飛機(jī)設(shè)計(jì)專業(yè)需要教什么

袁昌盛

（西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，陜西 西安 710072）

摘要：目前大學(xué)里的飛機(jī)設(shè)計(jì)教學(xué)不能夠滿足航空工業(yè)界的要求。近年來(lái)教育界開(kāi)展了許多改革措施，但并沒(méi)有改善教育的基礎(chǔ)和效果。本文首先總結(jié)了飛行器設(shè)計(jì)的學(xué)科框架，建議了在開(kāi)始設(shè)計(jì)課程之前必須要理解的關(guān)于性能、氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、推進(jìn)、穩(wěn)定性和操縱性方面的一些專題。在此基礎(chǔ)上提出了設(shè)計(jì)實(shí)踐的重要性和開(kāi)展途徑，最后討論了航空教育面臨的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)設(shè)計(jì)；教學(xué)體系；學(xué)科框架；設(shè)計(jì)實(shí)踐

中圖分類(lèi)號(hào)：V221 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）52-0206-03

飛行器設(shè)計(jì)專業(yè)近些年來(lái)一直是航空領(lǐng)域最熱門(mén)的專業(yè)，無(wú)論從招生或是就業(yè)方面都受到最高關(guān)注。但我們的飛行器設(shè)計(jì)教育現(xiàn)狀卻不容樂(lè)觀，大多數(shù)畢業(yè)生不能滿足工程單位的需求。許多本科生甚至研究生進(jìn)入單位后無(wú)法勝任工作，需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的培訓(xùn)和適應(yīng)。這一方面是由于學(xué)校環(huán)境和工程環(huán)境的文化差異，另一方面也要?dú)w因于高校的教學(xué)體系和培養(yǎng)目標(biāo)不盡合理，無(wú)法滿足工業(yè)界的需求。本文試圖從工業(yè)界的需求出發(fā)，探討高校的航空專業(yè)飛行器設(shè)計(jì)教育的知識(shí)體系構(gòu)建和教學(xué)組織，希望提升學(xué)生的基礎(chǔ)能力和對(duì)具體工作的適應(yīng)能力。

一、什么是飛行器設(shè)計(jì)

工業(yè)設(shè)計(jì)師Victor Papanek對(duì)設(shè)計(jì)的定義是“為構(gòu)建有意義的秩序而付出的努力”[1]。這種定義比較抽象，它強(qiáng)調(diào)的是建立起秩序或規(guī)則。在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，不同專業(yè)領(lǐng)域的關(guān)注點(diǎn)會(huì)有不同，在形式、內(nèi)容和行為方面均會(huì)有所體現(xiàn)。具體到飛行器設(shè)計(jì)，可以參看J.Roskam給出的定義[2]：“航空設(shè)計(jì)是迭代的、非唯一的過(guò)程；在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中，飛機(jī)構(gòu)型、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)集成在一起綜合發(fā)展，以達(dá)到應(yīng)用領(lǐng)域的基本指標(biāo)要求。”Roskam的定義其實(shí)是將“設(shè)計(jì)”當(dāng)作一個(gè)黑匣子，只看輸出結(jié)果。至于其中的過(guò)程，則是相當(dāng)復(fù)雜了，在他的八卷本、三千多頁(yè)的著作《Airplane Design》中有詳細(xì)論述。設(shè)計(jì)工作主要在于構(gòu)思和規(guī)劃，這些工作需要深厚的基礎(chǔ)理論知識(shí)，也需要廣泛的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。另外，還要強(qiáng)調(diào)的是，設(shè)計(jì)的靈魂在于主動(dòng)性和創(chuàng)造性。在航空設(shè)計(jì)學(xué)科的教學(xué)規(guī)劃中，需要綜合考慮這些方面。

二、航空設(shè)計(jì)學(xué)科的知識(shí)體系

設(shè)計(jì)課程植根于一系列基礎(chǔ)學(xué)科之上，開(kāi)始學(xué)習(xí)之前需要對(duì)這些基礎(chǔ)知識(shí)有充分的理解。大致來(lái)說(shuō)，在開(kāi)始飛機(jī)設(shè)計(jì)課程之前，需要先修的課程包括以下學(xué)科。

1.空氣動(dòng)力學(xué)——包括空氣動(dòng)力學(xué)的基本概念和分析方法，如不可壓流、可壓流、無(wú)粘、粘性流等；翼型的基本特性，如升力、阻力、力矩特性；增升系統(tǒng)（襟翼、縫翼）的原理的效用；雷諾數(shù)和馬赫數(shù)對(duì)氣動(dòng)特性的影響；三維機(jī)翼的特性，厚度、彎度、后掠角、展弦比、梢根比等的影響；機(jī)翼、機(jī)身、吊艙等部件之間的干擾效應(yīng)；操縱面效能等。

