1、 第一章 绪 论 飞机设计是一门应用科学，实践性强、其理论基础广泛，它来源于实践，是几十年飞机 型号设计工作实践经验的科学总结。在逐渐发展成独立的学科以后，它反过来又用于指导飞 机设计的实践。飞机设计学科也是各项先进的航空科学技术综合应用的结果，其内容涉及空 气动力学、飞机结构与强度、航空发动机、航空材料、航空电子技术、自动控制及制造工艺 等多种学科和专业技术领域。离开各项先进的航空科学技术，没有坚实的理论基础，飞机设 计学科就不可能得到进步和发展。飞机总体设计课程是飞机设计学科的重要组成部分。 1.1 飞机设计工作的一般过程 在航空科学高度发达的今天，设计一种新型的飞机，从设计方案的提出到试
2、制生产和投 入使用，一般都要经过几年，有时甚至是十几年的时间，这是一个很复杂的过程。简单地归 纳起来，飞机设计的过程一般如图 1.1 所示。 图1.1 飞机的一般设计过程 按设计内容的粗细程度和大致的先后次序，飞机设计可以划分为 3 个有内在联系的不同 阶段： 1概念性设计（Conceptural Design） ； 2初步设计（Preliminary Design） ； 3详细设计（Detail Design） 。 在飞机开始进行设计之前，首先由使用部门提出或由使用部门与设计部门共同拟定设计 要求，在概念性设计阶段要对飞机的设计要求进行充分分析、研究和论证，有的文献把这阶 1 段工作称为“外
3、部设计” 。 概念性设计阶段的任务是根据飞机的设计要求，对所要设计的飞机进行全面的构思，形 成飞机设计方案的基本概念，并草拟一个或几个能满足设计要求的初步设计方案。主要内容 包括：初步选定飞机的型式和气动外形布局；初步选择飞机的主要参数；选定发动机和主要 的机载设备；初步选择各部件的主要几何参数；绘制飞机的三面草图；初步考虑飞机的总体 布置方案并初步估算性能，检查是否符合飞机设计要求给定的性能指标，然后修改整理所拟 定的初步方案，组织专门的评比和论证，选定最合理的方案，经主管部门批准后，进行下一 阶段的设计工作。 概念性设计阶段的工作，通常多限于纸面上，不做很多实验，所需费用较少。为了缩短 设
4、计周期，可以用计算机进行辅助设计，采用已有的程序系统选择参数、估算性能和修改外 形布局。因此，在这个阶段中，通常可以多选择几个方案进行对比，经过充分的论证后，从 中选出具有足够的先进性和实际可行的最理想的初步方案，做为进一步设计的基础。这个阶 段的工作虽然花钱和耗时都不很多，但却非常重要，一般对飞机设计具有全局性影响的重大 决策，有很大一部分都是在这个阶段做出的。 初步设计阶段的任务是对前面草拟的飞机设计方案进行修改和补充，使其进一步明确和 具体化，最终绘出完整的总体设计方案。这一阶段的工作包括：修改、补充和完善飞机的几 何外形设计，给出完整的飞机三面图和理论外形；全面布置安排各种机载设备、各
5、个系统和 有效载荷；初步布置飞机结构的承力系统和主承力构件；进行较为详细的重量计算和重心定 位；计算比较精确的气动力性能和操纵性、稳定性；详细绘出飞机的总体布置图。在此设计 阶段，通常还要对飞机及各系统进行一系列的试验研究，制造模型进行大量的吹风试验，有 时还需要制造全尺寸的样机，供协调各系统和内部装载布置之用。因此，与前一段的工作相 比，要耗费较多的时间和资金，并且需要各有关专业部门的配合和参加，协调解决在设计中 所遇到的各种技术问题，经过多次反复，最终得出完整的总体设计方案。由于其各种图纸和 技术文件已经过多轮修改，并且经过了专项试验的验证，故可做为正式的方案提交审查和论 证。论证通过后，
6、飞机总体方案的设计工作告一段落，可以转入下一阶段进行详细设计。 详细设计阶段主要是进行结构设计，包括部件设计和零构件设计。设计完成后，要绘出 飞机各个部件及各系统的总图、装配图、零件图和详细的重量计算及强度计算报告。此阶段 的工作量很大，而且还要进行许多试验，包括静强度、动强度和寿命试验，各系统的地面台 架试验等等。 下一步工作是试制原型机和进行地面试验，包括全机静、动力试验和各系统的地面试验。 如发现问题，要修改原型机。解决问题后，再进行试飞。试飞合格后，按照实际试验和试飞 的情况，最后修改设计，并申请设计定型，由国家有关部门审查，发给型号合格证书（Type Certificate） ，至此
