王曉璐 劉戰(zhàn)合 趙輝

摘要：通用航空是綜合交通運(yùn)輸體系的一個(gè)重要組成部分，也是飛行器設(shè)計(jì)與工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生就業(yè)創(chuàng)業(yè)的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域之一。通航（通用航空的簡(jiǎn)稱(chēng)）產(chǎn)業(yè)具有門(mén)檻較低、形態(tài)多樣和人才需求較大的特點(diǎn)。以就業(yè)創(chuàng)業(yè)為導(dǎo)向，鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院航空工程學(xué)院開(kāi)發(fā)建設(shè)了通航飛機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)案例庫(kù)，以期為飛行器設(shè)計(jì)與工程專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)提供參考。

關(guān)鍵詞：飛行器設(shè)計(jì)與工程;通用航空;課程建設(shè)

通用航空是綜合交通運(yùn)輸體系中的一個(gè)重要組成部分。就定義來(lái)看，除軍用和公共運(yùn)輸之外的其他航空活動(dòng)均屬于通用航空的范疇，如公務(wù)機(jī)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(guó)民航局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2017年年底，全國(guó)通用航空企業(yè)數(shù)量達(dá)到365家，在冊(cè)通用航空器數(shù)量為2297架，通用航空器全年飛行83.75萬(wàn)小時(shí)，同比分別增長(zhǎng)13.3%、10.0%、9.5%。

就當(dāng)前航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，通航（通用航空的簡(jiǎn)稱(chēng)）產(chǎn)業(yè)具有門(mén)檻較低、形態(tài)多樣和人才需求較大的特點(diǎn)，因此，通航方向是航空專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生就業(yè)的一個(gè)重要方向。為提高畢業(yè)生的就業(yè)創(chuàng)業(yè)能力與競(jìng)爭(zhēng)力，鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院航空工程學(xué)院對(duì)飛行器設(shè)計(jì)與工程專(zhuān)業(yè)的課程進(jìn)行了適當(dāng)聚焦，并開(kāi)發(fā)建設(shè)了通航飛機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)案例庫(kù)。

一、通航飛機(jī)氣動(dòng)布局特點(diǎn)

與公共運(yùn)輸飛機(jī)不同，通航飛機(jī)的飛行任務(wù)涉及許多方面，通航飛機(jī)各機(jī)型的作業(yè)性質(zhì)也存在較大的差異。在布局上，除公共運(yùn)輸飛機(jī)常使用的后掠翼和圓柱形機(jī)身的布局外，通航飛機(jī)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(dòng)機(jī)形式和安裝位置下，通航飛機(jī)有多種布局形式。以圖中的布局G為例，二戰(zhàn)時(shí)期的不少戰(zhàn)斗機(jī)使用該布局，現(xiàn)在該布局被多款通航物流飛機(jī)借鑒與使用。其優(yōu)點(diǎn)是使用螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)，成本低于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，并且螺旋槳被機(jī)身、機(jī)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(wù)機(jī)，其特點(diǎn)是使用了H型尾翼，在單發(fā)失效時(shí)可產(chǎn)生偏航恢復(fù)力矩。圖2則給出了兩種用于物流運(yùn)輸?shù)耐ê斤w機(jī)的布局形式?？梢?jiàn)，與公共運(yùn)輸飛機(jī)相比，通航飛機(jī)的氣動(dòng)布局較為靈活。一方面由于其任務(wù)多樣，另一方面也與其設(shè)計(jì)成本較低、可選用無(wú)人駕駛方式等有關(guān)。在案例庫(kù)建設(shè)上，我們結(jié)合社會(huì)需求確定合理的設(shè)計(jì)目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生以小組形式開(kāi)展設(shè)計(jì)工作。

