贾 晓

（中航工业综合技术研究所，北京 100028）

飞机一体化设计技术与标准化

贾 晓

（中航工业综合技术研究所，北京 100028）

通过对飞机一体化设计技术概念、原理、技术发展概况和应用情况的介绍，分析了飞机一体化设计技术对航空技术和产品发展的影响、对飞机设计理念和流程的影响，研究了飞机一体化设计技术发展对标准制修订、标准实施和标准化效能评估等标准化工作的影响，阐述了标准化工作的发展趋势。

飞机 ； 一体化设计 ； 标准化

飞机设计是一项复杂的系统工程，飞机设计的过程，就是运用系统工程方法对飞机总体性能和各系统技术指标进行权衡、折衷、综合与优化的过程。为了提高飞机的总体性能，飞机设计采用了越来越多的新技术、新材料和新方法，由此也衍生了新的系统。在飞机设计中尽可能多地将飞机的各个部件、各个系统和各项技术参数进行一体化设计，以便寻求尽可能优化的飞机设计方案。

所谓飞机一体化设计，是指在掌握丰富的航空专业技术的基础上，利用并行工程的设计方法和数字化设计的技术手段，对飞机所涉及系统进行全面的综合和优化，从而提高飞机性能，降低研制成本，缩短研制周期。

在实现手段上，飞机一体化设计主要依靠并行工程、虚拟设计、仿真技术和综合优化技术。通过并行工程，可以使飞机设计、制造、使用和维护专家集中到一起进行工作，在飞机的方案设计时，就考虑到制造、使用和维护上的要求，从而缩短研制周期，减少设计中发生的错误和不必要的更改。也可以使不同系统的设计师协同工作，提高设计的协调性，更好的发挥效能。通过虚拟现实技术可以提高设计人员的工作效率，减轻工作负担，从而实现设计/制造一体化。利用计算机仿真软件，可以大幅度减少试验环节，这不但能节省时间和经费，而且可以使设计人员迅速了解其设计方案的变更对于相关系统和飞机性能的影响，便于选出最优设计方案。做好飞机一体化设计工作，必须依靠丰富的航空技术储备。因为，只有对各项航空专业技术有了深入的了解，才能得出可信度高的计算机分析和仿真结果，而且，只有掌握了多种航空专业技术，才能在选择技术途径和技术方案时做到游刃有余。

1 技术发展及国外发达国家应用

飞机设计是一项综合性的技术。早在20世纪初，人们在研究颤振问题时，就已经把飞机的结构和强度进行综合设计。20世纪70年代出现的主动控制技术，要求飞机设计人员必须把飞机的飞控系统与飞机的气动布局进行一体化设计。随后，美国通过“先进战斗机综合计划”，先后开展了F-16、F-111和F-15等研究项目，对任务自适应机翼、综合飞行—推进控制、二元矢量推力、反推力喷管等技术进行了比较深入的研究。同时，美国还重点加强了隐身技术的研究，使得隐身与气动的一体化设计逐步趋于成熟。这些航空专业技术的发展，为今后飞机的一体化设计奠定了技术基础。

在设计手段上，随着计算机和软件技术的迅速发展，人们开发成功了一系列计算流体力学、结构分析、隐身性能分析、CAD/CAM以及使用、维护的计算机仿真软件，并且把他们集成在一起，使飞机设计人员在进行某项设计或修改之后能够迅速地分析和掌握飞机的性能及其对制造和使用等方面的影响，从而极大地提高了设计效率。

20世纪90年代以来，随着计算机技术、网络技术和虚拟现实技术的发展，以及并行工程在飞机设计中的应用，传统的飞机设计方法和设计手段已经发生了质的变化。目前，飞机一体化设计技术正受到越来越多国家的重视。无论是其理论研究还是工程应用都在不断取得突破。

国外飞机一体化设计技术应用具有代表性的国家主要有美国、法国、英国和俄罗斯等。

1.1 美国一体化技术应用

美国是目前世界上航空技术最为发达的国家，其飞机一体化设计技术也始终走在世界的前列。美国不但在飞机的隐身/气动一体化、飞行/推力控制一体化、飞行/火控一体化和推力矢量等航空技术和航空系统的综合方面处于领先地位，而且其计算机、软件技术也居世界前列。