7、，完成整个设计过程，下一步是转入批量生产。 如前所述，飞机设计是一个很复杂的过程。为了方便，通常把整个飞机设计工作划分为 若干个阶段，但具体的分法和名称并不完全一致。例如在苏联叶格尔等所著的飞机设计 一书中，对飞机设计工作阶段的划分如图 1.2 所示。 设计工作阶段的划分与设计部门的组织分工有关，各阶段的名称和内涵也不统一，这一 点在参阅各种文献资料时应该注意。 2 设计 内部 外部 拟定要求 初步设计 草图设计 工作设计 投入批生产 分析使用范围和 使用条件，拟定 总的设计方案， 预测、建立评定 准则，进行技术 经济计算。 决策 是 否 战术技术要求 拟定飞机总的设 计方案，确定飞 机的外形
8、，确定 结构子系统，建 立模型，参数研 究，效率分析和 优化。 确定结构和动力 系统的布局，重 心定位，重量、 气动、强度计算 ，气动弹性试验 研究，制造样机 。 编写技术文件， 试验研究工作， 精确计算，系统 的台架试验，制 造原型机并进行 地面和飞行试验 。 否 是 否 是 否 是 技术方案 草图 工程图 决策 决策 决策图1.2 飞机设计工作框图 1.2 飞机总体设计工作的特点 飞机总体设计是指从概念性设计到初步设计阶段，进行总体方案设计的全过程，其最终 的目标是定出最优的总体方案。对新机研制工作具有全局性影响的重大决策，大部分都要在 总体设计阶段做出。总体设计工作中的失误，不仅会对以后
9、的设计工作产生不利的影响、在 时间上和经济上造成损失，而且往往直接影响到新机研制的成败。因此，飞机总体设计是飞 机研制工作中最为重要的一个阶段。 飞机总体设计也属于工程设计的范畴，具有一般工程设计中科学技术的各种特性。但由 于现代飞机结构复杂，要求高，增加了总体设计的难度，从而使现代飞机总体设计工作明显 地具有以下几个特点： 一、创造性与科学性 飞机总体设计必须具有创造性。假如所提出的总体方案没有创新、没有特色，与现有的 飞机相比没有什么新东西，那也就从根本上失去了总体设计的意义。我们不能在落后的总体 方案的基础上，指望研制出先进的飞机来。特别是在世界航空工业激烈竞争的今天，飞机设 计工作中的
10、创造性显得尤为重要。这首先要求飞机设计工作者具有创新的精神，勇于探索， 进行创造性的构思，并且要有渊博的理论基础和丰富的实践经验，善于克服心理上的惰性， 这对于保证设计的成功，或者说对于保证设计工作的创造性，无疑是重要的。但是，从另一 方面看，由于现代飞机设计是一项复杂的系统工程，和普通简单的工程设计及一般的美术作 品的创造过程不同，仅仅靠作者的热情和丰富的想象力是不行的，必须要有先进的科学技术 3 和强大的工业基础做后盾，才能保证创造成功。也就是说，在总体设计过程中，应设法避免 盲目创新，尽量减少无根据的决策而带来风险。因此，在设计中所采用的各种新技术都要经 过预先研究，或是在设计过程中广泛
11、进行试验加以验证。 航空科学技术预研工作非常重要，以便为飞机设计建立科学技术的储备。否则，就不可 能使所设计的方案真正具有创造性和先进性。例如，在没有研制出可用的喷气发动机和在空 气动力研究中没有解决后掠翼的问题以前，设计超音速飞机只能是空想。 总之，设计就要创新，尤其是在总体方案设计阶段，特别要尽可能多地采用先进的技术 措施，以保证设计的飞机具有竞争力，而不至于一出台就落后、过时。不仅设计新飞机如此， 渐改设计、改型设计，也一样要采用先进技术，要创新。为减少风险，要加强预研工作和在 设计过程中广泛进行有针对性的理论研究和试验研究，做到创造性与科学性相结合。 二、反复迭代，多轮逼近 飞机总体设
12、计另一明显的特点是采用反复迭代、多轮逼近的方法。简言之，首先根据国 民经济或国防建设的需要，拟定出飞机的使用技术性能或战术技术性能要求，然后，根据所 拟定的设计要求确定飞机总体设计方案的各种参数，定出飞机总体设计方案的过程。由于飞 机结构的复杂性，和对飞机所提出设计要求的多样性，使得现代飞机的总体方案设计不可能 一次完成，而是需要反复迭代，逐渐逼近。也就是说，每一轮在步骤和原理上都是一样的， 但并不是简单的重复，每进行一轮都要使总体方案更加完善、具体和能更好地满足设计要求。 此外，飞机设计是一个创造性的过程，方案的确定往往与人的因素有关。在飞机总体设计过 程中，离不开设计人员创造性的构思、综合
