如何成为一名飞机性能工程师（如何成为一名合格的飞机总体设计师）

如何成为一名飞机性能工程师（如何成为一名合格的飞机总体设计师）如何熟练掌握当前已有的飞行器设计的知识和理论，离不开基础的学习和实践的锻炼，从基础认知来看首先需要搞清楚飞行器设计和其他航空航天类专业，如飞行器制造和飞行器动力专业的区别，这三个专业都是服从于飞行器设计，基础较为一致，但是也有较大区别。飞行器设计侧重飞行器总体，包括气动总体，结构，航电，飞行控制等，主要解决气动、结构、控制这三大问题。而飞行器制造是偏向于机械制造，相当是服务于航空航天方向的机械专业，更重视加工工艺，比如冲压成型、薄壁结构之类。飞行器动力即指发动机，主要进行发动机研究与创新。偏向于燃烧、传热以及流体力学。因为飞行器设计的特殊性和复杂性单独独立了一个专业，属于机械制造学科，而飞行器设计和飞行器动力专业同属于航空宇航学科。2.技术准备飞机设计是一项具有典型的多学科集成特征的复杂的系统工程，在这个过程中，需要多学科的协同设计和并行设计，想要成为一个合格的总体设计工程师，不仅需要专业

飞机在暴风雨多云的天空背景下飞行，起落架准备就绪Airplane flying on stormy

摘要：本文旨在为飞行器设计尤其是飞机总体设计深感兴趣的人提供一种专业的学习方法论，通过一个系统的学习，从毫无基础的小白可以成长为可以进行工程应用的合格的工程师，其针对对象为对飞行器主要是飞机设计感兴趣的想要了解飞机设计的学生，或具备本科工科学历的想要继续深造学习的学生，飞机是一个多学科的高度复杂系统，就是系统工程在航空领域的应用。在实际的飞机设计过程中，会涉及多个学科的配合和协调，每个人在具体的研究和应用工作中也会有一个具体的学科背景，由于本人是空气动力学背景，故将从气动方向出发，依托飞机总体阐述飞机设计需要的必备素质和专业学科知识、技能知识等，主要从思想准备、技术准备、全局观、终身学习这4个方面进行说明。

关键词：1.思想准备；2.技术准备；3.全局观；4.终身学习

0引言

飞机设计是一项具有典型的多学科集成特征的复杂的系统工程，在这个过程中，需要多学科的协同设计和并行设计，想要成为一个合格的总体设计工程师，不仅需要专业渊博的知识储备，还需要科学系统化的设计思维，以及总设计工程师的专业素养的巧妙应用，才能高效地将各学科知识耦合，形成高效科学的设计路线和系统工程，需要从思想、技术、全局观、终身学习等[1]四个关键方向来说明。

1.思想准备

首先是需要思想层面上的认识和准备。认识到飞机总体设计包含有7个系统，即平台系统，机载设备系统，导引及起降系统，控制管理系统，勤务保障系统，训练系统，试验系统。每个系统都有自己的装备实物和技术体系，飞机总体设计需要技术目标和工程目标和经济目标，经济目标决定了工程目标，闭环循环迭代。技术目标下是各学科目标，是各学科目标的一个汇总。航空装备[2]的研制是国家意志的体现形式，高投入，缓慢高回报，行业影响面广泛。以提高某一个行业运作效率和降低经济成本为导向，7个系统并行设计，但是需要平台性能牵引。上述思想需要贯彻在全寿命周期中，首先要做以上思想上的准备。

2.技术准备

如何熟练掌握当前已有的飞行器设计的知识和理论，离不开基础的学习和实践的锻炼，从基础认知来看首先需要搞清楚飞行器设计和其他航空航天类专业，如飞行器制造和飞行器动力专业的区别，这三个专业都是服从于飞行器设计，基础较为一致，但是也有较大区别。飞行器设计侧重飞行器总体，包括气动总体，结构，航电，飞行控制等，主要解决气动、结构、控制这三大问题。而飞行器制造是偏向于机械制造，相当是服务于航空航天方向的机械专业，更重视加工工艺，比如冲压成型、薄壁结构之类。飞行器动力即指发动机，主要进行发动机研究与创新。偏向于燃烧、传热以及流体力学。因为飞行器设计的特殊性和复杂性单独独立了一个专业，属于机械制造学科，而飞行器设计和飞行器动力专业同属于航空宇航学科。

