美国飞机设计教学的特点与启示

余雄庆

摘 要 本文通过对美国飞机设计教学中的教学目标课程安排飞机设计实验室与工业界的联系飞机设计竞赛项目和一体化设计教学方式等方面的考察和分析为我国飞机设计课程的建设和改革提出了一些有益的建议关键词

飞机设计 教学改革 美国飞机设计教学特点

飞机设计课程作为飞机工程的一门主要课程它与侧重于分析计算的课程不同飞机设计课程强调应用前修课程的知识构思飞机设计方案对各种设计方案进行综合分析作出判断和决策飞机设计过程不仅涉及逻辑思维活动而且更重要的是包含了形象思维和创造思维等非逻辑思维活动

因此

讲授飞机设计课程的难度较大

自80年代后期美国一些长期从事飞机设计教学的教育工作才认识到飞机设计教学质量令人担忧甚至存在着危机工业界发现毕业生往往有较好的计算分析能力但缺乏良好的工程设计能力1991年美国国家研究委员会邀请16位工程设计专家对美国工程设计研究和教学状况进行了调查和评估写了一个评估报告联合起来改革工程设计教学方式

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报告中明确指出由于美国对工程设计教学

不够重视其结果是美国工业产品在国际市场的竞争力逐渐削弱并呼吁工业界大学和

以加强美国工业在世界上的领先地位

此后美国有关部门开始加强对工程设计(包括飞机设计)教学建设和改革的资助各大学的航空航天系纷纷提出新的飞机设计教学方案许多大学都获得了NASA和国家科学基金的资助飞机设计教学的状况有了转机笔者利用在美国圣母大学U. of Notre Dame进修访问期间旁听了飞机设计课程现将这些认识整理如下

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并承担了部分教学辅助工作同时阅读了一些美国其它大

学的飞机设计教学计划和教学论文逐渐对目前美国飞机设计教学方式和特点有了一点认识

供同行参考

一教学目标

美国飞机设计课程的目标主要包括以下几个方面(1)让学生掌握飞机设计的一般过程和方法(2)给学生提供一个飞机设计的经历(3)融汇贯通前修课程所学的知识使学生对飞机工程中各个学科(如气动结构动力系统材料工艺等)的作用和相互关系有一个整体的认识(4)培养学生综合分析判断和决策能力(5)培养学生小组工作(Team-work)精神(6)培育学生制定计划组织协调的基本能力(7)提高书面和口头表达能力(8)培养学生多学科一体化设计思维方式

二课程安排

为了实现这些教学目标美国各大学航空航天工程系有其独特的飞机设计教学方式一般来说飞机设计课程分为两个阶段每一阶段为一学期第一阶段为讲授阶段这一阶段主要由教员讲解飞机设计的一般过程和方法回顾前修课程的有关概念使学生认识到各门学科在飞机设计中的地位和作用传授综合分析和决策方法这一阶段要求每个学生地完成一系列有关飞机设计的作业第二阶段为项目设计阶段这一阶段有些类似我国的课程设计或毕业设计教学环节教员起辅导作用主要工作由学生完成学生被分成若干设计小组要求各小

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组完成某种飞机的设计任务每个小组有一个组长(相当于总师)每个学生必须有明确的分工如有的学生负责气动计算

有的学生负责结构分析和设计

设计项目主要有两种类型一种是设计制造试飞项目要求每小组完成飞机设计加工试飞整个过程称为Built Aircraft项目另一种是完成某一特定要求的飞机设计方案和论证报告只要求完成书面报告称为Paper Aircraft项目Built Aircraft项目的优点是通过试飞能直接评判每个小组的设计成果学生的学习和工作积极性往往较高不足之处是所设计的飞机往往只能局限于小型无人飞机学生为了确保飞机能试飞成功设计方案往往偏于保守另外这种项目所需的费用较高圣母大学和北卡州立大学就是采用这种项目

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Paper

Aircraft项目虽然不能通过试飞来检验飞机设计方案是否成功但可以让学生尝试用新方法和新技术来设计比较复杂飞机大多数大学的设计项目是采用Paper Aircraft项目如1993年Embry-Riddle航空大学的设计项目为用并行工程思想设计下一代军用教练机堪萨斯大学的设计项目为斜翼机设计这些设计项目大多数得到NASA的先进设计教学项目的资助因而在设计或制造过程中所需的经费可得到保障在项目进行过程中每个小组要定期向所有学生和教员汇报设计进展状况每个学生有23次机会报告进展状况并回答教员和其它小组成员的问题设计工作完成后每个小组要分工撰写设计报告设计报告格式有严格要求尽量符合工业界的要求最后每个小组要对他们的设计报告进行答辩教员根据设计报告的质量答辩以及阶段的口头报告的情况