13、的判断和必不可少的决策。因此，传统的飞机总 体设计工作与一般的系统分析工作不同，几乎不存在唯一性。对于相同的设计要求，往往会 有若干个不同方案，这就有一个优化的问题。因为分析计算一个方案的工作量大，设计参数 变化需要重新估算重量、推进性能、气动特性并在此基础上再次重新计算飞机的各种性能， 所以很费时间。目前，国内外的许多飞机设计部门都广泛使用了计算机辅助设计（CAD）的 程序系统，不仅可以缩短设计周期，而且也可以在设计过程中引入最优化设计环节，利用计 算机对飞机的设计参数进行优化，这样，就可以得到最佳的设计方案。飞机总体设计过程的 框图如图 1.3 所示。 实际上，在飞机的整个研制过程中，各设
14、计阶段之间也要反复进行迭代，逐渐逼近。例 如，在总体方案初步确定后，要进行详细设计。在详细设计阶段，要完成飞机各部件、各系 统和零构件的设计，需要进行大量、精确的计算工作和试验研究，所得到的精确的几何数据 和重量数据，又成了进一步修改和完善总体方案的依据。根据这些详细、精确的数据，才能 最终完成飞机的重量计算、重心定位和内部布置的工作，所以，这也是在更大范围内的反复 迭代、逐渐逼近的过程。总之，可以说反复迭代、逐渐逼近是飞机整个研制工作的一大特点， 而在总体方案设计阶段尤其明显。飞机设计工作之所以具有这种特点，是由于飞机设计要求 的多样性和矛盾性造成的，对一架飞机各方面的设计要求非常多，无论是
15、在飞行性能、使用 和维护性能、安全性、经济性以及军用飞机的作战性能等各方面都有一系列的具体要求，而 各种要求之间又往往是互相矛盾的，例如，要增大飞机的飞行速度，就需要减小机翼的面积， 采用相对厚度较小的翼型，这就与降低起飞着陆速度、减小滑跑距离的要求相矛盾。此外， 机翼参数还与结构的强度、重量以及内部容积的利用有关。许多因素互相影响，有的则是互 4 为因果，这就是造成飞机总体方案设计工作需要反复迭代的基本原因。 三、综合与协调 现代飞机的结构复杂，机载设备的种类和所占的比例不断增加，使飞机设计工作涉及空 气动力、结构强度、航空发动机、自动控制、电子技术、航空材料及制造工艺等多种专业技 术领域，
16、需要众多的各类专业技术人员参加，所以现代飞机设计实际上是一种依靠集体智慧 进行创造性的工作，需要各专业之间的分工、合作和密切配合，特别要注意各方面的综合和 协调才能成功。如果大家各持己见，不考虑全局，不注意综合和协调，则不会设计出好的飞 机来。 设计要求 初步方案 分析计算 验证性试验 修改设计方案 优化设计 修改设计要求 比较 是否满足要求 设计方案 是 否 通过 否图1.3 飞机总体设计过程框图 飞机是一种复杂的工程系统，它由许多个专业的子系统组成。好的飞机设计方案，必然 是在对其各个专业子系统进行了综合和协调之后产生的。大家知道，不进行综合与协调，孤 立地把各子系统都搞成最优的，则合成后
17、而形成的飞机方案肯定不会是最优的。因此，飞机 设计，实际上是对飞机的各种设计要求和各个专业进行综合与协调的过程，在总体方案设计 阶段，这一特点尤为明显。 以上列举了飞机设计三个方面的主要特点，当然不是全部特点，前面提到飞机设计属应 用科学，具有实践性强、理论基础面宽等固有的特性，并且还具有要求高、难度大、耗资金 多、协作关系复杂、工作量大和设计周期不允许过长等一些特点。这些特点对飞机的总体设 计也有影响。 5 第二章 设计飞机的依据 现代飞机，性能不断提高，结构也越来越复杂，所以说，飞机是一种很复杂的工程系统。 因此，飞机研制工作很复杂，周期比较长，需要耗费大量的人力和资金，这就要求设计部门
18、必须慎重地对待，绝不能轻易、随便开始新机设计种。实际上，盲目从事任何一项工作都会 造成返工和浪费。在飞机设计领域里，这种教训非常多，应该引起我们足够重视。 从大的方面来说，民用飞机是为发展国民经济服务的，军用飞机则是为国防事业服务的， 因此，设计新飞机的根本依据也就应该是国民经济和国防上的需要，这是不言而喻的，也是 设计者应该牢记的宗旨。由于飞机设计是一项具体的工作，所以还需要把这种需要细化和量 化，形成具体的、明确的设计依据。这种依据通常有 3 个项：1.经过批准的“某某飞机的设 计要求” ；2国家颁发的各种飞机的相应设计规范和适航性条例等通用技术文件；3由总设 计师单位研究确定的该机总体设