2.飛行性能——掌握極曲線、發(fā)動(dòng)機(jī)性能以及起降性能、爬升性能、巡航性能、機(jī)動(dòng)性能等的計(jì)算與評(píng)估方法。

3.穩(wěn)定性與操縱性——包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，可以計(jì)算飛機(jī)氣動(dòng)力和力矩、靜穩(wěn)定導(dǎo)數(shù)和操縱導(dǎo)數(shù)，了解多種布局飛機(jī)的氣動(dòng)中心、中性點(diǎn)、機(jī)動(dòng)點(diǎn)概念，機(jī)動(dòng)飛行的配平，極限狀態(tài)的操縱能力等；了解計(jì)算動(dòng)導(dǎo)數(shù)的方法，分析短周期、振蕩、螺旋和荷蘭滾的基本模態(tài)；了解駕駛員評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，同時(shí)也要了解相關(guān)的民用和軍用規(guī)范。

4.推進(jìn)系統(tǒng)——了解各類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的原理和特點(diǎn)；掌握螺旋槳特性、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)特性的計(jì)算方法，能夠?qū)M(jìn)氣道、尾噴管等部件進(jìn)行分析和參數(shù)確定。

5.結(jié)構(gòu)——了解氣動(dòng)載荷的特點(diǎn)和確定方法，可以分析主要載荷及其傳力路線，了解航空器主要結(jié)構(gòu)型式及其分析方法，掌握有限元素法，還要對(duì)材料特性、工藝特性有基本的了解。

6.自動(dòng)飛行控制——自動(dòng)控制原理，基本分析方法如根軌跡法、伯德圖，頻域、時(shí)域分析；增穩(wěn)系統(tǒng)，基本自動(dòng)飛行控制模式；飛行儀表的原理與使用，傳感器動(dòng)力學(xué)特性及其對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)的影響等。

以上提出的這些學(xué)科覆蓋面廣，知識(shí)點(diǎn)散布，在課程設(shè)置方面需要合理籌劃，尤其要注意銜接問(wèn)題。我們教學(xué)中曾經(jīng)歷先修課和后續(xù)課程同時(shí)開(kāi)課的情況，學(xué)生在沒(méi)有先修基礎(chǔ)的情況下完全無(wú)法理解后續(xù)課程，造成教與學(xué)雙方的極大浪費(fèi)。另外，對(duì)于設(shè)計(jì)專業(yè)的學(xué)生，在以上課程的教學(xué)中需要具備設(shè)計(jì)方面的內(nèi)容。這意味著在教學(xué)過(guò)程中要有大量的開(kāi)放式問(wèn)題，這可以激發(fā)設(shè)計(jì)思維，同時(shí)也可以加深對(duì)于專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的理解。