评判学生的成绩

三飞机设计实验室

飞机设计课程一般配有供学生专用的飞机设计实验室实验室的主要硬件设备有计算机绘图机小型CAD/CAM机床加工和装配工作台软件除了学校统一安装的通用软件外还拥有飞机设计所需的专用软件而这些专用软件往往是教员及其研究生的研究成果这样教学工作与研究工作能有机地结合起来笔者在进修期间参予了电动无人机气动/结构/动力/性能一体化分析软件的开发工作这个软件在他们的飞机设计的教学中获得了广泛的利用计算机系统采用网络形式来管理以避免学生随意修改计算机系统的配置和添加不必要的软件配置这些硬件和软件的费用主要来自的教学改革基金如弗几尼亚工学院飞机设计实验的计算机系统和圣母大学的小型CAD/CAM机床均来自于NASA的先进设计教学项目这些飞机设计实验室为学生顺利进行设计项目提供了一个良好的工作环境

四飞机设计教学与工业界的联系

航空航天工程系首要任务是为航空航天工业界培养专业人材飞机设计教学应反映目前工业界飞机设计技术的状况但由于教员往往在大学里工作多年本身的知识结构不能很好地反映工业界的最新状况为了弥补这一缺陷美国许多大学的航空航天工程系聘请工业界的设计人员参与飞机设计课程的教学活动例如圣母大学每年都要邀请波音洛克希德等工业公司的设计人员作为答辩小组(68人)对学生的设计方案进行评审每个小组答辩成绩也由评审组评定答辩之后学生与这些设计人员有个座谈会通过交流学生了解到工业界的最新状况同时工业界的设计人员也为飞机设计教学提供了一些有益的建议弗几尼亚工学院的做法是聘请格鲁门公司具有丰富设计经验的设计师讲解飞机设计中的难点端

2

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这样通过工业界的设计

人员参与飞机设计课程的教学活动在一定程度上防止了教学内容与工业界实际需要脱节的弊

五飞机设计教学与飞机设计竞赛

每年美国航空航天局AIAA与一些航空工业公司联合举办全美大学生飞机设计竞赛竞赛项目分为两类一类是飞机设计方案的竞赛AIAA提出飞机类型设计要求和使用要求每个参赛小组根据这些要求提出设计方案进行分析和论证递交完整的设计论证报告例如1997年AIAA飞机设计竞赛项目是具有隐身性能的无人战斗机的设计评审专家组根据每个设计小组的设计论证报告及其答辩评定名次另一类是设计/制造/飞行竞赛项目每个参赛小组不仅要递交设计报告还要进行飞行比赛和表演评委根据飞行状况和设计论证报告决定各小组的名次

美国许多大学的飞机设计教学中的第二阶段(项目阶段)的设计任务往往就是AIAA的飞机设计竞赛项目这些竞赛有效地激发了学生的学习热情为了在竞赛中取得好成绩学生会自觉增加工作量

教员们发现学生自己要做的工作往往比教员所期望的还要多

六一体化设计教学方式

飞机设计涉及气动动力结构系统材料制造可靠性成本预算等各个学科为使飞机整体性能最优必须在飞机设计过程中考虑各门学科之间的相互影响飞机设计一体化教学模式就是在这个背景下提出的据笔者观察美国目前一体化教学模式主要有以下三种 (1) 设计/制造/试飞模式

这种教学模式就是让学生通过飞机设计课程经历设计制造试飞整个过程考虑该设计方案的飞机是否容易加工和装配

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培养学生

一体化设计的思维方式学生在飞机设计方案中不仅要考虑飞机性能是否达到要求而且还要

由于每个小组的使用经费和设计期限有严格限

制设计论证中必须包括成本预算和进度安排由于在试飞中要经常检查各种设备是否正常工作在设计中必须考虑维修性因此学生在进行设计过程中必须同时考虑性能加工与装配成本与进度维修性与可靠性等各个方面否则他们就难以顺利完成这个项目虽然设计项目只是小型无人飞机