19、计指标。 此外，在飞机总体方案的设计和优化过程中，还需要有合适的、能够对设计方案进行全 面评价的准则。 上面所说的飞机设计的各项依据和评价设计方案优劣的准则，都应该是可以度量的具体 指标。如果设计工作依照这些指标的要求进行，则设计的成功率和投产率就会提高。 2.1 飞机的设计要求 无论是设计新飞机还是对现有的机种进行改型设计，均需要有明确的、完整的设计要求。 飞机的设计要求是一项重要的技术文件，它是飞机总体设计工作的出发点和最主要的依据。 一、飞机设计要求的基本内容 对军用飞机而言，设计要求通常称为“战术技术要求” ，对于民用飞机则是“使用技术要 求” ，这些设计要求没有固定的格式，通常包括：
20、 （一）飞机的类型和基本任务 这是对所设计飞机最基本的总要求，应该具体、明确。 对于民用飞机，除了要指明飞机的类型（旅客机、货机、客货两用机或其他类型的专业 飞机等）外，还应指明是干线飞机还是支线飞机，准备在哪些航线上使用以及所需适应的地 理条件和气象条件等等。 如果是军用飞机，除需指明飞机的类型（轰炸机、歼击机、强击机或其他专用军用飞机 等）外，还应明确基本的战斗使用要求和作战对象。例如歼击机，应明确其主要任务是空中 格斗还是拦截；轰炸机和对地攻击机，应指明武器配备方案、突防攻击方式及主要的攻击目 标；对于预警机、反潜机、巡逻机、垂直和短距起落飞机、舰载机等特殊用途的飞机，则更 应该有明确、
21、具体的任务要求。 7 不可能要求一架飞机是万能的，对“多用途”飞机的问题已有过很多争论。实践证明， 要求一架飞机有多种用途并不是好办法，但“一机多型”的做法却不乏成功的先例，故也可 以在设计要求中提出“一机多型”的设计思想，让飞机的总体设计方案考虑留有改型的余地。 有时为了能更具体地明确所设计飞机的用途和使用情况，也可以给出典型的飞行任务剖 面图（Flight Profile） ，如图 2.1 所示。 图2.1 典型飞行任务剖面图 飞机的飞行剖面图是表示飞机为完成某种典型的飞行任务而绘制的飞行航迹的图。按航 迹所在的平面分为：垂直平面的飞行剖面图和水平平面的飞行剖面图。当然，完成同一项飞 行任
22、务，往往可以有多种不同的途径，因而也就存在多种飞行剖面图。而且就一种飞机而言， 也绝不可能总是机械地重复完成某一项完全相同的飞行任务，这里所要给出的飞行剖面图只 是其中一种最典型的或是最能代表飞机特征的飞行剖面，作为飞机设计的依据。 （二）飞机的有效载荷 对民用飞机来说，有效载荷是指旅客和货物等，对于军用飞机来说是指空勤人员、武器 装备和弹药等。 可以说设计飞机的直接目的，是要能够装载所给定的各种有效载荷。有效载荷是根据对 飞机的任务要求而确定的。民用飞机是一种运输工具，其任务就是运送旅客和货物，军用飞 机是一种武器装备，设计的目的就是要携带足够的武器完成作战任务。因此，在进行飞机设 计时，首
23、先必须考虑保证满足有效装载的要求，通常在设计要求中应具体给定以下的载荷： 1.空勤组的人数。一般军用飞机乘员的质量，包括降落伞在内按每人 95kg 计算，民用飞 机按每人80kg 计算。 2军用飞机的武器装备，包括机炮、火箭、导弹、炸弹等等的数量。如果对具体的武器 布置方案不做具体规定，也需要对所必须携带的武器和总的载弹量做出明确的规定。 3对于旅客机要给定旅客的人数及所要求的客舱等级和舒适程度；对于运输机，需给定 8 总的载货量及所运送的主要货物的类型和几何尺寸。 4对于其他各类专业飞机，需给定其特殊的装置及专用设备的型号、尺寸和质量。例如， 农业飞机的播种、喷药装置；航测飞机的测量和照像设
24、备；预譬机的雷达和天线装置等等。 （三）飞机的飞行性能指标 飞机设计师总希望他所设计的飞机性能最先进，起码要比现有同类飞机的性能要好，否 则就没有必要来设计新飞机。但是随着航空科学技术的迅速进步，飞机的飞行性能也在不断 提高，在这种情况下，不可能也不必要要求飞机的每一项飞行性能都是最先进的。假如要求 一架飞机各方面的性能指标都最高，是很难做到的，或是要付出极大的代价，因而得不偿失。 因此，不同的飞机对各种飞行性能指标的要求也是不同的，在拟定飞机设计要求时，关键是 要对飞机的基本任务进行认真的分析研究，合理具体地提出各项飞行性能指标。 例如，要设计一种截击机对国防要地执行防空任务，其主要攻击对象