二、案例庫(kù)基本內(nèi)容及成果展示

（一）氣動(dòng)估算方法

教師在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行概念設(shè)計(jì)時(shí)，需要學(xué)生估算得到飛機(jī)的氣動(dòng)特性參數(shù)。飛機(jī)氣動(dòng)特性主要有升力特性和阻力特性?xún)深?lèi)。在概念設(shè)計(jì)階段，學(xué)生一般使用經(jīng)驗(yàn)公式估算，這些公式是基于飛機(jī)主要部件（如機(jī)翼、機(jī)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(jī)翼和全機(jī)的升力系數(shù)以及升力線(xiàn)斜率、起降時(shí)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(dǎo)阻力、激波阻力（跨聲速時(shí)需考慮）和附加阻力。具體公式學(xué)生可查閱《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》以及相關(guān)教科書(shū)、設(shè)計(jì)報(bào)告等得到。同時(shí)，教師指導(dǎo)學(xué)生將氣動(dòng)特性計(jì)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(shè)計(jì)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(jì)算帶來(lái)一些問(wèn)題。很多通航飛機(jī)由于機(jī)體流線(xiàn)型程度有限，其飛行速度小于公共運(yùn)輸飛機(jī)的飛行速度，此時(shí)必須較為細(xì)致地估算附加阻力。筆者借鑒國(guó)內(nèi)外的技術(shù)資料，總結(jié)匯集了若干計(jì)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(jī)）阻力、座艙蓋阻力、螺旋槳自由旋轉(zhuǎn)（發(fā)動(dòng)機(jī)失效時(shí)）阻力等的公式。

學(xué)生在飛機(jī)概念設(shè)計(jì)階段一般不使用高精度的計(jì)算工具，但對(duì)于學(xué)有余力或參加過(guò)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的學(xué)生，教師要支持他們使用商業(yè)計(jì)算流體力學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，以定量分析設(shè)計(jì)特性和參數(shù)影響，如觀(guān)察螺旋槳滑流對(duì)機(jī)身的影響、分析對(duì)比巡航效率估算值是否合理等。數(shù)值模擬的結(jié)果可用于改善估算公式，也可延續(xù)用于學(xué)生的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)。

（二）通航飛機(jī)氣動(dòng)布局利弊說(shuō)明及定量化展示

通航飛機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的任務(wù)一般由學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)完成，每個(gè)設(shè)計(jì)組一般只有1個(gè)氣動(dòng)布局方案。為避免僅由個(gè)別學(xué)生提出（其余學(xué)生“搭便車(chē)”），或者完全照搬已有飛機(jī)設(shè)計(jì)方案，教師要求他們給出方案權(quán)衡和各候選方案利弊說(shuō)明，盡量定量化體現(xiàn)設(shè)計(jì)思想，如圖3所示。

（三）課程成果展示

設(shè)計(jì)小組根據(jù)教師命題任務(wù)或自行提出設(shè)計(jì)任務(wù)，并論證分析，然后確定基本的布局形式與估算氣動(dòng)特性和飛行性能。圖4、圖5、圖6給出了部分設(shè)計(jì)成果。其中，圖4是針對(duì)城市交通問(wèn)題，將汽車(chē)和飛機(jī)結(jié)合起來(lái)，提出的可垂直起降個(gè)人飛行器方案;圖5是針對(duì)資源和特定目標(biāo)的勘查問(wèn)題，將便攜性和可重構(gòu)性結(jié)合起來(lái)，提出的便攜式矢量推進(jìn)無(wú)人機(jī)方案;圖6是針對(duì)水域環(huán)境監(jiān)控和治理問(wèn)題，提出的聯(lián)接翼布局水上通航飛機(jī)方案。這些任務(wù)與實(shí)際問(wèn)題的關(guān)聯(lián)度較高，非常適合作為學(xué)生就業(yè)創(chuàng)業(yè)的切入點(diǎn)。其中，圖5和圖6所展示的作品均入選國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃，后者還榮獲全國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽銅獎(jiǎng)和河南省專(zhuān)項(xiàng)財(cái)政資金扶持，并嘗試向工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域推廣，

三、通航飛機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)案例庫(kù)建設(shè)的總結(jié)與展望

學(xué)校結(jié)合通航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求，以飛行器設(shè)計(jì)與工程專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)為背景，建設(shè)了通航飛機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)案例庫(kù)。筆者介紹了案例庫(kù)的基本內(nèi)容，給出了在引導(dǎo)學(xué)生就業(yè)創(chuàng)業(yè)方面的若干成果，以期為飛行器設(shè)計(jì)與工程專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)提供參考。學(xué)生在通航飛機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)案例庫(kù)建設(shè)的學(xué)習(xí)實(shí)踐過(guò)程中有很大的收獲，不僅是在專(zhuān)業(yè)知識(shí)與技能上的提高，而且是在團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)與能力方面的提高，同時(shí)，學(xué)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(duì)學(xué)生畢業(yè)之后的就業(yè)創(chuàng)業(yè)有重要的幫助和指導(dǎo)。

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