飛機一體化設(shè)計技術(shù)與標準化

賈 曉

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

飛機一體化設(shè)計技術(shù)與標準化

賈 曉

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

通過對飛機一體化設(shè)計技術(shù)概念、原理、技術(shù)發(fā)展概況和應(yīng)用情況的介紹，分析了飛機一體化設(shè)計技術(shù)對航空技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展的影響、對飛機設(shè)計理念和流程的影響，研究了飛機一體化設(shè)計技術(shù)發(fā)展對標準制修訂、標準實施和標準化效能評估等標準化工作的影響，闡述了標準化工作的發(fā)展趨勢。

飛機 ； 一體化設(shè)計 ； 標準化

飛機設(shè)計是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，飛機設(shè)計的過程，就是運用系統(tǒng)工程方法對飛機總體性能和各系統(tǒng)技術(shù)指標進行權(quán)衡、折衷、綜合與優(yōu)化的過程。為了提高飛機的總體性能，飛機設(shè)計采用了越來越多的新技術(shù)、新材料和新方法，由此也衍生了新的系統(tǒng)。在飛機設(shè)計中盡可能多地將飛機的各個部件、各個系統(tǒng)和各項技術(shù)參數(shù)進行一體化設(shè)計，以便尋求盡可能優(yōu)化的飛機設(shè)計方案。

所謂飛機一體化設(shè)計，是指在掌握豐富的航空專業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用并行工程的設(shè)計方法和數(shù)字化設(shè)計的技術(shù)手段，對飛機所涉及系統(tǒng)進行全面的綜合和優(yōu)化，從而提高飛機性能，降低研制成本，縮短研制周期。

在實現(xiàn)手段上，飛機一體化設(shè)計主要依靠并行工程、虛擬設(shè)計、仿真技術(shù)和綜合優(yōu)化技術(shù)。通過并行工程，可以使飛機設(shè)計、制造、使用和維護專家集中到一起進行工作，在飛機的方案設(shè)計時，就考慮到制造、使用和維護上的要求，從而縮短研制周期，減少設(shè)計中發(fā)生的錯誤和不必要的更改。也可以使不同系統(tǒng)的設(shè)計師協(xié)同工作，提高設(shè)計的協(xié)調(diào)性，更好的發(fā)揮效能。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以提高設(shè)計人員的工作效率，減輕工作負擔(dān)，從而實現(xiàn)設(shè)計/制造一體化。利用計算機仿真軟件，可以大幅度減少試驗環(huán)節(jié)，這不但能節(jié)省時間和經(jīng)費，而且可以使設(shè)計人員迅速了解其設(shè)計方案的變更對于相關(guān)系統(tǒng)和飛機性能的影響，便于選出最優(yōu)設(shè)計方案。做好飛機一體化設(shè)計工作，必須依靠豐富的航空技術(shù)儲備。因為，只有對各項航空專業(yè)技術(shù)有了深入的了解，才能得出可信度高的計算機分析和仿真結(jié)果，而且，只有掌握了多種航空專業(yè)技術(shù)，才能在選擇技術(shù)途徑和技術(shù)方案時做到游刃有余。

1 技術(shù)發(fā)展及國外發(fā)達國家應(yīng)用

飛機設(shè)計是一項綜合性的技術(shù)。早在20世紀初，人們在研究顫振問題時，就已經(jīng)把飛機的結(jié)構(gòu)和強度進行綜合設(shè)計。20世紀70年代出現(xiàn)的主動控制技術(shù)，要求飛機設(shè)計人員必須把飛機的飛控系統(tǒng)與飛機的氣動布局進行一體化設(shè)計。隨后，美國通過“先進戰(zhàn)斗機綜合計劃”，先后開展了F-16、F-111和F-15等研究項目，對任務(wù)自適應(yīng)機翼、綜合飛行—推進控制、二元矢量推力、反推力噴管等技術(shù)進行了比較深入的研究。同時，美國還重點加強了隱身技術(shù)的研究，使得隱身與氣動的一體化設(shè)計逐步趨于成熟。這些航空專業(yè)技術(shù)的發(fā)展，為今后飛機的一體化設(shè)計奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