25、是来犯的轰炸机， 基本的作战方式是在警戒雷达发现敌情后，迅速升空，以尽量大的 上升，抢占有利高度， 截击敌机。对于这种飞机，最主要的性能指标是爬升率 和升限。为此，推重比要大，重量 要轻，而载油量可适当减少，航程也不作主要要求，因为重点不是空中格斗，所以对机动性 的要求也不是首要的。因此， 和升限是最主要的，其他指标则不必很突出。总之，在飞机 的设计要求中，必须根据飞机主要飞行任务的需要，提出具体的飞行性能指标。 y v y v y v飞机的飞行性能很多，在设计要求中只能提出其中一些主要指标，通常有： 1 飞行速度和高度指标： 包括在给定高度上的最大平飞速度或最大飞行 M 数、 巡航速度、 巡
26、航高度、静升限及某些军用飞机（如高空拦截歼击机）的动升限等等。 不同用途的飞机对飞行速度和高度特性的重点要求有很大差别，有的要求最大速度，有 的则要求巡航速度。 2耐航性能指标：包括最大航程、最大续航时间、军用飞机的作战半径等等。对于旅客 机、运输机和轰炸机等重点是航程；巡逻机和预警机是续航时间，战斗机则是突防距离和在 战区留空作战的时间。 3起飞着陆性能指标：主要是起飞离地速度和起飞滑跑距离、着陆接地速度和着陆滑跑 距离、对机场跑道等级的要求等等。 4机动性能指标：对于普通的旅客机和运输机，这方面的要求不很高，只要能满足常规 的机动要求和能够抗拒突风载荷就可以了。但它对于军用飞机，尤其是歼击
27、机则十分重要， 对其作战的效能影响很大。 飞机的机动性是指飞机改变其飞行高度、速度和方向的能力，也就是所谓的高度机动性、 速度机动性和水平机动性，包括飞机的爬升率、水平加速度和盘旋转弯半径的大小等等。 通常以上这几项机动性能都应给出具体的指标。 除了上述几方面最基本的要求之外，还可能提出一些关于电子对抗、隐身性能、飞机使 用维护特性、翻修周期、使用寿命、设计制造期限、研究进度、研制经费、使用经济性以及 采用某种新技术等要求。不同的飞机，其设计要求的内容，可能差别很大，项目的多少、内 容的繁简程度都可能不一样，有时对某一方面的指标详细提出，但有的项目则不做规定，而 是留给设计部门自行决定。 9
28、二、飞机的设计要求举例 （一）一种歼击机的设计要求 1飞机的类型与任务 要求设计一种突出空中格斗性能的轻型歼击机，主要用于国土防空，作战对象是性能相 当于型号战斗机的入侵飞机。 2性能指标 （1）最大飞行M数，Mmax2.0，实用升限H20km （2）具有优越的机动性 最大爬升率Vymax300m/s（H=0 M=0.9） 最大盘旋过载5.3(H=5km M0.9） 3.5(H=1lkm M1.2） 加速时间：在H=9km 高度，从M0.9 加速至M1.5 的时间55s 3）转场航程2000km 作战半径400km （4）起飞滑跑距离600m 着陆速度260kmh 3采用四余度电传操纵系统和直
29、接力控制等主动控制技术。 4采用电子干扰装置和红外诱饵弹。 （二）一种旅客机的设计要求 1飞机的类型和任务 在国内航线上使用的远程客机。 2可载旅客人数，约200 人。 最大商务载重35000kg 3飞行性能 最大巡航速度900km/h 最大油量航程4000km 起飞距离2000m 着陆距离1600m 4进场噪声水平106dB 三、飞机设计要求拟定的过程 拟定飞机的设计要求，一是根据实际的需要，二是考虑客观条件的可能。 飞机是一种技术工具，首先要根据国民经济和国防上的实际需要来设计。飞机的设计要 求通常由使用部门提出，民用飞机首先由民航局等使用单位根据民航运输及其他方面的需要 提出基本的设计要
30、求；军用机由军事部门，根据国防上的需要，通过军事系统的科研机构和 战术技术论证部门，在分析研究当今航空技术发展水平、敌我双方的空军及其他军事力量以 后，提出设计新飞机的要求。 在设计新机的基本要求提出以后，国家领导部门一般要组织有使用部门及飞机设计部门 10 等各有关单位参加的论证会，最后将飞机的设计要求确定下来。 飞机的设计要求，有时也可能由使用部门与设计部门共同拟定，或由使用单位委托设计 单位拟定，甚至有时是由设计单位，根据实际需要和可能自行拟定，并提出满足这一要求的 设想方案，征求使用部门同意，经审查批准后确定的。拟定飞机的设计要求，是一项很重要 的工作，设计要求提得合适，能很快地设计和
