面向大学生能力培养的飞行器总体设计课程建设

李 珺，廖宇新，廖 俊     

（中南大学 航空航天学院，湖南 长沙 410083）

[摘  要]飞行器总体设计是航空航天工程专业本科生的重要专业课，本课程综合性强，涉及的分系统众多，需将多学科理论和飞行器先进设计技术紧密结合，本课程的教学内容、教学方式以及考核方式需要不断地改进和发展，重点讨论了飞行器总体设计的特点、课程教学过程中的问题分析及课程教学设计探索。

[关键词]飞行器总体设计；大学生能力培养；课程建设；教育教学论坛

[作者简介]李珺1989年8月男 河南省正阳县 工学博士中南大学航空航天学院 副教授，研究方向：飞行器总体设计、新概念飞行设计。

[中图分类号]G451.2  [文献标志码]A  [文章编号]

一、引言

本课程是航空航天工程专业学生的专业选修课，国内多数相关高等学校设立在大学的第六或者第七学期，安排的学时一般为40-60学时不等，主要讲述飞行器总体设计的基本原理和方法，主要的教学内容有飞行器的设计依据及参数选择、总体布局设计与外形与舱室设计、飞行器的动力装置与燃油系统、飞行器隐身设计、飞行器性能综合分析与评估等。这门课程旨在培养学生掌握先进飞行器设计的主要过程和方法，融汇贯通大学已修专业基础课程的知识：飞行器总体设计将综合应用流体力学（空气动力学）、飞行动力学与控制、航空发动机原理、飞行器结构力学、自动控制原理、航天器姿态动力学等课程学到的知识，提高学生的综合分析、判断和设计能力；结合飞行器设计的任务需求，在非唯一的设计方案中决策优选合适的方案。

二、飞行器总体设计的特点

本课程教学应该强调的飞行器总体设计特点：

（1）科学性与创造性：应用航空科学技术相关的众多领域（如流体力学、飞行动力学与控制技术、航空发动机原理、飞行器结构力学、自动控制原理、航天器姿态动力学）的成果；总体设计没有“标准答案”。

（2）反复循环迭代的过程：飞行器设计就是反复迭代、多轮逼近。简而言之，根据预研、需求分析得到飞行器的使用技术性能参数和战术技术性能。

（3）高度的综合性：飞行器总体设计就是综合考虑任务要求，进行不同学科专业间的权衡与协调；飞行器设计工作涉及到空气动力、结构强度、自动控制、电子技术、航空材料及制造等多种专业技术领域，需要众多的不同研究方向的研究人员参加。

三、课程教学过程中的问题分析

在飞行器总体设计课程的教学过程中，发现了以下几个主要问题：

（1）教学方法需要多样化：本门课程综合性极强，经验公式多，针对不同的教学内容如果只采用板书、PPT讲授的方式，学生的理解接受效果不佳；

（2）教学内容尚需完善：本门课程设计到飞行器的几大主要系统，涉及的内容较多，各大航空航天类高校相关专业均有自己的特色，也就造成了各大高校的该门课程的侧重点不一（有的高校开设《飞机总体设计》、也有高校开设为《航天器总体设计》），想要完成飞行器总体设计全面的讲解，尚需对教学内容进行完善；此外，相比较其他机械、交通等类课程的参考教材，目前国内针对飞行器总体设计的教材较少；

（3）教师个人研究方向性强、综合性较弱：鉴于本门课程的强综合性，由个别老师来讲授整门课程，可能会受限制与该教师的研究方向，对其他系统或者其他方向的讲授可能不充分；

（4）期末考核方式需要进一步合理化：传统课程的考核方式主要为平时作业以及期末考试，对于航空航天类的本科生，飞行器总体设计需要更加合理、能体现学生设计能力、团队能力、创新能力等的考核方式。

四、飞行器总体设计课程教学设计探索

针对上述在飞行器总体设计课程的教学过程中发现的主要问题，提出了相应的教学改革措施。在实施后，教学效果有了显著的提升。

（1）教学方法多样化

采用“提问+教学”方法，即课前或课中通过学生对个人感兴趣的知识进行深入调研并提出问题，由任课教师或者同组同学进行答复，并进行课堂讨论，以这种方式来解决飞行器各个系统设计中重难点。设计中的团队协作：团队协作能力，就是指发挥团队精神、互补互助以达到团队最大工作效率的能力。本课程将每3-5个学生划分为一个设计小组，按要求对飞行器进行概念方案设计，组员向小组长负责，每个设计小组在8周内完成某飞行器概念方案设计工作。

