飞行器设计

飞行器设计（ flight vehicle design ），飞行器研制过程的重要组成部分和第一个环节。飞行器设计综合利用现代科学技术的成果，以系统工程的方法，用工程语言（图纸和技术文件）的形式指导飞行器的制造、试验和使用。同时，它也是研究飞行器设计理论、方法和设计过程的一门综合性技术学科。

19世纪初，人类模仿飞行动物终于设计和制造出飞行器的雏型，但当时还没有形成系统的设计理论。在理论探索和经验总结的基础上，20世纪20年代形成了飞行器设计的统计法，又称原准法。随后，在进一步分析飞行器各种参数对飞行性能的影响后又产生了分析法。60年代，随着航空航天活动的进展，飞行器日益复杂，出现了以计算机为工具的、包括优化设计在内的系统设计方法。所有设计方法均力求在当时条件下，以最小的代价（人力、物力、财力和时间）设计出符合要求的飞行器（见航空航天系统工程）。

设计特点

现代飞行器的设计特点是：①以多学科知识、新的预研成果、先进的制造工艺和试验手段作为设计的基础。飞行器设计的学科基础包括空气动力学、飞行力学、航天动力学、工程控制论、电子技术、推进技术、传热学、结构力学、气动弹性力学、人机工程学等。②飞行器是由多个分系统组成的整体，属于大系统，需要用系统工程的方法进行综合设计，其中总体设计尤为重要，设计协调工作繁多。③飞行器（特别是火箭和航天器）的设计理论和方法尚不完善，在设计过程中需要进行大量模拟和实物试验，为设计和修改设计提供依据。④为减轻重量，飞行器的刚度一般较小，设计时须将它作为弹性体充分考虑其动态特性。⑤大多数飞行器的飞行环境十分严酷（见飞行器环境工程），使飞行器能够适应环境是飞行器设计的一个重要内容。⑥火箭只能一次使用，发射费用昂贵，载人飞行器的安全性要求极高，航天器要能长时间连续工作，这些都需要把可靠性设计放在设计工作的重要地位。此外，各种飞行器的设计还各有自身的特点（见飞机设计、火箭设计、航天器设计）。

设计内容

飞行器设计是按照从总体到部分、从预测到验证的顺序进行的。①首先根据飞行器的任务和用途，把需要与可能结合起来，确定飞行器的技术指标或战术指标，借以作为设计的依据。②在指标确定的基础上，进行必要的工程分析、估算和试验，选择技术途径，对众多可行的总体方案进行比较，从中选出或综合出最合理的方案进行总体设计。③选定飞行器推进系统、飞行器的外形和主要参数并确定部位安排。绝大多数飞行器都有在大气层内的飞行段，所设计的外形应有良好的空气动力特性，易于操纵或控制，设计时进行理论分析和计算，通过风洞实验来验证。④在总体设计中提出飞行器的各种载荷，选定主要结构用的材料。既要使飞行器安全可靠，又要千方百计减小重量，这是所有飞行器设计都会遇到和需要解决的难题。为此，不仅要从总体布局和结构设计上解决，进行仔细的结构分析、静强度分析、动强度分析、热强度分析和刚度分析，往往还要选用当代比强度和比刚度最好的材料。除铝合金、钛合金外，许多复合材料已广泛采用，如碳纤维和芳纶纤维材料等。⑤复杂系统的综合设计是所有飞行器都会遇到的另一个难题。总体协调成为设计中非常重要又十分困难的工作。要将所有分系统和组件综合成一个有机的整体，使它能满足性能要求，彼此在结构、电气和工作方面又很协调一致。例如，避免火箭弹性振动与稳定系统耦合的协调设计；减小或消除大功率耗电时电压波动对自动驾驶仪和计算机等精密仪器工作的影响；航天器姿态控制既要满足温度控制的要求，又要符合跟踪、导航和通信时天线方向性的要求等。在设计上解决这些协调问题需要进行综合设计，往往还要通过制作模型、进行仿真试验、综合匹配试验和驾驶员（或航天员）参与研究等措施来辅助设计工作。

设计方法

飞行器的主要设计方法有统计法和系统设计法。

统计法

选定一种与设计目标接近的、资料较全的、成功的飞行器作为参考样机，用数理统计方法找出性能与设计参数的关系，经过分析对比，得出新飞行器的相应关系，进而确定新飞行器的总体设计参数。这种方法多用于早期的飞机设计和现代飞行器改型。

系统设计法

又称预研综合法。在对理论和关键技术进行预先研究的基础上，结合已有的理论和经验，将飞行器及其有关部分看成一个大系统，应用系统工程的理论和方法，对综合出来的多个方案进行比较，利用计算机辅助设计（见计算机辅助设计和制造）找出最优方案。还要通过反复试验和其他实践验证，对某些问题作出工程判断，决定取舍，同时保证新技术的稳定使用，在此基础上完成飞行器的工程图纸和技术文件的设计工作，这是现代常用的方法。在有的情况下两种方法可以兼用。

在现代飞行器设计方面，人们已成功地解决了一系列重大技术难题，诸如：通过大功率发动机的设计和先进的制造工艺成功地制成能乘坐500人以上的大型洲际旅客机；对于射程超过1万公里的洲际导弹，不仅解决了驻点温度高达上万摄氏度的弹头再入大气层的防热问题，而且落点的圆公算偏差达到了百米左右；人们已成功地设计了将人送上月球、将探测器送到行星的大型多级运载火箭，设计了新型航天器电源系统和微电子器件，解决了远达数十亿公里的信息传输问题以及在月球上准确软着陆和返回地球的导航问题，掌握了能在短时间完成普查的地球资源卫星的遥感技术等。所有这些设计集中应用了当代最先进的科学技术成果。