31、制造出优秀的新飞机来，如果要求提得不合适， 则可能造成人力、物力的浪费，收不到好的效果。 另一方面，在拟定飞机设计要求时，还必须全面考虑实际的客观条件。例如经费条件的 限制，航空科学技术水平的限制，生产设备和试验设备条件的限制，以及材料和机载设备配 套产品等方面的实际问题。 2.2 飞机的设计规范和适航性条例 前一节所讲的飞机设计要求，是开展飞机设计工作的前提和最根本的依据。除此之外， 飞机设计工作还必须严格遵守有关的设计规范和适航性条例的各种规定。 飞机设计规范和适航性条例，是指导飞机设计工作的通用性技术文件，对各类飞机作了 许多指令性规定，包括设计情况、安全系数、过载系数、重量极限、重心位
32、置、重量分配、 操纵性、稳定性、配平、飞行载荷、飞行包线、突风载荷、起飞与着陆、强度和变形、结构 试验、飞行试验、飞行品质、使用极限、起落装置、动力装置、飞机设备、操纵系统、安全 措施等。在进行飞机设计时，必须遵守有关的规定，以保证设计的成功。 飞机设计工作是一个创造性和科学性相结合的过程，创造性是指所设计的飞机要有创新 之处，科学性要求不脱离实际，不违反客观规律。如果说，在拟定飞机设计要求时注意到了 创新，那么飞机的设计规范和适航性条例则是使创新得以实现，使飞机设计符合客观规律的 技术保证。 飞机设计规范和适航性条例是在飞机设计实践过程中逐步形成的。最初并没有什么规范 和条例，设计工作具有很
33、大的盲目性，设计出来的飞机经常毁坏，不得不在强度方面做出某 些限制和规定，于是首先出现了强度计算手册、强度设计指南和强度规范等指令性文件，使 飞机结构不致毁坏。但是，仅有强度规范还不能保证不发生飞行事故，于是需要更全面地考 虑如何保证所设计飞机在使用过程中的飞行安全性。经多年努力，逐步发展成目前对飞机设 计和使用给出全面要求的设计规范和适航性条例，成为飞机设计工作必须遵守的指令性技术 文件，这种技术文件通常是由国家最有权威的部门制定和颁发，具有法律的性质。 应该指出，目前在世界上并没有统一的飞机设计规范和适航性条例，航空事业比较发达 的国家，都各自制定飞机设计规范和适航性条例。我国在积累了飞机
34、设计和飞行使用的经验 和许多科学试验的基础上，有关部门已陆续拟定出了一些这方面的技术文件，可供飞机设计 时使用。例如，由航空工业部颁发出版的军用飞机强度规范 、 飞机设计员手册 、 航空 气动力手册以及民航总局颁发的民用飞机适航性条例等等。当然，我国在这方面的工 作还不够完善，不能完全满足当前飞机设计工作的需要。 英、美和前苏联等国所使用的飞机设计规范和适航性条例如表 2.l 所示。 表2.1 11 英 国 美 国 前 苏 联 军用机 皇家空军和海军飞机的 设计要求 AP970 军用飞机设计规范 （MIL） 飞机设计的一般要求（OTT） 飞机强度规范 民用机 英国民用适航性要求（BCAR） 西
35、欧联合适航性条例（JAR） 联邦适航性条例 （FAR） 民航机适航性规范 （2） 还应指出，任何一册飞机设计规范以及其中每一项具体条文都是具体针对某一类型飞机 的，有一定的适用范围，往往还注明某些附加条件，在阅读和使用时需要加以注意，此外， 随着航空科学技术的不断进步，以及飞机设计和飞行实践经验的不断丰富，飞机的设计规范 和适航性条例也要随之发展，有的条文要修改和补充，使用时也要注意。 2.3 关于飞机的总体技术指标 过去的飞机不太复杂，可以由一个不大的设计单位，少数人用不太长的时间就能完成一 架飞机的设计任务。现代飞机的性能要求越来越高，结构越来越复杂，发动机、各类设备及 各个系统也日益复杂
36、，从而使飞机总体设计的工作量大为增加。为了完成飞机的设计工作， 须要有飞机设计专门的研究所，通常称之为主机所。主机所由各个技术领域的专家和大量的 各类专业技术人员组成，并且拥有自己的专业试验室和试制生产车间，是专门进行飞机设计 工作的庞大的组织机构。 此外，为了能高效率地完成飞机复杂的设计任务，飞机设计研究所还必须依靠国家的航 空科学研究机构和各类专业研究所及辅机所的预研成果以及飞机试制生产工厂和飞机使用部 门的帮助和配合。 飞机设计本身也是一个复杂的工作过程，需要反复迭代逐渐逼近地进行大量的计算、绘 图和科学研究，这样在技术管理上就很复杂，需要按系统工程的方法来进行组织。首先就需 要有明确的