（2）教学内容尚需完善

本课程的教学内容除了参考国内航空航空类高校的教学内容外，还充分借鉴了国外先进的飞行器设计团队的教学方法与教学工具。飞行器计算机辅助分析与设计教学过程中采用由美国DAR公司开发AAA：Advanced Aircraft Analysis，AAA可对大多数飞行器设计方案的重要参数、分系统设计以及各种飞行、操作性能等进行分析；翼型气动特性分析与设计教学过程中采用由瑞典皇家理工学院Rizzi教授等开发的Pablo（Potential flow around Airfoil with Boundary Layer coupled One-way），和由美国DaVinci Tchnologies公司开发的Airfoil Optimizer软件。此外，为了拓展学生的眼界，在课程中，采用飞行器型号案例教学和理论教学相结合的方式，飞行器总体设计兼具科学性与创造性、反复循环迭代的过程以及高度的综合性等特点，因而需要在理论知识的讲解中紧密结合现有飞行器设计案例，加强学生的学习兴趣，比如结合我国歼-20战斗机与美国的F-35战斗机讨论现代战斗机的设计特点，机动性和隐身性的综合权衡。

（3）提升教师个人综合能力

鉴于本门课程的强综合性，授课教师必须提升自身的综合能力，可通过深入学习飞行器多系统的设计；此外，通过与国内一流高校的飞行器设计课程的授课同行们多进行交流取经。此外，邀请具有实际飞行器型号设计经验的或者飞行器设计院所的一线工程师讲解某型飞行器总体设计过程的精彩片段与设计经验，让学生了解飞行器设计的现实成就与困难。

（4）期末考核方式需要进一步合理化

本课程的期末考核主要分三个方面来进行评估：（1）飞行器总体设计报告；（2）“大学生研究性学习和创新性实验计划”的研究报告；（3）课程结束后的试卷成绩。考核中对学生设计能力、团队能力、创新能力等有所侧重。设计报告和研究报告的评价标准主要有：（1）完整性，是否完成了作业任务中要求的所有内容；（2）正确性，报告中的分析和计算是否合理、正确；（3）清晰性，报告撰写工整，层次分明；口头汇报时条理清晰。笔试试卷的考核标准主要有：（1）考察学生能否融合已学专业基础课程的知识；（2）考察学生是否掌握飞行器总体设计的基本原理和基本方法。

五、总结

航空宇航科学与技术学科的发展需要基础理论深、知识面广、实践能力强、团队意识好、思维活跃的综合性人才。飞行器总体设计课程的教学内容、教学方式以及考核方式也需要不断地改进和发展，本课程开设的近几年来，已经取得了有效的提高，学生普遍反映学习的效果很好。

[参考文献]

[1] 阚阅, 周谷平. “一带一路”背景下的结构改革与创新创业人才培养[J]. 教育研究, 2016. 37(10): p. 19-24.

[2] 袁昌盛, 飞机设计专业需要教什么[J]. 教育教学论坛, 2016(52): p. 206-208.

[3] 康与云, 冯桂芳, 尹玉亮等. 地方高校《现代飞机制造技术》课程建设研究与实践[J]. 教育教学论坛, 2017(48): p. 133-135.

[4] 王菁, 王晓璐, 刘战合等. 面向大学生能力培养的《飞行器系统设计》课程教学探索[J]. 教育教学论坛, 2017(22): p. 159-160.

[5] 吴宗成, 邹辉, 高振勋. 飞行器气动设计教学的思考与实践[J]. 教育教学论坛, 2017(08): p. 210-211.

Course Construction Research of "Aircraft Conceptual Design" for University Students' Capability Training

LI Jun, LIAO Yixin, LIAO Jun,

(School of Aeronautics and Astronautics, Central South University, Changsha, Hunan 410083)

Abstract: Aircraft Conceptual Design is an important professional course for undergraduate students of Aerospace Science and technology. This course is comprehensive and involves a wide range of subjects. It closely combines multi-disciplinary theory with advanced aircraft design technology. The teaching contents, teaching methods and assessment methods of this course need to be improved and developed continuously. This paper focuses on the characteristics of aircraft conceptual design, the analysis of problems in the course of teaching and the exploration of teaching methods.

Key words: aircraft conceptual design; students' capability training; course construction