續用于學生的課程設計和畢業設計。

（二）通航飛機氣動布局利弊說明及定量化展示

通航飛機氣動設計的任務一般由學生組成團隊完成，每個設計組一般只有1個氣動布局方案。為避免僅由個別學生提出（其余學生“搭便車”），或者完全照搬已有飛機設計方案，教師要求他們給出方案權衡和各候選方案利弊說明，盡量定量化體現設計思想，如圖3所示。

（三）課程成果展示

設計小組根據教師命題任務或自行提出設計任務，并論證分析，然后確定基本的布局形式與估算氣動特性和飛行性能。圖4、圖5、圖6給出了部分設計成果。其中，圖4是針對城市交通問題，將汽車和飛機結合起來，提出的可垂直起降個人飛行器方案;圖5是針對資源和特定目標的勘查問題，將便攜性和可重構性結合起來，提出的便攜式矢量推進無人機方案;圖6是針對水域環境監控和治理問題，提出的聯接翼布局水上通航飛機方案。這些任務與實際問題的關聯度較高，非常適合作為學生就業創業的切入點。其中，圖5和圖6所展示的作品均入選國家級大學生創新創業訓練計劃，后者還榮獲全國“互聯網+”創新創業大賽銅獎和河南省專項財政資金扶持，并嘗試向工業應用領域推廣，

三、通航飛機氣動設計案例庫建設的總結與展望

學校結合通航產業的發展需求，以飛行器設計與工程專業的人才培養為背景，建設了通航飛機氣動設計案例庫。筆者介紹了案例庫的基本內容，給出了在引導學生就業創業方面的若干成果，以期為飛行器設計與工程專業的人才培養提供參考。學生在通航飛機氣動設計案例庫建設的學習實踐過程中有很大的收獲，不僅是在專業知識與技能上的提高，而且是在團隊協作意識與能力方面的提高，同時，學生的創新創業能力也有了較大的發展。這些收獲對學生畢業之后的就業創業有重要的幫助和指導。

參考文獻：

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