20世纪90年代初，波音公司在研制波音777时首次采用了“无纸设计”、“过程集成”、“并行工程”等飞机一体化设计技术，使研制周期几乎比波音767缩短了一半，减少设计更改和返工率50%，装配时出现的问题减少了50%～80%。

早在上世纪80年代，洛克希德·马丁公司就自主开发了ACAD计算机辅助设计软件，用于加快飞机总体设计和分析时的迭代过程，利用这套系统，可以使设计员很方便地设计和修改二维和三维几何图形。后来，该公司又引进了达索公司开发的CATIA三维交互式计算机辅助设计系统，并开发了COMOK和COVIEW可视化设计工具，从而用数字样机取代了金属样机，并为设计、制造一体化奠定了基础。为了满足F-35的研制需要，该公司开发了VPDI虚拟设计软件，这套软件不但可以帮助设计人员进行飞机的设计和修改，而且还可以对制造和使用维护的全过程进行仿真，使它的一体化设计能力得到了进一步的提高。

1.2 法国一体化技术应用

法国对航空技术一直比较重视，并且坚持独立自主的发展方针，掌握了现代飞机设计的许多关键技术。早在1981年，法国达索公司就推出了CATIA计算机辅助设计软件，并将之用于飞机一体化设计。该软件提供了非常丰富的造型工具来支持用户的造型需求，能满足特殊行业对曲面光滑性的苛刻要求，因而在航空、汽车及轮船等设计领域赢得了很高的声誉，先后出口到许多国家。

1990年，达索公司在“隼2000”的设计中制造了数字样机，从而取消了所有实物样机。1993年，达索又将“阵风”项目全盘数字化，在产品的全寿命过程中均可共享全部数据，并且利用并行工程和虚拟现实技术提高了飞机的设计水平。与美国的F-22相比，“阵风”的主要不足在于它没有采用隐身的气动外形，从而导致其隐身能力不足。为了弥补在隐身技术领域内同美国的差距，法国加强了隐身技术研究。达索公司宣称，AVE计划涵盖了无人机所有可能的应用，包括战斗无人机。AVE隐身无人机的研制成功，标志着法国的飞机一体化设计技术取得了新的进展。

1.3 英国一体化技术应用

英国的航空技术不但具有悠久的历史，而且还有许多独到的地方。20世纪60年代，英国率先研制成功了垂直起落战斗机“鹞”。20世纪80年代在研制EAP验证机时，对飞机的机电系统进行了一体化设计，使该机的机电系统减重50%，降低成本50%，可用性提高8倍。后来，还把这项技术用到了EF2000上。

目前，英国在隐身技术和垂直/短距起落方面比其他欧洲国家具有明显的优势。在EF2000的研制过程中，不但采用了气动/结构一体化、飞行/推进一体化和机电系统一体化技术，而且还采用了CATIA等数字化设计手段，并且开发了许多专用的优化设计程序。例如，EF2000的机翼优化就是由BAe公司的ECLIPE程序完成的。

1.4 俄罗斯一体化技术应用

俄罗斯在材料和电子技术研发方面虽然不如西方国家，但是凭借其深厚的航空技术基础和总体综合能力，先后研制出米格-29、苏-27等性能先进的飞机。冷战结束后，由于受经济因素的影响，俄罗斯航空装备的发展速度有所放慢，但却一直没有停止对先进技术的探索。1996年，装有推力矢量喷管的苏-37在范堡罗航展上震惊了世界；1997年，采用前掠翼布局的苏-37首飞成功；2000年2月，俄罗斯隐身技术验证机米格-1.44首飞成功。由此可见，俄罗斯在隐身、气动、推力矢量和飞控等方面的一体化技术已经具备了非常高的水平。同时，俄罗斯将一体化设计技术应用于第五代战斗机的研制。

2 对航空技术和产品发展的影响

通过飞机一体化设计技术，可以实现飞机设计工作中技术的集成、系统的集成、过程的集成、人员的集成和管理信息的集成。

所谓技术集成，是指在飞机设计过程中，同时考虑多项技术对飞机总体性能的影响，对各项技术参数进行统一的优化。以飞机的隐身性为例，为了获得良好的隐身性能，需要飞机具有较好的隐身外形，而飞机的隐身外形往往会造成飞机气动性能的下降，利用飞机一体化设计系统中的气动分析软件和隐身性能分析软件，就可以及时掌握各种设计方案对飞机隐身性和气动性的影响，对飞机的气动和隐身性能进行综合优化，从而得出气动性和隐身性俱佳的设计方案。