在設(shè)計手段上，隨著計算機和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，人們開發(fā)成功了一系列計算流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)分析、隱身性能分析、CAD/CAM以及使用、維護的計算機仿真軟件，并且把他們集成在一起，使飛機設(shè)計人員在進行某項設(shè)計或修改之后能夠迅速地分析和掌握飛機的性能及其對制造和使用等方面的影響，從而極大地提高了設(shè)計效率。

20世紀90年代以來，隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，以及并行工程在飛機設(shè)計中的應(yīng)用，傳統(tǒng)的飛機設(shè)計方法和設(shè)計手段已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化。目前，飛機一體化設(shè)計技術(shù)正受到越來越多國家的重視。無論是其理論研究還是工程應(yīng)用都在不斷取得突破。

國外飛機一體化設(shè)計技術(shù)應(yīng)用具有代表性的國家主要有美國、法國、英國和俄羅斯等。

1.1 美國一體化技術(shù)應(yīng)用

美國是目前世界上航空技術(shù)最為發(fā)達的國家，其飛機一體化設(shè)計技術(shù)也始終走在世界的前列。美國不但在飛機的隱身/氣動一體化、飛行/推力控制一體化、飛行/火控一體化和推力矢量等航空技術(shù)和航空系統(tǒng)的綜合方面處于領(lǐng)先地位，而且其計算機、軟件技術(shù)也居世界前列。

20世紀90年代初，波音公司在研制波音777時首次采用了“無紙設(shè)計”、“過程集成”、“并行工程”等飛機一體化設(shè)計技術(shù)，使研制周期幾乎比波音767縮短了一半，減少設(shè)計更改和返工率50%，裝配時出現(xiàn)的問題減少了50%～80%。

早在上世紀80年代，洛克希德·馬丁公司就自主開發(fā)了ACAD計算機輔助設(shè)計軟件，用于加快飛機總體設(shè)計和分析時的迭代過程，利用這套系統(tǒng)，可以使設(shè)計員很方便地設(shè)計和修改二維和三維幾何圖形。后來，該公司又引進了達索公司開發(fā)的CATIA三維交互式計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)，并開發(fā)了COMOK和COVIEW可視化設(shè)計工具，從而用數(shù)字樣機取代了金屬樣機，并為設(shè)計、制造一體化奠定了基礎(chǔ)。為了滿足F-35的研制需要，該公司開發(fā)了VPDI虛擬設(shè)計軟件，這套軟件不但可以幫助設(shè)計人員進行飛機的設(shè)計和修改，而且還可以對制造和使用維護的全過程進行仿真，使它的一體化設(shè)計能力得到了進一步的提高。

1.2 法國一體化技術(shù)應(yīng)用

法國對航空技術(shù)一直比較重視，并且堅持獨立自主的發(fā)展方針，掌握了現(xiàn)代飛機設(shè)計的許多關(guān)鍵技術(shù)。早在1981年，法國達索公司就推出了CATIA計算機輔助設(shè)計軟件，并將之用于飛機一體化設(shè)計。該軟件提供了非常豐富的造型工具來支持用戶的造型需求，能滿足特殊行業(yè)對曲面光滑性的苛刻要求，因而在航空、汽車及輪船等設(shè)計領(lǐng)域贏得了很高的聲譽，先后出口到許多國家。