通过学习需要掌握的知识和能力目标

（1）有与飞行器设计相关的，比如空气动力学，固体力学、流体力学、总体设计、飞行器气动力估算、外形设计等基本理论和基本知识。

（2）掌握本专业具体专业方向的计算、测试、试验和开发软件的能力；

（3）掌握整个飞机的系统工程设计的思维和方法；

（4）了解本专业的领域的理论前沿。应用前景和发展动态；

（5）熟悉本专业领域的方针、政策和法规；

需要系统学习的学科课程

理论学习是工程应用的基础，涉及到多个专业：总体，气动，结构，强度，航电，飞控，环控，救生等等。主要有气动布局、结构、飞机控制，材料等方面。除了需要掌握该有的理论基础还需要一些重要的计算模拟软件的配合，这也需要极强的数学功底，所以将数学学习也列为一项主要学习线路。根据以成为合格优秀的高级飞机设计工程师这一长期目标进行学习和深造，将主要的学习内容分为4个部分，即所需要的专业理论课程包括所需实验内容、计算机应用辅助、设计的思维与方法的培养、数学和英语能力这4个部分，如下图1-1。

图1-1 飞设工程师需要掌握和学习的能力导图

（1）专业理论基础：

主要课程有：空气动力学理论、航空航天概论，飞行器总体设计，流体力学，气动设计，飞行器结构设计，飞行器制造技术，高等流体力学，粘性流体力学，实验流体力学，固体力学，飞行力学，飞行动力学，飞行控制理论，工程制图，现代飞行器设计，航空发动机原理，复合材料，强度设计，疲劳设计，断裂力学等等。

（2）软件应用基础：

引用安德森·德鲁纳[4]在计算机流体力学一书中的例子。NASA设计的一种试验飞行器，叫做HiMAT（高机动性飞行器技术），用于验证下一代战斗机中高性能的概念，在设计过程中需要进一步的风洞试验，如果使用风洞试验将会花费15万美元左右，并且会大大拖延工期。与之相比，如果采用不计算机模拟计算仅花费6000美元。可见计算机技术在飞行器设计过程中举足轻重的作用。在实际的项目过程中常见的使用较为广泛的软件有：外形造型和结构出图用UG或者CATIA，AUTOCAD；载荷和强度分析大量nastran ABAQUS ANSYS hypermesh；网格划分Icem，ANSA，Hypermesh；流体力学分析（气动专业）Fluent，CFX，FASTRAN；性能模拟仿真用MATLAB；力学分析ANSYS。

（3）飞机系统工程思维和设计方法

航空设计是迭代的，非唯一的过程；在这个过程中，飞机构型，结构和系统集成在一起综合发展，以达到应用领域的基本指标要求，常涉及到气动载荷计算、结构和飞行控制的共同研究，飞行器在机动飞行过程中会出现强烈的气动非线性、运动非线性和控制非线性，非常容易诱发气动／飞行力学的非线性耦合。如果能在气动载荷计算与模拟阶段就考虑到结构与气动的非线性耦合关系，以及飞机控制对气动的非线性影响，在气动模型建立以及设计过程中考虑到结构设计和控制的要求，在一些关键问题中考虑到其影响比重，气动/结构/材料/控制一体化设计，可极大提高飞机总体设计的效率，为实际工程应用节省时间和资本，有很大的应用前景。

飞机设计是一项具有典型的多学科集成特征的复杂的系统工程，在这个过程中，需要多学科的协同设计和并行设计，常见的设计方法是采用优化迭代方法。具体分布是初步设计—多学科建模分析—设计验证试验—实验验证—优化。

举个例子：多梁蜂窝互约束机翼设计

针对一类小展弦比局部非均衡高负载飞行器，传统珩梁式结构不足以解决其机翼局部高负载问题，拟采用多梁蜂窝互约束机翼设计。以蜂窝设计加强蒙皮局部突变载荷负载能力，以仿生多梁结构合理引导分散负载。并以梁将机翼分割为多个次级约束结构，以限制局部蜂窝变形和失稳传导；以蜂窝结构各向异性特征分解局部集中载荷，加强框梁侧向稳定特性，形成互约束互支撑格局。