37、技术设计思想和在各部门和各设计阶段中都适用的技术经济指标，在总体方案设 计阶段就是飞机的总体技术指标。 总体技术指标，通常是由总设计师和总体设计部门根据国家所下达的飞机设计任务和所 给定的设计要求而制定的。 制定总体技术指标的目的是为全面指导和协调飞机整个设计工作， 其内容不应与给定的设计要求相矛盾，而只能是飞机设计要求的具体化和补充，以保证设计 出来的总体方案能全面满足设计要求，此外，设计单位在拟定总体技术指标时，还应考虑要 与飞机的设计规范相一致，必须遵守国家颁发的飞机设计的各种有关标准、条例和规范等文 件，但同时还必须根据当今和今后一个时期内航空科学技术的发展，使所定总体技术指标不 致落
38、后，能保持飞机设计方案的先进性和实际实现的可能性。 总体技术指标应该包括全局影响飞机方案设计的各方面，既重要又复杂，同学们在学习 本课程和进行飞机总体方案毕业设计过程中，只能参照过去的飞机情况来进行考虑。表 2.2 列出了一些军用飞机的统计数据。 12 表2.2 国外一些军用飞机统计数据表 飞机名称 类型 原型机 试飞年代 限制M数 限制升 限（M） 最大航程 （km） 最大速压 qmax (kg/m 2 ) 最大过载 nymax 载弹量 (kg) -15 歼击机 1947 1.0 15500 5500 8.0 -17 歼击机 1951 1.15 6400 8.0 -19C 歼击机 1952
39、1.6 17900 1390 7000 8.0 500 F-100D 战斗机 1953 1.2 12250 2100 6120 7.3 3400 F-102 截击机 1953 1.25 16400 6120 7.3 F-104 战斗机 1954 2.02 17680 2000 9350 6.0 2177 F-105D 战斗轰炸机 1955 2.1 15850 2100 10900 8.5 5900 F-106A 截击机 1956 2.4 1740 2400 9350 7.3 F-4 战斗轰炸机 1958 2.4 16580 2400 9350 8.5 7250 F-5E 战斗机 1963 1.
40、7 15790 2400 8150 7.3 F-111A 战斗轰炸机 1964 2.2 15500 10000 8150 5 8250 2 1 歼击机 1955 2.35 19500 1300 8150 7 -23 歼击轰炸机 1966 2.35 17800 2900 8790 8.5 F-14 战斗机 1970 2.4 18000 4600 12160 7 8255 F-15 战斗机 1972 2.5 18300 4631 9 7260 F-16 战斗机 1974 2.0 15240 4070 9 4763 幻影 战斗机 1956 2.15 17000 3330 9350 8.0 P-1（闪
41、电） 战斗机 1954 2.3 18300 2040 F-1F 战斗机 1966 2.4 20000 3300 10075 8.6 幻影2000 战斗机 2.3 20000 1500 5000 狂风 战斗攻击机 1974 2.2 15000 5000 7.5 7500 -25 截击机 1965 3.2 24400 3000 4.0 SR-71 侦察机 1964 3.5 26600 4800 2860 2.53 U-2 侦察机 1955 0.8 955 3.0 A-7E 攻击机 1965 1.12 14780 3671 1195 7.0 6805 A-10 攻击机 1972 0.7 11000
42、2000 3400 6.5 7250 CY-20/17 歼击轰炸机 1967 2.1 18000 1500 8150 6.5 4000 13 -28 轰炸机 1948 0.78 12300 2260 3000 4.5 200C TY-16 轰炸机 1952 0.95 12800 6000 2300 3.0 9000 B-47 轰炸机 1947 0.86 12340 6500 3400 2.8 10000 B-52 轰炸机 1952 0.9 16765 16093 2650 2.8 27000 B-57B 轰炸机 1953 0.85 14480 4180 4350 5.0 2700 B-58A