所谓系统集成，是指将过去彼此独立的系统集成在一起，实现信息和资源共享，降低全系统的重量和成本，提高系统的可靠性。此外，通过系统集成，还可以提高系统之间的相互协调性，增强飞机的作战能力。

所谓过程集成，是指将飞机设计、制造、使用维护和改进改型中将要遇到的技术问题进行统一考虑，从而实现设计/制造一体化，并为今后的改进改型做好预先规划。

所谓人员集成，是指通过计算机网络和虚拟设计系统使得处于不同地方的设计、制造和使用维护人员共同为飞机设计进行工作，从而最大限度地发挥集体的智慧，减少设计中的疏忽和差错。

所谓信息集成，就是通过数据库和数据库管理系统，将飞机设计过程中的各种数据、资料和设计方案利用数字化技术进行统一管理，以便于设计、制造、使用维护和管理人员准确、迅速、方便地获得各自所需的信息，从而提高工作效率，并为实现飞机的一体化生产和全寿命期管理创造条件。

飞机一体化设计技术对飞机设计工作所带来的这些变化，有利于提高飞机性能，降低研制成本，缩短研制周期，从而使飞机的设计效率大大提高。

2.1 提高飞机性能

从系统工程的角度来看，当多个系统和设备组合在一起时，必然会产生相互影响和干涉，根据不同设计要求得出的设计方案往往是相互矛盾的。通过一体化设计技术，可以对飞机的系统方案和设计参数进行优化，对各种设计要求进行全面的折衷，并把各系统之间的不利干涉降到最小，从而使飞机的总体性能达到最优。

2.2 降低研制成本

通过一体化设计，可以及早检查飞机上各系统之间的协调性以及在制造、使用和维护上可能存在的问题，并及时予以解决，从而降低改正错误或改进设计所需要付出的代价。另外，利用一体化设计技术可以减少一些实物试验，由此降低飞机的研制成本。

2.3 缩短研制周期

通过一体化设计，加速了设计、制造和使用维护人员之间的信息交流，便于检查和更改设计方案中可能出现的问题，从而提高设计效率，缩短研制周期。

此外，飞机一体化设计技术可以很方便地移植到导弹、车辆、舰船等其他军民用设计领域，为国防和国民经济建设发挥更大的作用。

3 对飞机设计理念和流程的影响

飞机一体化设计技术已被广泛应用于型号研制的总体设计、结构设计和系统设计与集成。采用一体化设计技术，必将引起传统飞机设计流程的变革，实现由独立工作模式向协同工作模式转变、从串行设计模式向并行设计模式转变和以经验为主导的设计模式向结构优化设计模式转变。

3.1 从独立工作模式向协同工作模式转变

在传统的工作方式下，各专业、各部门的工作过程相对独立，协作性不强。另一方面，各专业、各部门的工程师由于受专业和主观因素的制约，总是会过多地强调和考虑自己主管专业的性能指标，而忽略飞机的整体性能指标，对工作效率和设计质量产生不良影响。

因此，建立一个协同工作的基础环境，各专业人员变被动协调为主动协调，实现从独立工作模式向协同工作模式的转变，是非常必要的。

协同设计模式突出人的作用，主张打破企业内严格部门界限和工作界面，强调IPT小组有效的协同工作，这是成功实施协同设计关键因素所在。

波音公司在进行B777的数字化设计时，组建了238个由各个专业、部门人员参加的设计制造团队（与IPT类似）同时进行集中式协同研发。他们依赖三维数字化设计与设计制造团队的有效实施，在计算机上完成了飞机的设计、装配以及测试，设计更改、返工率减少93%以上，比过去的项目装配时出现的问题减少了50%～80%，研制周期从过去的8年时间缩减到5年。

3.2 从串行设计模式向并行设计模式转变

并行设计是对包括产品设计、制造、支持在内的相关过程进行集成化的、系统化的设计方法，它的目的是在一个协同设计环境里，进行一系列相互关联的飞机零部件的同步设计、分析和工艺规划，同时产生这些零部件的工装设计和数控程序。并行和协同是现代飞机设计理念的两个重要内容。协同设计强调的是各专业、各部门人员的互相协作和紧密配合，并行设计强调的是各专业、各部门人员同步开展设计工作。