三、設(shè)計(jì)實(shí)踐的地位和重要性

上世紀(jì)末美國(guó)一些調(diào)查指出[3]：“航空工程師中有超過(guò)40%的人從事設(shè)計(jì)相關(guān)工作（方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)等）”，可見(jiàn)設(shè)計(jì)對(duì)于工業(yè)發(fā)展的重要性。航空工業(yè)界普遍對(duì)于現(xiàn)今的畢業(yè)生不滿意，大多數(shù)工程主管人員認(rèn)為航空專業(yè)的學(xué)生沒(méi)有足夠的設(shè)計(jì)知識(shí)，不能勝任實(shí)際工作。問(wèn)題的脈絡(luò)很清楚：工業(yè)企業(yè)靠產(chǎn)品盈利，產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力源自優(yōu)秀的設(shè)計(jì)，而我們的航空業(yè)設(shè)計(jì)能力嚴(yán)重不足。對(duì)于航空院校來(lái)說(shuō)，要提升畢業(yè)生的工作能力，除了基礎(chǔ)理論知識(shí)和高級(jí)應(yīng)用技術(shù)的授課之外，設(shè)計(jì)實(shí)踐是一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。美國(guó)工程與技術(shù)認(rèn)定委員會(huì)（ABET）在1971年要求所有工程院校課程中都必須包括一年半的設(shè)計(jì)實(shí)踐內(nèi)容[4]。這其實(shí)是非常困難的目標(biāo)，大多數(shù)院校都難以實(shí)現(xiàn)。只有少數(shù)幾個(gè)協(xié)會(huì)如AIAA，致力于嚴(yán)格但又循序漸進(jìn)的改進(jìn)；而有些行業(yè)，如電子工程，則無(wú)法達(dá)到這樣的要求。作為結(jié)果，美國(guó)航空航天產(chǎn)業(yè)情況較好，但在電器領(lǐng)域則很不樂(lè)觀，美國(guó)家用電器的貿(mào)易額遠(yuǎn)低于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。其實(shí)即使在航空航天領(lǐng)域，美國(guó)也面臨世界范圍的競(jìng)爭(zhēng)，正在興起的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手——?dú)W洲和日本——的高校里學(xué)生可以獲得更多的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[5]。以上例子中，雖然不能斷定行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力與學(xué)校課程一定是正相關(guān)，但多少也可以看出一些聯(lián)系。設(shè)計(jì)實(shí)踐的目的大致有三個(gè)：①深入理解基礎(chǔ)理論知識(shí)；②融會(huì)貫通知識(shí)體系；③強(qiáng)化確定問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。以上這些方面在課堂教學(xué)中是難以貫徹的，大多數(shù)課堂教學(xué)還是宣講——模仿的模式，禁錮著學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造力。而設(shè)計(jì)實(shí)踐的特點(diǎn)之一就是問(wèn)題的開(kāi)放性，有多種解決方案，也面臨多方面的問(wèn)題，這可與課堂教學(xué)相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)。因此，需要特別強(qiáng)調(diào)：設(shè)計(jì)實(shí)踐不應(yīng)只是課堂教學(xué)的補(bǔ)充，設(shè)計(jì)實(shí)踐和課堂教學(xué)是整個(gè)教學(xué)過(guò)程中兩個(gè)同等重要的組成部分，是并駕齊驅(qū)的。

四、設(shè)計(jì)實(shí)踐的開(kāi)展

前面已經(jīng)提到設(shè)計(jì)實(shí)踐的目的，那么在實(shí)施的過(guò)程中，需要注意兩個(gè)方面：基礎(chǔ)知識(shí)和設(shè)計(jì)方法的理解；系統(tǒng)集成技能的強(qiáng)化。對(duì)于專題的設(shè)置，希望能夠盡量模擬真實(shí)的設(shè)計(jì)。這意味著要有明確的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)過(guò)程要包括分析、討論，最后要有設(shè)計(jì)報(bào)告和設(shè)計(jì)總結(jié)；需要以團(tuán)隊(duì)工作的方式，處理真實(shí)的、開(kāi)放性的問(wèn)題。時(shí)間方面最少要包括兩個(gè)學(xué)期，這樣才可能有機(jī)會(huì)深入理解設(shè)計(jì)過(guò)程，同時(shí)也有足夠的時(shí)間實(shí)施設(shè)計(jì)過(guò)程中的迭代。最后還要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，“模擬真實(shí)”的關(guān)鍵在于結(jié)果的真實(shí)：學(xué)生需要進(jìn)行真正的分析和計(jì)算，做出可行的估計(jì)，并由此做出設(shè)計(jì)決策。對(duì)于航空設(shè)計(jì)專業(yè)，通過(guò)以下途徑，希望可以使學(xué)生更好地掌握所需的設(shè)計(jì)知識(shí)和系統(tǒng)集成技能。

1.獨(dú)立完成一架飛機(jī)從指標(biāo)要求到三面圖的設(shè)計(jì)過(guò)程。其中要包括一些主要系統(tǒng)的集成，如發(fā)動(dòng)機(jī)、起落架、人員和裝載等。

2.以團(tuán)隊(duì)合作的形式完成一架飛機(jī)從任務(wù)指標(biāo)權(quán)衡直到最終報(bào)告的過(guò)程。最終報(bào)告要包括飛機(jī)的描述和系統(tǒng)集成、制造、最終裝配、材料選擇和成本預(yù)測(cè)等方面的重要特性。

要為學(xué)生的設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)立高標(biāo)準(zhǔn)。另外，設(shè)計(jì)過(guò)程中還要經(jīng)常組織口頭報(bào)告和討論，并使用高質(zhì)量的輔助演示工具。（以目前的工具軟件水平和易用度，制作符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)報(bào)告和輔助演示不是什么問(wèn)題[6]，但我們的學(xué)生在這方面顯然缺少訓(xùn)練，能力平平。）

