飛行器設(shè)計(jì)過(guò)程及風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)

簡(jiǎn)單地說(shuō)，航空技術(shù)，就是把飛行器造出來(lái)，飛起來(lái)，服務(wù)國(guó)防、服務(wù)社會(huì)。按生命周期劃分，航空技術(shù)包括了飛行器設(shè)計(jì)、制造、使用和維修技術(shù)等。

如果把航空技術(shù)比作一首交響樂(lè)，飛行器設(shè)計(jì)就是它的序曲和主旋律。航空技術(shù)始于飛行器設(shè)計(jì)，而且在后續(xù)樂(lè)章中還可以反復(fù)聽(tīng)到它的回響與變奏。

一、航空技術(shù)始于飛行器設(shè)計(jì)

航空，是人類(lèi)在大氣層內(nèi)進(jìn)行的飛行及有關(guān)活動(dòng)。人類(lèi)沒(méi)有翅膀，要飛起來(lái)，就必須打造鋼鐵的翅膀，這副鋼鐵的翅膀就是飛行器。飛行器從無(wú)到有，首先要從客戶需求到技術(shù)方案、到數(shù)字樣機(jī)再到原型機(jī)，這個(gè)逐步細(xì)化與有序推進(jìn)的轉(zhuǎn)化過(guò)程就是飛行器設(shè)計(jì)。

首先，需求分析。著力解決項(xiàng)目需求和可行性問(wèn)題，由用戶和研制部門(mén)共同完成。主要任務(wù)是根據(jù)項(xiàng)目定位，統(tǒng)籌需要與可能，明確總體技術(shù)指標(biāo)和相關(guān)技術(shù)要求，論證技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可行性，預(yù)測(cè)研制周期。一句話，把設(shè)計(jì)指標(biāo)定下來(lái)。??

其次，方案設(shè)計(jì)，也稱(chēng)概念設(shè)計(jì)。在多方案的基礎(chǔ)上，形成飛行器的總體方案，確保方案的合理性。主要工作包括擬定飛行器布局、外形和主要設(shè)計(jì)參數(shù)；擬定部件幾何尺寸、結(jié)構(gòu)形式和重量；擬定動(dòng)力裝置和任務(wù)系統(tǒng)；擬定飛行器的三視圖和總體布置方案草圖；進(jìn)步一步論證技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可行性。一句話，把飛行器的草圖畫(huà)出來(lái)。

再者，打樣設(shè)計(jì)，也稱(chēng)初步設(shè)計(jì)。完成數(shù)字樣機(jī)，分解設(shè)計(jì)任務(wù)，提出各部件、各任務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和重量分配指標(biāo)。細(xì)化到部件，確保飛行器的技術(shù)可行性。主要工作是確定各部件的結(jié)構(gòu)、受力形式和相互連接關(guān)系，繪制結(jié)構(gòu)打樣圖；確定飛行器的幾何參數(shù)、重量和動(dòng)力裝置的主要性能參數(shù)，完成氣動(dòng)計(jì)算、強(qiáng)度計(jì)算、氣動(dòng)彈性計(jì)算、飛行性能計(jì)算、操縱性穩(wěn)定性計(jì)算，系統(tǒng)功能計(jì)算；進(jìn)行部件和整機(jī)的風(fēng)洞試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和功能試驗(yàn)；完成飛行器三視圖、總體布置圖，確定飛行器重量和重心。一句話，把飛行器的模樣定下來(lái)。

最后，詳細(xì)設(shè)計(jì)，也稱(chēng)工作設(shè)計(jì)。細(xì)化到零件，解決飛行器的技術(shù)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。任務(wù)是試制原型機(jī)，制定飛行器試飛大綱。主要工作是根據(jù)方案設(shè)計(jì)和打樣設(shè)計(jì)的結(jié)果，完成零件制造，繪制部件、系統(tǒng)和全機(jī)裝配的工作圖樣，制定生產(chǎn)和驗(yàn)收技術(shù)文件，進(jìn)行零部件的強(qiáng)度、剛度、顫振和重量計(jì)算，進(jìn)行飛行器的氣動(dòng)性能和各系統(tǒng)的性能計(jì)算，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)強(qiáng)度和疲勞試驗(yàn)，進(jìn)行特種設(shè)備和任務(wù)系統(tǒng)的臺(tái)架試驗(yàn)，完成原型機(jī)的總裝集成。一句話，把原型機(jī)造出來(lái)。