43、轰炸机 1956 2.4 18300 4850 6060 3.0 SAAB-37 战斗机 1967 2.0 185000 2000 9360 8.0 B-1 轰炸机 1974 2.2 11000 27200 RB-57F 侦察机 1960 0.825 1120 表中所列是一些比较典型的军用飞机已经具体达到的的重要指标。 统计数据可能有误差， 但可供设计同类同量级飞机时参考。 1最大使用过载nymax nymax主要是按对飞机机动性的要求来定，机动性要求低的，nymax取小一些，机动性要求高 的就要取大一些。 现代的歼击机特别强调要求具有良好的机动性， 因此也就要求nymax尽量的大， 但这时要
44、受到飞行员承受过载能力的限制。试验结果表明，人所能承受过载的能力与人体的 姿态、过载的方向和过载的作用时间等都有关系。一般的飞行员，在不使用抗荷装置的情况 下，在几秒钟内能承受不大于 8 的正向过载（惯性力由头部指向臀部） ，和不大于 4 的负向过 载（惯性力由臀部指向头部） ，因此，飞机的最大使用过载应限制在+8g-4g的范围内。而对 于以空中格斗为主要作战任务、要求机动性特别高的飞机，如果要突破这个范围，则需要采 取特别的抗荷措施。例如美国的F-16 战斗机nymax为 9g，在持续机动时则需要把飞行员坐的姿 势改为半躺式的姿势。 nymax实质是一项关于飞机结构强度的指标，如果这个指标取
45、得比较大，则飞机结构的强度 就高，因为nymax关系到飞机在各种设计情况下所要承受载荷的大小，是对飞机设计具有全局性 影响的一项指标。如果从减轻飞机结构质量的角度来说，nymax取小一些是有利的，但是从飞行 使用的观点来看则不能取得太小，尤其是对于高机动性的战斗机，过载取得小了就意味着飞 机机动性的降低。例如，苏朕的 -25飞机，虽然其最大飞行M数可以达到 3 以上，但由于 其使用过载取得很低，只有+4g-2g，所以其空战性能比较差。 对于民用飞机，从飞行安全的角度来说，过载也不能取得太低，否则当飞机在大速度水 平飞行时，如果突然遇到一阵强上升气流，就有可能发生危险。 最大使用过载值取多大，应
46、对飞机的设计要求进行全面分析后确定，一般以执行空战任 务为主的歼击机应取大一些，在+8g-4g 以上，其他飞机应该尽量取小一些。 2最大最大速压qmaxmax 飞机的最大速压qmax对应于飞机设计要求中所给定的在某一高度上的最大平飞速度，是一 个定值。qmax代表飞机速度特性的指标，飞机在飞行过程中很可能会突破这个限制（例如从某 一高度大速度平飞转入下滑俯冲中） ，但是又不能允许最大速压无限制地增加，而必须限制在 14 一定的范围之内，这个范围就是最大最大速压qmaxmax，显然它要比qmax大一些，它们之间关系是： qmaxmax =qmax+q。 作为飞机的总体技术指标qmaxmax，也是
47、飞机设计时的限制条件，其大小直接影响飞机的局 部气动载荷，即机体表面的压强。因此，对减速板、座舱盖、进气道和各种舱口盖等的强度 及弹射救生系统的设计都有关系。 qmaxmax最主要的影响是在飞机的气动弹性，即飞机的刚度方面。从气动弹性的角度来说， 飞机的刚度要求与qmaxmax成正比，所以也可认为qmaxmax主要是飞机刚度的指标。 从减轻飞机结构质量的角度来讲，qmaxmax小一些比较好，但从气动弹性的角度来看，为了 保证飞机在飞行过程中不致发生机翼和尾翼颤振、 副翼反效和气动弹性发散等危险现象， qmaxmax 又不能定得太小，对于高速飞机通常取qmaxmax不大于10000kgm 2 ，或是令其对应某一高度的飞 行速度比vmax大1020， 这个速度也就是飞机颤振、 反效和气动弹性发散临界速度的下限。 图2.2 飞机的飞行包线 3温度指标 对于超音速飞机，飞行 M 数的提高使得飞机气动加热的现象越来越突出，它对机体材料 的选择、结构和机载设备的布置以及飞机隔热冷却系统的设计等方面都有影响，所以有时对 温度的限制将会超过对飞行 M 数的限制。 在飞行过程中飞机结构表面所受到的气动加热，在驻点处可用下式计算： T0=(1+0.2M 2 )TH (2.1) 其中，TH是在飞行高度H上的大气温度K） 。 非驻点处的温度与结构的热传导、热辐射和吸收的情况有关，在总体设计
