面向就業(yè)創(chuàng)業(yè)的通航飛機氣動設計案例庫建設

王曉璐 劉戰(zhàn)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(yè)學生就業(yè)創(chuàng)業(yè)的優(yōu)勢領域之一。通航（通用航空的簡稱）產(chǎn)業(yè)具有門檻較低、形態(tài)多樣和人才需求較大的特點。以就業(yè)創(chuàng)業(yè)為導向，鄭州航空工業(yè)管理學院航空工程學院開發(fā)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(yè)的人才培養(yǎng)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(nóng)林植保作業(yè)、醫(yī)療救助等。目前，通用航空正處于蓬勃發(fā)展的重要階段，根據(jù)中國民航局的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2017年年底，全國通用航空企業(yè)數(shù)量達到365家，在冊通用航空器數(shù)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(chǎn)業(yè)發(fā)展狀況來看，通航（通用航空的簡稱）產(chǎn)業(yè)具有門檻較低、形態(tài)多樣和人才需求較大的特點，因此，通航方向是航空專業(yè)畢業(yè)生就業(yè)的一個重要方向。為提高畢業(yè)生的就業(yè)創(chuàng)業(yè)能力與競爭力，鄭州航空工業(yè)管理學院航空工程學院對飛行器設計與工程專業(yè)的課程進行了適當聚焦，并開發(fā)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(yè)性質(zhì)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(fā)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(zhàn)時期的不少戰(zhàn)斗機使用該布局，現(xiàn)在該布局被多款通航物流飛機借鑒與使用。其優(yōu)點是使用螺旋槳發(fā)動機，成本低于噴氣發(fā)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(fā)失效時可產(chǎn)生偏航恢復力矩。圖2則給出了兩種用于物流運輸?shù)耐ê斤w機的布局形式?？梢姡c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(nèi)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(shù)。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(jīng)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(tài)下翼型、機翼和全機的升力系數(shù)以及升力線斜率、起降時的最大升力系數(shù)。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(xù)使用。

需要指出的是，概念設計階段估算得到的阻力系數(shù)往往偏小，可能給后續(xù)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(nèi)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(fā)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(yè)計算流體力學軟件進行數(shù)值模擬，以定量分析設計特性和參數(shù)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(shù)值模擬的結果可用于改善估算公式，也可延續(xù)用于學生的課程設計和畢業(yè)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(xiàn)設計思想，如圖3所示。

（三）課程成果展示

設計小組根據(jù)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(huán)境監(jiān)控和治理問題，提出的聯(lián)接翼布局水上通航飛機方案。這些任務與實際問題的關聯(lián)度較高，非常適合作為學生就業(yè)創(chuàng)業(yè)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(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃，后者還榮獲全國“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽銅獎和河南省專項財政資金扶持，并嘗試向工業(yè)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(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求，以飛行器設計與工程專業(yè)的人才培養(yǎng)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(nèi)容，給出了在引導學生就業(yè)創(chuàng)業(yè)方面的若干成果，以期為飛行器設計與工程專業(yè)的人才培養(yǎng)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(yè)知識與技能上的提高，而且是在團隊協(xié)作意識與能力方面的提高，同時，學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力也有了較大的發(fā)展。這些收獲對學生畢業(yè)之后的就業(yè)創(chuàng)業(yè)有重要的幫助和指導。

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