五、航空設(shè)計(jì)教育的困境

航空工業(yè)界的需求比較明確：要有真正理解設(shè)計(jì)并具備更多設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的畢業(yè)生。而這兩方面都比較難于滿足——基礎(chǔ)理論教學(xué)和設(shè)計(jì)實(shí)踐的效果都不盡如人意，原因是多方面的。從院校方面大體說(shuō)有以下幾個(gè)問(wèn)題：

1.大學(xué)里設(shè)計(jì)研究方面的經(jīng)費(fèi)不多。對(duì)希望晉升的年輕人來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)不是一個(gè)有吸引力的領(lǐng)域。在分析和實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的經(jīng)費(fèi)則要多得多，因而也受到年輕人特別的關(guān)注。

2.在設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)表文章的機(jī)會(huì)不多。除了設(shè)計(jì)研究的經(jīng)費(fèi)缺乏，實(shí)際上也缺少真正的“設(shè)計(jì)期刊”。（即使在國(guó)際范圍，也幾乎沒(méi)有純粹的飛機(jī)設(shè)計(jì)期刊。）

3.以上兩條使年輕人不愿從事設(shè)計(jì)方面的教研，但真正留下的年輕教師又有著另一個(gè)問(wèn)題：他們很少能勝任設(shè)計(jì)工作——設(shè)計(jì)技巧需要從實(shí)踐中獲得，而在高校中幾乎沒(méi)有實(shí)踐的機(jī)會(huì)。

4.大多數(shù)高校管理者并不了解，設(shè)計(jì)教學(xué)是一項(xiàng)非常耗時(shí)的工作，比常規(guī)課程所需的時(shí)間多得多！為設(shè)計(jì)報(bào)告評(píng)分和頻繁的設(shè)計(jì)咨詢討論占用了大量額外的時(shí)間，遠(yuǎn)超過(guò)課堂授課的時(shí)間。

5.設(shè)計(jì)專業(yè)的教學(xué)難以適應(yīng)高校的評(píng)價(jià)體系。對(duì)于目前流行的量化評(píng)估體系，在實(shí)踐設(shè)置方面、在創(chuàng)造性方面、在工作態(tài)度方面如何量化，還是一個(gè)很難解決的問(wèn)題。

另外，畢業(yè)生自身也面臨著一種文化沖突，即從校園文化到企業(yè)文化的轉(zhuǎn)換，所謂校園文化關(guān)注于教學(xué)和研究，而企業(yè)文化則強(qiáng)調(diào)制造產(chǎn)品并將其銷(xiāo)售。這需要思維轉(zhuǎn)變和行為模式的轉(zhuǎn)換，但這些問(wèn)題在學(xué)校很難接觸到。

飛行器設(shè)計(jì)不同于航空領(lǐng)域的其他分析類(lèi)學(xué)科，它不但需要扎實(shí)的基礎(chǔ)，也需要開(kāi)闊的思路和融會(huì)貫通的能力，因而在教學(xué)和實(shí)踐方面都需要專門(mén)的規(guī)劃和系統(tǒng)的安排。在飛行器設(shè)計(jì)的教學(xué)方面，需要非常大的投入，卻不見(jiàn)得有明顯的效果，無(wú)法吸引有能力的教職人員。要解決這個(gè)問(wèn)題，需要提高設(shè)計(jì)在教育環(huán)境中的地位。德國(guó)在第二次世界大戰(zhàn)期間造出那么多種突破性的新飛機(jī)，想來(lái)也不奇怪——在許多德國(guó)大學(xué)里，執(zhí)教設(shè)計(jì)課程被賦予高度的榮譽(yù)。德國(guó)許多最有天分的飛機(jī)設(shè)計(jì)師，如容克（Junkers）、梅塞施密特（Messerschmitt）、福克（Focke）、亨克爾（Heinkel）等被授予教授級(jí)職位，在保持他們工業(yè)界地位的同時(shí)進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)。高校管理者應(yīng)該面對(duì)這個(gè)事實(shí)：企業(yè)靠他們產(chǎn)品來(lái)獲得利潤(rùn)！產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力取決于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的工作，為了保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)企業(yè)需要越來(lái)越多有能力的設(shè)計(jì)師。高校的產(chǎn)品是畢業(yè)生，如果他們?cè)谠O(shè)計(jì)能力方面能有所提高，對(duì)于企業(yè)、學(xué)生個(gè)人和學(xué)校都是非常有益的。國(guó)家工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力在很大程度上依賴于設(shè)計(jì)能力，這需要教育界和工業(yè)界共同長(zhǎng)期的努力。

參考文獻(xiàn)：

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