1990年，達索公司在“隼2000”的設(shè)計中制造了數(shù)字樣機，從而取消了所有實物樣機。1993年，達索又將“陣風(fēng)”項目全盤數(shù)字化，在產(chǎn)品的全壽命過程中均可共享全部數(shù)據(jù)，并且利用并行工程和虛擬現(xiàn)實技術(shù)提高了飛機的設(shè)計水平。與美國的F-22相比，“陣風(fēng)”的主要不足在于它沒有采用隱身的氣動外形，從而導(dǎo)致其隱身能力不足。為了彌補在隱身技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)同美國的差距，法國加強了隱身技術(shù)研究。達索公司宣稱，AVE計劃涵蓋了無人機所有可能的應(yīng)用，包括戰(zhàn)斗無人機。AVE隱身無人機的研制成功，標志著法國的飛機一體化設(shè)計技術(shù)取得了新的進展。

1.3 英國一體化技術(shù)應(yīng)用

英國的航空技術(shù)不但具有悠久的歷史，而且還有許多獨到的地方。20世紀60年代，英國率先研制成功了垂直起落戰(zhàn)斗機“鷂”。20世紀80年代在研制EAP驗證機時，對飛機的機電系統(tǒng)進行了一體化設(shè)計，使該機的機電系統(tǒng)減重50%，降低成本50%，可用性提高8倍。后來，還把這項技術(shù)用到了EF2000上。

目前，英國在隱身技術(shù)和垂直/短距起落方面比其他歐洲國家具有明顯的優(yōu)勢。在EF2000的研制過程中，不但采用了氣動/結(jié)構(gòu)一體化、飛行/推進一體化和機電系統(tǒng)一體化技術(shù)，而且還采用了CATIA等數(shù)字化設(shè)計手段，并且開發(fā)了許多專用的優(yōu)化設(shè)計程序。例如，EF2000的機翼優(yōu)化就是由BAe公司的ECLIPE程序完成的。

1.4 俄羅斯一體化技術(shù)應(yīng)用

俄羅斯在材料和電子技術(shù)研發(fā)方面雖然不如西方國家，但是憑借其深厚的航空技術(shù)基礎(chǔ)和總體綜合能力，先后研制出米格-29、蘇-27等性能先進的飛機。冷戰(zhàn)結(jié)束后，由于受經(jīng)濟因素的影響，俄羅斯航空裝備的發(fā)展速度有所放慢，但卻一直沒有停止對先進技術(shù)的探索。1996年，裝有推力矢量噴管的蘇-37在范堡羅航展上震驚了世界；1997年，采用前掠翼布局的蘇-37首飛成功；2000年2月，俄羅斯隱身技術(shù)驗證機米格-1.44首飛成功。由此可見，俄羅斯在隱身、氣動、推力矢量和飛控等方面的一體化技術(shù)已經(jīng)具備了非常高的水平。同時，俄羅斯將一體化設(shè)計技術(shù)應(yīng)用于第五代戰(zhàn)斗機的研制。

2 對航空技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展的影響

通過飛機一體化設(shè)計技術(shù)，可以實現(xiàn)飛機設(shè)計工作中技術(shù)的集成、系統(tǒng)的集成、過程的集成、人員的集成和管理信息的集成。

所謂技術(shù)集成，是指在飛機設(shè)計過程中，同時考慮多項技術(shù)對飛機總體性能的影響，對各項技術(shù)參數(shù)進行統(tǒng)一的優(yōu)化。以飛機的隱身性為例，為了獲得良好的隱身性能，需要飛機具有較好的隱身外形，而飛機的隱身外形往往會造成飛機氣動性能的下降，利用飛機一體化設(shè)計系統(tǒng)中的氣動分析軟件和隱身性能分析軟件，就可以及時掌握各種設(shè)計方案對飛機隱身性和氣動性的影響，對飛機的氣動和隱身性能進行綜合優(yōu)化，從而得出氣動性和隱身性俱佳的設(shè)計方案。

所謂系統(tǒng)集成，是指將過去彼此獨立的系統(tǒng)集成在一起，實現(xiàn)信息和資源共享，降低全系統(tǒng)的重量和成本，提高系統(tǒng)的可靠性。此外，通過系統(tǒng)集成，還可以提高系統(tǒng)之間的相互協(xié)調(diào)性，增強飛機的作戰(zhàn)能力。