可見(jiàn)，飛行器設(shè)計(jì)已經(jīng)超越了計(jì)算與繪圖的范疇，融入了許多工程要素，稱(chēng)其為設(shè)計(jì)工程更為貼切。飛行器設(shè)計(jì)不僅要將客戶需求轉(zhuǎn)化為一組確定的參數(shù)（文檔、圖紙等），還要轉(zhuǎn)化為清晰可見(jiàn)的實(shí)物或半實(shí)物（樣機(jī)、原型機(jī)等）。

至于讓飛行器成為產(chǎn)品，飛起來(lái)，發(fā)揮應(yīng)有作用，那就是后續(xù)的任務(wù)了。

二、飛行器設(shè)計(jì)需要往復(fù)迭代

飛行器設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)活動(dòng)，不是設(shè)計(jì)師一個(gè)人就可以搞定的，需要一個(gè)團(tuán)隊(duì)；也不是一次就可以完成的，需要設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)與有關(guān)各方反復(fù)溝通、多輪迭代，最終形成一致。

首先，需要與可能的迭代。客戶總是有許多美好的期待，對(duì)于這些期待，研制部門(mén)會(huì)盡量予以滿足。但是，有些期待在現(xiàn)實(shí)條件下暫時(shí)無(wú)法滿足，對(duì)此只能在尊重客觀現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上，降低客戶需求。例如，殲轟七飛機(jī)，在論證初期，為了便于武器操作員與飛行員協(xié)同，客戶提出了并列雙座的需求，但是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)不具備大尺寸氣泡式座艙蓋的制造能力，反復(fù)權(quán)衡，最終還是采用了串列式雙座布局。

其次，總體與局部的迭代。飛行器總體既是一項(xiàng)工作，也是承擔(dān)這項(xiàng)工作的業(yè)務(wù)部門(mén)。在設(shè)計(jì)中，總體部門(mén)既要牽頭抓總，又要與承擔(dān)部件、系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)的其它部門(mén)和單位搞好協(xié)作，形成合力，共同完成任務(wù)。運(yùn)20飛機(jī)在方案設(shè)計(jì)階段遇到了嚴(yán)重的超重問(wèn)題，初步方案顯示超重10噸！這簡(jiǎn)直要命了，飛機(jī)要飛起來(lái)，必須嚴(yán)格控制重量，素有“一克重量一克黃金”的說(shuō)法。經(jīng)過(guò)分析，超重主要有兩方面原因，一是技術(shù)原因，設(shè)計(jì)手段粗放，強(qiáng)度設(shè)計(jì)就高不就低，余量過(guò)大；二是個(gè)別專(zhuān)業(yè)、個(gè)別單位確實(shí)打了埋伏?？値熛到y(tǒng)嚴(yán)格落實(shí)“重量一票否決”，通過(guò)與不同部門(mén)、不同單位的反復(fù)迭代，不斷優(yōu)化，終于解決了超重問(wèn)題。

再者，主機(jī)與系統(tǒng)的迭代。飛行器是一個(gè)有機(jī)整體，同一問(wèn)題可能有多種解決途徑，這就需要主機(jī)與系統(tǒng)之間加強(qiáng)協(xié)同與迭代，尋求最優(yōu)方案。例如，增大飛機(jī)航程，可以選用性能更好的發(fā)動(dòng)機(jī)，降低燃油消耗率，獲得更遠(yuǎn)航程；也可以加大飛機(jī)油箱，增加載油量，滿足更多的燃油消耗。轟6K飛機(jī)通過(guò)換裝渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了更遠(yuǎn)航程。當(dāng)年，強(qiáng)5、殲7等飛機(jī)則采用了加大副油箱的方法，一定程度上緩解了飛機(jī)“腿短”的不足。

