飞行器设计过程及风险挑战

简单地说，航空技术，就是把飞行器造出来，飞起来，服务国防、服务社会。按生命周期划分，航空技术包括了飞行器设计、制造、使用和维修技术等。

如果把航空技术比作一首交响乐，飞行器设计就是它的序曲和主旋律。航空技术始于飞行器设计，而且在后续乐章中还可以反复听到它的回响与变奏。

一、航空技术始于飞行器设计

航空，是人类在大气层内进行的飞行及有关活动。人类没有翅膀，要飞起来，就必须打造钢铁的翅膀，这副钢铁的翅膀就是飞行器。飞行器从无到有，首先要从客户需求到技术方案、到数字样机再到原型机，这个逐步细化与有序推进的转化过程就是飞行器设计。

首先，需求分析。着力解决项目需求和可行性问题，由用户和研制部门共同完成。主要任务是根据项目定位，统筹需要与可能，明确总体技术指标和相关技术要求，论证技术可行性和经济可行性，预测研制周期。一句话，把设计指标定下来。  

其次，方案设计，也称概念设计。在多方案的基础上，形成飞行器的总体方案，确保方案的合理性。主要工作包括拟定飞行器布局、外形和主要设计参数；拟定部件几何尺寸、结构形式和重量；拟定动力装置和任务系统；拟定飞行器的三视图和总体布置方案草图；进步一步论证技术可行性和经济可行性。一句话，把飞行器的草图画出来。

再者，打样设计，也称初步设计。完成数字样机，分解设计任务，提出各部件、各任务系统的设计要求和重量分配指标。细化到部件，确保飞行器的技术可行性。主要工作是确定各部件的结构、受力形式和相互连接关系，绘制结构打样图；确定飞行器的几何参数、重量和动力装置的主要性能参数，完成气动计算、强度计算、气动弹性计算、飞行性能计算、操纵性稳定性计算，系统功能计算；进行部件和整机的风洞试验、结构试验和功能试验；完成飞行器三视图、总体布置图，确定飞行器重量和重心。一句话，把飞行器的模样定下来。

最后，详细设计，也称工作设计。细化到零件，解决飞行器的技术实现问题。任务是试制原型机，制定飞行器试飞大纲。主要工作是根据方案设计和打样设计的结果，完成零件制造，绘制部件、系统和全机装配的工作图样，制定生产和验收技术文件，进行零部件的强度、刚度、颤振和重量计算，进行飞行器的气动性能和各系统的性能计算，进行结构的静、动强度和疲劳试验，进行特种设备和任务系统的台架试验，完成原型机的总装集成。一句话，把原型机造出来。

可见，飞行器设计已经超越了计算与绘图的范畴，融入了许多工程要素，称其为设计工程更为贴切。飞行器设计不仅要将客户需求转化为一组确定的参数（文档、图纸等），还要转化为清晰可见的实物或半实物（样机、原型机等）。

至于让飞行器成为产品，飞起来，发挥应有作用，那就是后续的任务了。

二、飞行器设计需要往复迭代

飞行器设计是一项复杂的技术活动，不是设计师一个人就可以搞定的，需要一个团队；也不是一次就可以完成的，需要设计团队与有关各方反复沟通、多轮迭代，最终形成一致。

首先，需要与可能的迭代。客户总是有许多美好的期待，对于这些期待，研制部门会尽量予以满足。但是，有些期待在现实条件下暂时无法满足，对此只能在尊重客观现实的基础上，降低客户需求。例如，歼轰七飞机，在论证初期，为了便于武器操作员与飞行员协同，客户提出了并列双座的需求，但是当时国内不具备大尺寸气泡式座舱盖的制造能力，反复权衡，最终还是采用了串列式双座布局。

其次，总体与局部的迭代。飞行器总体既是一项工作，也是承担这项工作的业务部门。在设计中，总体部门既要牵头抓总，又要与承担部件、系统设计任务的其它部门和单位搞好协作，形成合力，共同完成任务。运20飞机在方案设计阶段遇到了严重的超重问题，初步方案显示超重10吨！这简直要命了，飞机要飞起来，必须严格控制重量，素有“一克重量一克黄金”的说法。经过分析，超重主要有两方面原因，一是技术原因，设计手段粗放，强度设计就高不就低，余量过大；二是个别专业、个别单位确实打了埋伏。总师系统严格落实“重量一票否决”，通过与不同部门、不同单位的反复迭代，不断优化，终于解决了超重问题。

再者，主机与系统的迭代。飞行器是一个有机整体，同一问题可能有多种解决途径，这就需要主机与系统之间加强协同与迭代，寻求最优方案。例如，增大飞机航程，可以选用性能更好的发动机，降低燃油消耗率，获得更远航程；也可以加大飞机油箱，增加载油量，满足更多的燃油消耗。轰6K飞机通过换装涡扇发动机，实现了更远航程。当年，强5、歼7等飞机则采用了加大副油箱的方法，一定程度上缓解了飞机“腿短”的不足。

飞行器设计划分阶段、逐步细化和设计过程中的往复迭代和，是一个问题的两个方面，根本原因都在于飞行器设计的复杂性，从而在时间上要求飞行器设计划分阶段，逐步细化，在内容上要求飞行器设计在阶段内部和不同阶段之间往复迭代，最终让飞行器顺利地造出来，飞起来，发挥应有作用。

三、飞行器设计充满风险挑战

飞行器寿命周期费用曲线

飞行器研制始于设计，从需求分析到详细设计完成，约占研制工作量的一半，研制成本的20%~30%，但是却决定了后续90%以上的技术状态和寿命周期成本。因此，飞行器设计充满了风险与挑战，用美国人的话说：进入初步设计阶段以后，就是“在用自己的飞机公司做赌注了”。

在飞机设计中，苏-27堪称经典。经久不衰，历久弥新，一个重要原因在于它的重型战斗机的机体设计和独特的中央升力体布局，既适应了当时与F-15空中对抗的需要，也为自身发展预留了充分空间。苏-27飞机1971年开始概念设计，1985年首批交付苏联空军，长期“养在深闺人未知”，直到1989年在巴黎航展上才凭借“眼镜蛇机动”惊艳亮相，在后来的美苏空战合练中还曾“击落”过“打遍天下无敌手”的F-15战斗机，并发展成为一个包括苏-27、苏-30、苏-33、苏-34、苏-35系列、涵盖空空、空地、舰载、轰炸、高机动等作战任务的庞大的系统家族，创造了第四代战斗机发展史上的“不老神话”。

在飞机设计中，也有败走麦城的案例，包括名家高手。波音公司在联合攻击战斗机（JSF）竞争中提出了X-32方案，采用无尾大三角翼布局，但是直到原型机制造接近完成时，才发现无法适应设计要求的新变化，不得不改回常规布局，但是为时已晚，新布局已经来不及制造和试飞了，波音公司无奈出局。究其原因，一是没有搞透客户需求，一旦有所变化就被打了个措手不及；二是为了增加竞争力，铤而走险采用了高风险设计，最终反而让自己陷入了被动。

回望航空技术发展史，可以看到一长串飞机设计师和飞机公司的名字，还可以看到更多的飞机型号代码。岁月流逝，往事不再。永恒的是设计师们的不懈追求：做最好的设计，造最棒的飞机。飞机设计=客户需求+设计方法+个人创造+其它，其中最鲜活、最具魅力的就是创造。努力吧，未来的飞机设计师！

编辑：黄飞