所謂過程集成，是指將飛機設(shè)計、制造、使用維護和改進改型中將要遇到的技術(shù)問題進行統(tǒng)一考慮，從而實現(xiàn)設(shè)計/制造一體化，并為今后的改進改型做好預(yù)先規(guī)劃。

所謂人員集成，是指通過計算機網(wǎng)絡(luò)和虛擬設(shè)計系統(tǒng)使得處于不同地方的設(shè)計、制造和使用維護人員共同為飛機設(shè)計進行工作，從而最大限度地發(fā)揮集體的智慧，減少設(shè)計中的疏忽和差錯。

所謂信息集成，就是通過數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，將飛機設(shè)計過程中的各種數(shù)據(jù)、資料和設(shè)計方案利用數(shù)字化技術(shù)進行統(tǒng)一管理，以便于設(shè)計、制造、使用維護和管理人員準確、迅速、方便地獲得各自所需的信息，從而提高工作效率，并為實現(xiàn)飛機的一體化生產(chǎn)和全壽命期管理創(chuàng)造條件。

飛機一體化設(shè)計技術(shù)對飛機設(shè)計工作所帶來的這些變化，有利于提高飛機性能，降低研制成本，縮短研制周期，從而使飛機的設(shè)計效率大大提高。

2.1 提高飛機性能

從系統(tǒng)工程的角度來看，當(dāng)多個系統(tǒng)和設(shè)備組合在一起時，必然會產(chǎn)生相互影響和干涉，根據(jù)不同設(shè)計要求得出的設(shè)計方案往往是相互矛盾的。通過一體化設(shè)計技術(shù)，可以對飛機的系統(tǒng)方案和設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化，對各種設(shè)計要求進行全面的折衷，并把各系統(tǒng)之間的不利干涉降到最小，從而使飛機的總體性能達到最優(yōu)。

2.2 降低研制成本

通過一體化設(shè)計，可以及早檢查飛機上各系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)性以及在制造、使用和維護上可能存在的問題，并及時予以解決，從而降低改正錯誤或改進設(shè)計所需要付出的代價。另外，利用一體化設(shè)計技術(shù)可以減少一些實物試驗，由此降低飛機的研制成本。

2.3 縮短研制周期

通過一體化設(shè)計，加速了設(shè)計、制造和使用維護人員之間的信息交流，便于檢查和更改設(shè)計方案中可能出現(xiàn)的問題，從而提高設(shè)計效率，縮短研制周期。

此外，飛機一體化設(shè)計技術(shù)可以很方便地移植到導(dǎo)彈、車輛、艦船等其他軍民用設(shè)計領(lǐng)域，為國防和國民經(jīng)濟建設(shè)發(fā)揮更大的作用。

3 對飛機設(shè)計理念和流程的影響

飛機一體化設(shè)計技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于型號研制的總體設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計與集成。采用一體化設(shè)計技術(shù)，必將引起傳統(tǒng)飛機設(shè)計流程的變革，實現(xiàn)由獨立工作模式向協(xié)同工作模式轉(zhuǎn)變、從串行設(shè)計模式向并行設(shè)計模式轉(zhuǎn)變和以經(jīng)驗為主導(dǎo)的設(shè)計模式向結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模式轉(zhuǎn)變。

3.1 從獨立工作模式向協(xié)同工作模式轉(zhuǎn)變

在傳統(tǒng)的工作方式下，各專業(yè)、各部門的工作過程相對獨立，協(xié)作性不強。另一方面，各專業(yè)、各部門的工程師由于受專業(yè)和主觀因素的制約，總是會過多地強調(diào)和考慮自己主管專業(yè)的性能指標，而忽略飛機的整體性能指標，對工作效率和設(shè)計質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。

