飛行器設計
| 飛行器設計 |
 |
飛行器設計(flight vehicle design) 是飛行器研製過程的重要組成部分和第一個環節。飛行器設計綜合利用現代科學技術的成果，以系統工程的方法，用工程語言（圖紙和技術文件）的形式指導飛行器的製造、試驗和使用。同時，它也是研究飛行器設計理論、方法和設計過程的一門綜合性技術學科。
目錄
基本內容
外文名：flight vehicle design
定義：飛行器研製過程的重要組成部分和第一個環節
名稱：飛行器設計
發起於：19世紀初
概述
19世紀初，人類模仿飛行動物終於設計和製造出飛行器的雛型，但當時還沒有形成系統的設計理論。在理論探索和經驗總結的基礎上，20世紀20年代形成了飛行器設計的統計法，又稱原准法。隨後，在進一步分析飛行器各種參數對飛行性能的影響後又產生了分析法。60年代，隨着航空航天活動的進展，飛行器日益複雜，出現了以計算機為工具的、包括優化設計在內的系統設計方法。所有設計方法均力求在當時條件下，以最小的代價（人力、物力、財力和時間）設計出符合要求的飛行器（見航空航天系統工程）。
特點
現代飛行器的設計特點是：①以多學科知識、 新的預研成果、 先進的製造工藝和試驗手段作為設計的基礎。
飛行器設計的學科基礎包括空氣動力學、飛行力學、航天動力學、工程控制論、電子技術、推進技術、傳熱學、結構力學、氣動彈性力學、人機工程學等。②飛行器是由多個分系統組成的整體，屬於大系統，需要用系統工程的方法進行綜合設計，其中總體設計尤為重要，設計協調工作繁多。③飛行器（特別是火箭和航天器）的設計理論和方法尚不完善，在設計過程中需要進行大量模擬和實物試驗，為設計和修改設計提供依據。④為減輕重量，飛行器的剛度一般較小，設計時須將它作為彈性體充分考慮其動態特性。⑤大多數飛行器的飛行環境十分嚴酷（見飛行器環境工程），使飛行器能夠適應環境是飛行器設計的一個重要內容。⑥火箭只能一次使用，發射費用昂貴，載人飛行器的安全性要求極高，航天器要能長時間連續工作，這些都需要把可靠性設計放在設計工作的重要地位。此外，各種飛行器的設計還各有自身的特點（見飛機設計、火箭設計、航天器設計）。
內容
飛行器設計是按照從總體到部分、從預測到驗證的順序進行的。①首先根據飛行器的任務和用途，把需要與可能結合起來，確定飛行器的技術指標或戰術指標，藉以作為設計的依據。②在指標確定的基礎上，進行必要的工程分析、估算和試驗，選擇技術途徑，對眾多可行的總體方案進行比較，從中選出或綜合出最合理的方案進行總體設計。
③選定飛行器推進系統、飛行器的外形和主要參數並確定部位安排。絕大多數飛行器都有在大氣層內的飛行段，所設計的外形應有良好的空氣動力特性，易於操縱或控制，設計時進行理論分析和計算，通過實驗來驗證。④在總體設計中提出飛行器的各種載荷，選定主要結構用的材料。既要使飛行器安全可靠，又要千方百計減小重量，這是所有飛行器設計都會遇到和需要解決的難題。為此，不僅要從總體布局和結構設計上解決，進行仔細的結構分析、靜強度分析、動強度分析、熱強度分析和剛度分析，往往還要選用當代比強度和比剛度最好的材料。除鋁合金、鈦合金外，許多複合材料已廣泛採用，如碳纖維和芳綸纖維材料等。⑤複雜系統的綜合設計是所有飛行器都會遇到的另一個難題。總體協調成為設計中非常重要又十分困難的工作。要將所有分系統和組件綜合成一個有機的整體，使它能滿足性能要求，彼此在結構、電氣和工作方面又很協調一致。例如，避免火箭彈性振動與穩定系統耦合的協調設計；減小或消除大功率耗電時電壓波動對自動駕駛儀和計算機等精密儀器工作的影響；航天器姿態控制既要滿足溫度控制的要求，又要符合跟蹤、導航和通信時天線方向性的要求等。在設計上解決這些協調問題需要進行綜合設計，往往還要通過製作模型、進行仿真試驗、綜合匹配試驗和駕駛員（或航天員）參與研究等措施來輔助設計工作。
方法
飛行器的主要設計方法有統計法和系統設計法。
統計法 選定一種與設計目標接近的、資料較全的、成功的飛行器作為參考樣機，用數理統計方法找出性能與設計參數的關係，經過分析對比，得出新飛行器的相應關係，進而確定新飛行器的總體設計參數。這種方法多用於早期的飛機設計和現代飛行器改型。
系統設計法 又稱預研綜合法。在對理論和關鍵技術進行預先研究的基礎上，結合已有的理論和經驗，將飛行器及其有關部分看成一個大系統，應用系統工程的理論和方法，對綜合出來的多個方案進行比較，利用計算機輔助設計（見計算機輔助設計和製造）找出最優方案。還要通過反覆試驗和其他實踐驗證，對某些問題作出工程判斷，決定取捨,同時保證新技術的穩定使用,在此基礎上完成飛行器的工程圖紙和技術文件的設計工作，這是現代常用的方法。在有的情況下兩種方法可以兼用。
在現代飛行器設計方面，人們已成功地解決了一系列重大技術難題，諸如：通過大功率發動機的設計和先進的製造工藝成功地製成能乘坐 500人以上的大型洲際旅客機；對於射程超過1萬公里的洲際導彈,不僅解決了駐點溫度高達上萬攝氏度的彈頭再入大氣層的防熱問題，而且落點的圓公算偏差達到了百米左右；人們已成功地設計了將人送上月球、將探測器送到行星的大型多級運載火箭，設計了新型航天器電源系統和微電子器件，解決了遠達數十億公里的信息傳輸問題以及在月球上準確軟着陸和返回地球的導航問題，掌握了能在短時間完成普查的地球資源衛星的遙感技術等。所有這些設計集中應用了當代最先進的科學技術成果。[1]