但也反映了飞机设计一体化概念

(2) 并行工程思想应用于飞机设计教学

近来并行工程思想在工业界受到了极大的关注并行工程要求设计人员在产品设计的一开始就要考虑产品从概念设计到报废处理整个寿命期间的各个方面包括质量(性能)成本进度和用户要求各个方面佐治亚理工学院在并行工程研究方面有很好的基础他们提出了基于并行工程思想的飞机设计一体化教学模式并获得了NASA先进设计项目的资助该教学模式是针对研究生主要通过开设新课程如并行工程引论的任务从而培养学生具有一体化设计的思维方式

全寿命价值设计等课程利

用他们基于并行工程思想开发的飞机一体化设计计算机环境要求学生完成高速民机初步设计 (3) 纵向一体化设计(Vertical Integrated Design)教学模式

所谓纵向一体化设计教学模式就是让大学一年级的学生参与四年级学生的飞机设计项目从一年级开始就有设计经历使他们对飞机设计各个方面有个感性认识其目的是让一年级学生更好地认识以后要学的各门课程在飞机设计中的地位和重要性这个教学模式是由美国东南部几所大合提出的一体化设计教学模式的资助

初步的试验结果表明

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并得到美国国家科学基金委工学院联合项目

但有待完善

这种教学模式是可行的

七对比与启示

美国大学飞机设计教学方式对我国的飞机设计课程的建议和改革有不少启示:

3

(1) 关于飞机设计教学目的 飞机设计课程的目标不仅仅是传授飞机设计的一般方法提供学生一个飞机设计的经历而且还要树立学生具有一体化设计的思维方式培养学生分工协调

项目管理

判断与决策

口头与书面表达能力

(2) 关于课程安排 美国大学的飞机设计课程虽然分为两个学期完成它是一个整体我国的飞机设计课程一般分成飞机总体设计结构设计和系统设计三门课程而且往往重视结构设计轻视总体设计这种做法实质上是不强调飞机设计中创新性我国飞机设计界流行的原准机法

在美国几乎听不到因为原准机法不能体现飞机设计的本质教员应更新

知识结构在飞机设计教学中体现综合设计思想

(3) 关于课程与工业界的联系 目前我国许多飞机设计教员本身缺乏在工业界的实践经验在教学中难以反映目前工业界的飞机设计新技术其实美国有些教员同样也存在类似的问题可借鉴美国同行的做法邀请一些工厂或设计所经验丰富的专家参与一些飞机设计教学活动

(4) 关于教学研究基金 美国有关部门对工程设计教学研究有专门的基金项目如前述的NASA先进设计项目就是其中之一如同申请科研基金教员也可通过递交论证报告申激请教学研究基金经专家评审优胜者可获得经费资助建立教学研究基金的好处在于(1) 发教员进行教学研究和课程改革的积极性我国高校目前存在重视科研轻视教学的风气教学研究基金制度的建立对扭转这种不正常的风气必将有推动作用(2) 课程建设中所需的经费可得到保障美国许多大学的飞机设计实验室的建立和扩充都是在NASA的先进设计项目资助下才得以实现的我国的课程建设所需的费用往往是由上级下达计划性很强没有真正体现教员进行教学改革的主动性

(5) 关于如何激发学生学习飞机设计的兴趣 目前大多数学生对飞机设计课程投入精力不大兴趣不高原因有许多其中的一个主要原因是缺乏激发学生学习兴趣的机制为了激发学生对飞机设计课程的兴趣美国AIAA的措施是举办飞机设计竞赛项目另一种办法是让学生完成设计/制造/试飞项目这种项目很有挑战性为了在飞机设计竞赛中获胜为了使自己设计的飞机能飞行学生往往自觉地投入很大精力来完成这些项目我们可以借鉴这些经验

参考文献

基于我们现有的条件探索出一个能激发学生学习飞机设计的机制

1 Committee on Engineering Design Theory and Methodology, Improving Engineering:

Designing for Advantage, National Academy Press, 1991.

2 Batill S M, Aerospace System Design, Course Handout Package, University of Notre

Dame, Notre Dame, IN, Spring, 1998.

3 Batill S M, System Design from Mission Definition to Flight Evaluation,

AIAA-92-1091.

4 Mason W H, Aircraft Design at Virginia Tech: Experience in Developing an Integrated

Program, AIAA-95-34.

(作者单位

南京航空航天大学飞行器系

210016)

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