飛機設(shè)計專業(yè)需要教什么

袁昌盛

（西北工業(yè)大學航空學院，陜西 西安 710072）

摘要：目前大學里的飛機設(shè)計教學不能夠滿足航空工業(yè)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(chǔ)和效果。本文首先總結(jié)了飛行器設(shè)計的學科框架，建議了在開始設(shè)計課程之前必須要理解的關(guān)于性能、氣動、結(jié)構(gòu)、推進、穩(wěn)定性和操縱性方面的一些專題。在此基礎(chǔ)上提出了設(shè)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(guān)鍵詞：飛機設(shè)計；教學體系；學科框架；設(shè)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(shè)計專業(yè)近些年來一直是航空領(lǐng)域最熱門的專業(yè)，無論從招生或是就業(yè)方面都受到最高關(guān)注。但我們的飛行器設(shè)計教育現(xiàn)狀卻不容樂觀，大多數(shù)畢業(yè)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(jīng)過長時間的培訓和適應(yīng)。這一方面是由于學校環(huán)境和工程環(huán)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(yǎng)目標不盡合理，無法滿足工業(yè)界的需求。本文試圖從工業(yè)界的需求出發(fā)，探討高校的航空專業(yè)飛行器設(shè)計教育的知識體系構(gòu)建和教學組織，希望提升學生的基礎(chǔ)能力和對具體工作的適應(yīng)能力。

一、什么是飛行器設(shè)計

工業(yè)設(shè)計師Victor Papanek對設(shè)計的定義是“為構(gòu)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(diào)的是建立起秩序或規(guī)則。在實際設(shè)計工作中，不同專業(yè)領(lǐng)域的關(guān)注點會有不同，在形式、內(nèi)容和行為方面均會有所體現(xiàn)。具體到飛行器設(shè)計，可以參看J.Roskam給出的定義[2]：“航空設(shè)計是迭代的、非唯一的過程；在這個過程當中，飛機構(gòu)型、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)集成在一起綜合發(fā)展，以達到應(yīng)用領(lǐng)域的基本指標要求。”Roskam的定義其實是將“設(shè)計”當作一個黑匣子，只看輸出結(jié)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(shè)計工作主要在于構(gòu)思和規(guī)劃，這些工作需要深厚的基礎(chǔ)理論知識，也需要廣泛的實踐經(jīng)驗。另外，還要強調(diào)的是，設(shè)計的靈魂在于主動性和創(chuàng)造性。在航空設(shè)計學科的教學規(guī)劃中，需要綜合考慮這些方面。

二、航空設(shè)計學科的知識體系

設(shè)計課程植根于一系列基礎(chǔ)學科之上，開始學習之前需要對這些基礎(chǔ)知識有充分的理解。大致來說，在開始飛機設(shè)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(tǒng)（襟翼、縫翼）的原理的效用；雷諾數(shù)和馬赫數(shù)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(yīng)；操縱面效能等。

2.飛行性能——掌握極曲線、發(fā)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(wěn)定性與操縱性——包括靜態(tài)和動態(tài)分析，可以計算飛機氣動力和力矩、靜穩(wěn)定導數(shù)和操縱導數(shù)，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(tài)的操縱能力等；了解計算動導數(shù)的方法，分析短周期、振蕩、螺旋和荷蘭滾的基本模態(tài)；了解駕駛員評價準則，同時也要了解相關(guān)的民用和軍用規(guī)范。

4.推進系統(tǒng)——了解各類發(fā)動機的原理和特點；掌握螺旋槳特性、噴氣發(fā)動機特性的計算方法，能夠?qū)M氣道、尾噴管等部件進行分析和參數(shù)確定。

5.結(jié)構(gòu)——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(jié)構(gòu)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(wěn)系統(tǒng)，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(huán)控制系統(tǒng)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(shè)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(jīng)歷先修課和后續(xù)課程同時開課的情況，學生在沒有先修基礎(chǔ)的情況下完全無法理解后續(xù)課程，造成教與學雙方的極大浪費。另外，對于設(shè)計專業(yè)的學生，在以上課程的教學中需要具備設(shè)計方面的內(nèi)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(fā)設(shè)計思維，同時也可以加深對于專業(yè)基礎(chǔ)知識的理解。