因此，建立一個協(xié)同工作的基礎(chǔ)環(huán)境，各專業(yè)人員變被動協(xié)調(diào)為主動協(xié)調(diào)，實現(xiàn)從獨立工作模式向協(xié)同工作模式的轉(zhuǎn)變，是非常必要的。

協(xié)同設(shè)計模式突出人的作用，主張打破企業(yè)內(nèi)嚴格部門界限和工作界面，強調(diào)IPT小組有效的協(xié)同工作，這是成功實施協(xié)同設(shè)計關(guān)鍵因素所在。

波音公司在進行B777的數(shù)字化設(shè)計時，組建了238個由各個專業(yè)、部門人員參加的設(shè)計制造團隊（與IPT類似）同時進行集中式協(xié)同研發(fā)。他們依賴三維數(shù)字化設(shè)計與設(shè)計制造團隊的有效實施，在計算機上完成了飛機的設(shè)計、裝配以及測試，設(shè)計更改、返工率減少93%以上，比過去的項目裝配時出現(xiàn)的問題減少了50%～80%，研制周期從過去的8年時間縮減到5年。

3.2 從串行設(shè)計模式向并行設(shè)計模式轉(zhuǎn)變

并行設(shè)計是對包括產(chǎn)品設(shè)計、制造、支持在內(nèi)的相關(guān)過程進行集成化的、系統(tǒng)化的設(shè)計方法，它的目的是在一個協(xié)同設(shè)計環(huán)境里，進行一系列相互關(guān)聯(lián)的飛機零部件的同步設(shè)計、分析和工藝規(guī)劃，同時產(chǎn)生這些零部件的工裝設(shè)計和數(shù)控程序。并行和協(xié)同是現(xiàn)代飛機設(shè)計理念的兩個重要內(nèi)容。協(xié)同設(shè)計強調(diào)的是各專業(yè)、各部門人員的互相協(xié)作和緊密配合，并行設(shè)計強調(diào)的是各專業(yè)、各部門人員同步開展設(shè)計工作。

飛機結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)是一個有機的整體，在并行工作模式中，結(jié)構(gòu)設(shè)計除了考慮結(jié)構(gòu)件的布置、協(xié)調(diào)、干涉、容差等問題外，還對系統(tǒng)的安裝協(xié)調(diào)性、密封、維護以及其它方面的問題進行統(tǒng)籌綜合考慮，達到系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的整體協(xié)調(diào)，使系統(tǒng)的安裝與機體結(jié)構(gòu)完美匹配、管路布置均衡合理。而在傳統(tǒng)的設(shè)計模式中，當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計基本完成時，對與系統(tǒng)協(xié)調(diào)的問題只能采取事后補救的方式，影響設(shè)計質(zhì)量。

3.3 從以經(jīng)驗為主導(dǎo)的設(shè)計模式向結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模式轉(zhuǎn)變

隨著現(xiàn)代飛機性能要求的不斷提高，飛機的結(jié)構(gòu)形式變得日益復(fù)雜。在飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需要考慮的設(shè)計約束條件和設(shè)計參數(shù)越來越多，越來越繁雜。在這種情況下，設(shè)計工程師在設(shè)計階段對飛機結(jié)構(gòu)技術(shù)性能的把握就成了一項非常艱巨的工作。傳統(tǒng)的僅靠設(shè)計員的經(jīng)驗和粗略的估算校核來進行設(shè)計，然后再進行強度分析計算和各種試驗來進行驗證的做法，顯然已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求。

雖然設(shè)計人員可以不厭其煩地一次次修改設(shè)計參數(shù)以尋找最理想方案，但縮短開發(fā)周期的壓力通常要求分秒必爭，人們可能沒有更多的時間對數(shù)據(jù)參數(shù)進行手工調(diào)整。因此，將優(yōu)化技術(shù)引入設(shè)計過程變得非常必要，它能使設(shè)計人員從繁重的試湊工作中解脫出來，同時也使設(shè)計技術(shù)達到一個新的高度，從而大大提高設(shè)計的效率和成功率。