飛行器設(shè)計(jì)劃分階段、逐步細(xì)化和設(shè)計(jì)過(guò)程中的往復(fù)迭代和，是一個(gè)問(wèn)題的兩個(gè)方面，根本原因都在于飛行器設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，從而在時(shí)間上要求飛行器設(shè)計(jì)劃分階段，逐步細(xì)化，在內(nèi)容上要求飛行器設(shè)計(jì)在階段內(nèi)部和不同階段之間往復(fù)迭代，最終讓飛行器順利地造出來(lái)，飛起來(lái)，發(fā)揮應(yīng)有作用。

三、飛行器設(shè)計(jì)充滿風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)

飛行器壽命周期費(fèi)用曲線

飛行器研制始于設(shè)計(jì)，從需求分析到詳細(xì)設(shè)計(jì)完成，約占研制工作量的一半，研制成本的20%~30%，但是卻決定了后續(xù)90%以上的技術(shù)狀態(tài)和壽命周期成本。因此，飛行器設(shè)計(jì)充滿了風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)，用美國(guó)人的話說(shuō)：進(jìn)入初步設(shè)計(jì)階段以后，就是“在用自己的飛機(jī)公司做賭注了”。

在飛機(jī)設(shè)計(jì)中，蘇-27堪稱(chēng)經(jīng)典。經(jīng)久不衰，歷久彌新，一個(gè)重要原因在于它的重型戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)體設(shè)計(jì)和獨(dú)特的中央升力體布局，既適應(yīng)了當(dāng)時(shí)與F-15空中對(duì)抗的需要，也為自身發(fā)展預(yù)留了充分空間。蘇-27飛機(jī)1971年開(kāi)始概念設(shè)計(jì)，1985年首批交付蘇聯(lián)空軍，長(zhǎng)期“養(yǎng)在深閨人未知”，直到1989年在巴黎航展上才憑借“眼鏡蛇機(jī)動(dòng)”驚艷亮相，在后來(lái)的美蘇空戰(zhàn)合練中還曾“擊落”過(guò)“打遍天下無(wú)敵手”的F-15戰(zhàn)斗機(jī)，并發(fā)展成為一個(gè)包括蘇-27、蘇-30、蘇-33、蘇-34、蘇-35系列、涵蓋空空、空地、艦載、轟炸、高機(jī)動(dòng)等作戰(zhàn)任務(wù)的龐大的系統(tǒng)家族，創(chuàng)造了第四代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)展史上的“不老神話”。

在飛機(jī)設(shè)計(jì)中，也有敗走麥城的案例，包括名家高手。波音公司在聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)（JSF）競(jìng)爭(zhēng)中提出了X-32方案，采用無(wú)尾大三角翼布局，但是直到原型機(jī)制造接近完成時(shí)，才發(fā)現(xiàn)無(wú)法適應(yīng)設(shè)計(jì)要求的新變化，不得不改回常規(guī)布局，但是為時(shí)已晚，新布局已經(jīng)來(lái)不及制造和試飛了，波音公司無(wú)奈出局。究其原因，一是沒(méi)有搞透客戶需求，一旦有所變化就被打了個(gè)措手不及；二是為了增加競(jìng)爭(zhēng)力，鋌而走險(xiǎn)采用了高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)，最終反而讓自己陷入了被動(dòng)。

回望航空技術(shù)發(fā)展史，可以看到一長(zhǎng)串飛機(jī)設(shè)計(jì)師和飛機(jī)公司的名字，還可以看到更多的飛機(jī)型號(hào)代碼。歲月流逝，往事不再。永恒的是設(shè)計(jì)師們的不懈追求：做最好的設(shè)計(jì)，造最棒的飛機(jī)。飛機(jī)設(shè)計(jì)=客戶需求+設(shè)計(jì)方法+個(gè)人創(chuàng)造+其它，其中最鮮活、最具魅力的就是創(chuàng)造。努力吧，未來(lái)的飛機(jī)設(shè)計(jì)師！

編輯：黃飛

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