飞机结构与系统是一个有机的整体，在并行工作模式中，结构设计除了考虑结构件的布置、协调、干涉、容差等问题外，还对系统的安装协调性、密封、维护以及其它方面的问题进行统筹综合考虑，达到系统和结构的整体协调，使系统的安装与机体结构完美匹配、管路布置均衡合理。而在传统的设计模式中，当结构设计基本完成时，对与系统协调的问题只能采取事后补救的方式，影响设计质量。

3.3 从以经验为主导的设计模式向结构优化设计模式转变

随着现代飞机性能要求的不断提高，飞机的结构形式变得日益复杂。在飞机结构设计过程中，需要考虑的设计约束条件和设计参数越来越多，越来越繁杂。在这种情况下，设计工程师在设计阶段对飞机结构技术性能的把握就成了一项非常艰巨的工作。传统的仅靠设计员的经验和粗略的估算校核来进行设计，然后再进行强度分析计算和各种试验来进行验证的做法，显然已经不能满足现代飞机结构设计的要求。

虽然设计人员可以不厌其烦地一次次修改设计参数以寻找最理想方案，但缩短开发周期的压力通常要求分秒必争，人们可能没有更多的时间对数据参数进行手工调整。因此，将优化技术引入设计过程变得非常必要，它能使设计人员从繁重的试凑工作中解脱出来，同时也使设计技术达到一个新的高度，从而大大提高设计的效率和成功率。

飞机设计流程的变革从根本上改变了传统的飞机设计模式。它是一项系统工程，涉及面很广，需要设计理念的转变；需要设计人员素质的提高；需要相应的软硬件投入；需要设计规范、技术管理方法和质量管理方法的改革。

4 对标准化工作的影响

飞机一体化设计技术的发展，将会带来航空技术和产品发展的新时代，将产生全新飞机设计流程和设计理念，也会对标准化工作带来深远的影响。

4.1 对标准制修订工作的影响

飞机一体化设计技术，会对现有的标准制修订、标准应用实施和标准化效果评价产生深远的影响，在飞机一体化设计技术发展与应用过程中将会产生大量的飞机协同设计标准、并行设计标准、优化设计标准、数字化平台标准和研制管理标准，也会对标准制定理念和模式带来新的影响，会引发现有标准体系的变革。

4.2 对标准实施应用的影响

基于网络信息化平台的智标服务系统会快速发展，智标服务系统是专门针对标准化工作中的资源加工、知识组织与利用而研发的信息服务平台，能够为用户提供自有资源整合、标准元数据搜索、知识关联搜索及个性化定制等标准信息服务，实现标准检索、多维度导航、知识元关联、统计分析等。能够建成一个标准信息服务的门户系统；最大限度的实现标准的有机存储，整合现在多种标准资源，实现“一站式”的标准建设和增值服务，完成对标准本身和各知识元的深度挖掘和关联，满足多样化、准确性的标准信息需求将大大提升用户单位或个人的绩效产出与竞争力。

4.3 对标准化实施效果评价的影响

标准化实施效果评价发展趋势是型号标准化效益评估，型号标准化效益评估方法可以定量计算标准化效益。利用研究建立的数学模型，分析调研中获取的航空行业多个型号产品的型号标准化效益评估数据，直接地证明了型号标准化工作对型号产品研制做出重大贡献。飞机一体化设计技术的广泛应用，将会从以下几个方面推动型号标准化效益评估工作：

一是制定型号标准化效益评估标准和评估指南；

二是开展评估方法应用研究工作；

三是开发型号标准化效益评估的软件工具。

5 结束语

飞机设计是一项十分复杂的系统工程，涉及许多方面和部门的工作，特别是设计和制造技术的关系十分密切。新一代飞机的设计和制造技术趋于复杂和日新月异，随着信息网络技术的发展，飞机一体化设计技术将会广泛应用于型号研制中，也会促进飞机设计流程和设计理念的变革，同样会对标准化工作带来新的发展需求；标准化工作的发展，会进一步规范飞机一体化设计技术的应用，二者的结合，会使航空技术和航空产品的发展赢得新的空间。

（编辑：雨晴）

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1003–6660（2014）01–0003–04

[收修订稿日期] 2013-12-17