三、設(shè)計實踐的地位和重要性

上世紀末美國一些調(diào)查指出[3]：“航空工程師中有超過40%的人從事設(shè)計相關(guān)工作（方案設(shè)計、初步設(shè)計、詳細設(shè)計、工藝設(shè)計等）”，可見設(shè)計對于工業(yè)發(fā)展的重要性。航空工業(yè)界普遍對于現(xiàn)今的畢業(yè)生不滿意，大多數(shù)工程主管人員認為航空專業(yè)的學生沒有足夠的設(shè)計知識，不能勝任實際工作。問題的脈絡(luò)很清楚：工業(yè)企業(yè)靠產(chǎn)品盈利，產(chǎn)品的競爭力源自優(yōu)秀的設(shè)計，而我們的航空業(yè)設(shè)計能力嚴重不足。對于航空院校來說，要提升畢業(yè)生的工作能力，除了基礎(chǔ)理論知識和高級應(yīng)用技術(shù)的授課之外，設(shè)計實踐是一個必不可少的環(huán)節(jié)。美國工程與技術(shù)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(shè)計實踐內(nèi)容[4]。這其實是非常困難的目標，大多數(shù)院校都難以實現(xiàn)。只有少數(shù)幾個協(xié)會如AIAA，致力于嚴格但又循序漸進的改進；而有些行業(yè)，如電子工程，則無法達到這樣的要求。作為結(jié)果，美國航空航天產(chǎn)業(yè)情況較好，但在電器領(lǐng)域則很不樂觀，美國家用電器的貿(mào)易額遠低于競爭對手。其實即使在航空航天領(lǐng)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(shè)計經(jīng)驗[5]。以上例子中，雖然不能斷定行業(yè)競爭力與學校課程一定是正相關(guān)，但多少也可以看出一些聯(lián)系。設(shè)計實踐的目的大致有三個：①深入理解基礎(chǔ)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(shù)課堂教學還是宣講——模仿的模式，禁錮著學生的主動性和創(chuàng)造力。而設(shè)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(diào)：設(shè)計實踐不應(yīng)只是課堂教學的補充，設(shè)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(qū)的。

四、設(shè)計實踐的開展

前面已經(jīng)提到設(shè)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(chǔ)知識和設(shè)計方法的理解；系統(tǒng)集成技能的強化。對于專題的設(shè)置，希望能夠盡量模擬真實的設(shè)計。這意味著要有明確的設(shè)計要求，設(shè)計過程要包括分析、討論，最后要有設(shè)計報告和設(shè)計總結(jié)；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(shè)計過程，同時也有足夠的時間實施設(shè)計過程中的迭代。最后還要強調(diào)一點，“模擬真實”的關(guān)鍵在于結(jié)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(shè)計決策。對于航空設(shè)計專業(yè)，通過以下途徑，希望可以使學生更好地掌握所需的設(shè)計知識和系統(tǒng)集成技能。

1.獨立完成一架飛機從指標要求到三面圖的設(shè)計過程。其中要包括一些主要系統(tǒng)的集成，如發(fā)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(wù)指標權(quán)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(tǒng)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(shè)計報告設(shè)立高標準。另外，設(shè)計過程中還要經(jīng)常組織口頭報告和討論，并使用高質(zhì)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(yè)標準的設(shè)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(shè)計教育的困境

航空工業(yè)界的需求比較明確：要有真正理解設(shè)計并具備更多設(shè)計經(jīng)驗的畢業(yè)生。而這兩方面都比較難于滿足——基礎(chǔ)理論教學和設(shè)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(shè)計研究方面的經(jīng)費不多。對希望晉升的年輕人來說，設(shè)計不是一個有吸引力的領(lǐng)域。在分析和實驗領(lǐng)域的經(jīng)費則要多得多，因而也受到年輕人特別的關(guān)注。

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

3.以上兩條使年輕人不愿從事設(shè)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(shè)計工作——設(shè)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(shù)高校管理者并不了解，設(shè)計教學是一項非常耗時的工作，比常規(guī)課程所需的時間多得多！為設(shè)計報告評分和頻繁的設(shè)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(shè)計專業(yè)的教學難以適應(yīng)高校的評價體系。對于目前流行的量化評估體系，在實踐設(shè)置方面、在創(chuàng)造性方面、在工作態(tài)度方面如何量化，還是一個很難解決的問題。

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

飛行器設(shè)計不同于航空領(lǐng)域的其他分析類學科，它不但需要扎實的基礎(chǔ)，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(guī)劃和系統(tǒng)的安排。在飛行器設(shè)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(shè)計在教育環(huán)境中的地位。德國在第二次世界大戰(zhàn)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(zhí)教設(shè)計課程被賦予高度的榮譽。德國許多最有天分的飛機設(shè)計師，如容克（Junkers）、梅塞施密特（Messerschmitt）、?？耍‵ocke）、亨克爾（Heinkel）等被授予教授級職位，在保持他們工業(yè)界地位的同時進行教學活動。高校管理者應(yīng)該面對這個事實：企業(yè)靠他們產(chǎn)品來獲得利潤！產(chǎn)品的競爭力取決于設(shè)計團隊的工作，為了保持競爭優(yōu)勢企業(yè)需要越來越多有能力的設(shè)計師。高校的產(chǎn)品是畢業(yè)生，如果他們在設(shè)計能力方面能有所提高，對于企業(yè)、學生個人和學校都是非常有益的。國家工業(yè)的競爭力在很大程度上依賴于設(shè)計能力，這需要教育界和工業(yè)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