飛機設(shè)計流程的變革從根本上改變了傳統(tǒng)的飛機設(shè)計模式。它是一項系統(tǒng)工程，涉及面很廣，需要設(shè)計理念的轉(zhuǎn)變；需要設(shè)計人員素質(zhì)的提高；需要相應(yīng)的軟硬件投入；需要設(shè)計規(guī)范、技術(shù)管理方法和質(zhì)量管理方法的改革。

4 對標準化工作的影響

飛機一體化設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，將會帶來航空技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展的新時代，將產(chǎn)生全新飛機設(shè)計流程和設(shè)計理念，也會對標準化工作帶來深遠的影響。

4.1 對標準制修訂工作的影響

飛機一體化設(shè)計技術(shù)，會對現(xiàn)有的標準制修訂、標準應(yīng)用實施和標準化效果評價產(chǎn)生深遠的影響，在飛機一體化設(shè)計技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用過程中將會產(chǎn)生大量的飛機協(xié)同設(shè)計標準、并行設(shè)計標準、優(yōu)化設(shè)計標準、數(shù)字化平臺標準和研制管理標準，也會對標準制定理念和模式帶來新的影響，會引發(fā)現(xiàn)有標準體系的變革。

4.2 對標準實施應(yīng)用的影響

基于網(wǎng)絡(luò)信息化平臺的智標服務(wù)系統(tǒng)會快速發(fā)展，智標服務(wù)系統(tǒng)是專門針對標準化工作中的資源加工、知識組織與利用而研發(fā)的信息服務(wù)平臺，能夠為用戶提供自有資源整合、標準元數(shù)據(jù)搜索、知識關(guān)聯(lián)搜索及個性化定制等標準信息服務(wù)，實現(xiàn)標準檢索、多維度導(dǎo)航、知識元關(guān)聯(lián)、統(tǒng)計分析等。能夠建成一個標準信息服務(wù)的門戶系統(tǒng)；最大限度的實現(xiàn)標準的有機存儲，整合現(xiàn)在多種標準資源，實現(xiàn)“一站式”的標準建設(shè)和增值服務(wù)，完成對標準本身和各知識元的深度挖掘和關(guān)聯(lián)，滿足多樣化、準確性的標準信息需求將大大提升用戶單位或個人的績效產(chǎn)出與競爭力。

4.3 對標準化實施效果評價的影響

標準化實施效果評價發(fā)展趨勢是型號標準化效益評估，型號標準化效益評估方法可以定量計算標準化效益。利用研究建立的數(shù)學(xué)模型，分析調(diào)研中獲取的航空行業(yè)多個型號產(chǎn)品的型號標準化效益評估數(shù)據(jù)，直接地證明了型號標準化工作對型號產(chǎn)品研制做出重大貢獻。飛機一體化設(shè)計技術(shù)的廣泛應(yīng)用，將會從以下幾個方面推動型號標準化效益評估工作：

一是制定型號標準化效益評估標準和評估指南；

二是開展評估方法應(yīng)用研究工作；

三是開發(fā)型號標準化效益評估的軟件工具。

5 結(jié)束語

飛機設(shè)計是一項十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及許多方面和部門的工作，特別是設(shè)計和制造技術(shù)的關(guān)系十分密切。新一代飛機的設(shè)計和制造技術(shù)趨于復(fù)雜和日新月異，隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，飛機一體化設(shè)計技術(shù)將會廣泛應(yīng)用于型號研制中，也會促進飛機設(shè)計流程和設(shè)計理念的變革，同樣會對標準化工作帶來新的發(fā)展需求；標準化工作的發(fā)展，會進一步規(guī)范飛機一體化設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用，二者的結(jié)合，會使航空技術(shù)和航空產(chǎn)品的發(fā)展贏得新的空間。

（編輯：雨晴）

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C

1003–6660（2014）01–0003–04

[收修訂稿日期] 2013-12-17