图1-2铝蜂窝板结构图

图1-3设计方法流程图

采用设计优化迭代方法，数值分析基于流固耦合技术。以流体与机翼为研究对象，对柔性机翼在流体载荷作用下产生的变形，变形对流体运动及流体载荷分布的影响进行数值计算；

利用CATIA构建机翼结构，使用流固耦合方法对机翼进行应力和变形数值分析 确定载荷作用下机翼变形及应力情况；

以提高静强度为优化目标，减少模型重量为优化对象，对机翼进行拓扑优化设计；

基于流体计算的有限体积法及固体分析的有限元法，建立自适应网格完成流体与固体耦合面间的信息传递；

以动边界法完成流固耦合求解，使用流体方程的任意拉格朗日—欧拉（Arbitrary Lagrangian-Eulerian，简称ALE）形式完成柔性机翼在计算过程中的边界变形；重复上述过程，最终完成机翼优化设计。

采用设计优化迭代方法，数值分析基于流固耦合技术。以流体与机翼为研究对象，对柔性机翼在流体载荷作用下产生的变形，变形对流体运动及流体载荷分布的影响进行数值计算；

利用CATIA构建机翼结构，使用流固耦合方法对机翼进行应力和变形数值分析 确定载荷作用下机翼变形及应力情况；

以提高静强度为优化目标，减少模型重量为优化对象，对机翼进行拓扑优化设计；

基于流体计算的有限体积法及固体分析的有限元法，建立自适应网格完成流体与固体耦合面间的信息传递；

以动边界法完成流固耦合求解，使用流体方程的任意拉格朗日—欧拉（Arbitrary Lagrangian-Eulerian，简称ALE）形式完成柔性机翼在计算过程中的边界变形；

重复上述过程，最终完成机翼优化设计

除了以上知识体系的建立，技术方面的准备也可以总结为7个系统的约束要素也是（技术总体的关键问题）

a.技术发展约束——现有的技术能力和预期的技术成熟度预测；

b.管理约束——运行管理和顶层规划；

c.伦理约束——适航的存在，法律和人为因素

天空的云

（4）数学基础：

矢量分析，复变函数，高数，航空工程大型通用软件应用；（1）包括如何建立数学模型：矢量代数，矢量分析，张量分析矩阵代数，矩阵分析解析几何，微分几何泛函分析，变分法常微分方程，偏微分方程，最优化方法，图和网络模型，随机数学（概率，统计，随机过程），计算智能（ANN，GA，SVM等）模型，模式识别，机器学习，数据挖掘.（2）如何解数学模型：计算线性代数，线性规划，数值分析，非线性问题数值解（非线性方程组，非线性函数最小化，非线性最小二乘法），复变函数，微分方程的边值问题，初值问题，组合优化，图论算法，计算几何。

学习的关键在于实践，在于将几何，分析，代数的思想融会贯通。片面的追求知识面，其对实际工作的效用不会太大。相反，把一些关键的思想贯通，则可收到触类旁通之效。

3．全局观

全局观也就是集体主义精神，飞机设计制造过程中就应该发挥全局观念大局意识，飞机设计是需要前瞻性的，其研制周期基本在10年以上，所以在研制之初就应该预测到至少10年后甚至更遥远的未来的应用需求。（1）需要通观全局“向前看”，用宏观前瞻性的眼光分析问题，（2）也需要抓住“关键问题”即前面提到的系统间的约束因素，技术实现过程过程中问题和矛盾众多，只有抓住重要的对性能影响较大的因素，才能有效平衡最优设计。(3)跳出框框，用联系和发展的眼光分析问题，不能只局限于本专业本学科的知识和见解，学科是互相关联的，不能只强调一方面，只有有效配合，才能高效完成设计工作。（4）知微见著，透过现象看本质。分析技术总体，要看到其实物的根本矛盾。（5）弄清楚整个飞机设计系统工程，什么是目的，什么是实现目的的手段和过程，不能只着眼于技术手段而忘记想要实现的技术目标。

4.终身学习

终身学习是指社会每个成员为适应社会发展和实现个体发展的需要，贯穿于人的一生的，持续的学习过程。国际21世纪教育委员会在向联合国教科文组织提交的报告中指出：“终身学习是21世纪人的通行证。”终身学习又特指“学会求知，学会做事，学会共处，学会做人。”这是21世纪教育的四大支柱，也是每个人一生成长的支柱。在飞机总体设计工作中，会面临伴随整个研制过程的技术和方法难关，需要不断的汲取新知识新技能，攻克以往的技术和思维限制。

5.结论

想要成为一名合格的飞机总体设计工程师，是需要多维度知识体系和思维体系的构建，除了广泛渊博的知识体系也需要科学合理的思维方式，更需要终身学习的人为素养，以及能从大局出发的集体主义精神，投身于航空事业第一线，将智力极大贡献于祖国国防和民航事业。