第1章绪论
1.1飞行器发展概述
飞天自古就是中国人的梦想，嫦娥奔月、敦煌飞天等各种飞天神话在中国文化中比比皆是。起初飞天只存在于人们的想象之中，随着技术的发展，人们不断尝试飞天。从2000多年前的风筝，到明朝《武备志》里记载的“飞空击贼震天雷炮”“神火飞鸦”等采用喷气推进的火箭武器，中国人一直在追逐飞天梦想的道路上努力探索。
而真正的飞天从气球、飞艇、滑翔机的出现开始，起初的热气球难以控制飞行方向和速度。为了控制气球的飞行方向，人们进行了长期的研究。在热气球的基础上发展的飞艇，具备流线型艇体和能够稳定控制方向的尾面，因此飞艇经历了三四十年的辉煌时代，由于体积大、速度慢、不灵活，容易受到攻击，飞艇在军事上的应用逐步被飞机所替代。
1809年，英国乔治 凯利（GeorgeCayley)的论文《论空中航行》从空气动力学的角度对飞行器进行了理论研究，对飞机升力、重力、推力和阻力下了定义，给出了飞行稳定性和飞行控制的有关理论，尤其对固定翼的作用进行了阐述，奠定了固定翼飞机的基本构思和理论基础，因此他被称为“空气动力学之父”。在空气动力学的理论基础上，载人滑翔机的研究得到了很大推进。20世纪初，美国莱特兄弟基于滑翔机，进一步研究飞行升力与飞行控制的理论，优化了机翼形状和飞机的各操纵舵面，并设计制造了一台四缸水冷式汽油发动机，设计出了第一架动力飞行器一“飞行者一号”。经过无数次试验，*终于1903年，莱特兄弟驾驶“飞行者一号”成功升空飞行，虽然飞行留空时间只有12s，飞行距离约36.6m，但这是人类历史上第一次有动力、载人、持续、稳定、可操纵的重于空气飞行器的成功飞行。之后，莱特兄弟又对飞机的发动机、螺旋桨和飞机结构进行了改进，并带动了美国及欧洲各国对飞机的重视。因此，飞机外形、结构、动力等各方面都得到了极快的发展，其飞行速度、操纵性和稳定性得到了极大提升。
1914年之后，飞机因其具备的作战能力，得到了各国的深入研究，飞机产量和性能也都得到了飞速发展。1914～1918年，全世界一共生产了18万多架飞机，飞机航程增加了3倍，起飞重量增加了700倍，航速增加了2倍。
1918年之后，空气动力学得到了更多的发展，并应用在飞机设计上。例如，采用大展弦比机翼、采用双凸或上凸下凹平机翼、机身流线型等设计，早期的双翼飞机开始向单翼机发展。1940年前后，流线型全金属单翼机已成为飞机主流，封闭式流线型机身、全金属材料、开缝机翼与襟翼、变距螺旋桨和可收放的起落架等都已经得到广泛应用。1918年之后，飞机开始迅速转为民用，美国及欧洲各国都建立了民用航线网络，民航业务快速发展起来。此时，美国波音公司在1933年生产并投入使用的双发活塞式客机一波音247(B247)客机、美国道格拉斯公司在1936年生产并投入使用的双发活塞式客机一DC-3客机代表了当时民航客机的*高水平。
1939年之前，利用活塞发动机驱动螺旋桨的飞机，其速度已经到达极限，一种新的喷气式飞机开始出现。涡轮喷气发动机的出现，使得喷气式飞机走上了历史的舞台。经过不断的发展，1943年，德国研制的喷气式战斗机Me262具备了实战能力并被投入战场使用。1939～1945年，飞机根据作战方式不同，形成了不同的军用机种，并促进了飞机技术的迅速发展。
1945年之后，喷气式战斗机发展更加迅速。传统的螺旋桨飞机活塞发动机功率小、体积大、结构复杂，高速下，螺旋桨的效率会急剧下降，因此难以突破声速。并且螺旋桨飞机在高速俯冲时已接近声速，多次发生机毁人亡的重大事故。当飞机速度接近声速时，由于空气扰动会出现积累现象，空气会遭到强烈的压缩，密度急剧增加，形成高密度的空气波面，对飞机产生了新的阻力一激波阻力。为了突破声速，各国研制采用后掠翼加喷气发动机的战斗机。
1935年，德国的空气动力学家阿道夫 布施曼（AdolfBusemann)在沃尔塔会议上首次提出了完整的后掠翼思想，该设计有利于降低阻力、提高临界马赫数、提高飞行速度。1947年，苏联的后掠翼战斗机米格-15完成首次飞行。1949年，美国的后掠翼战斗机F-86“佩刀”正式服役。
为了突破声速，美国在火箭上进行试验，1947年美国的X-1火箭完成了人类首次成功的水平超声速飞行，达到1078km/h，约为1.015Mfl。1953年，第一代实用的超声速战斗机一美国的F-100“超级佩刀”完成首次试飞，*大平飞速度达到了1.3Mfl。苏联紧随其后，在1953年米格-19完成了首次试飞，*大平飞速度达到了1.35～1.45Mfl。
第二代超声速战斗机是20世纪50年代末到60年代末研制使用的，其飞行速度可以达到2Ma代表机型有美国洛克希德公司的F-104“战星”式、麦克唐纳公司的F-4、诺斯罗普公司的F-5、英国的“闪电”式、法国的“幻影”III和“幻影”F-1、苏联的米格-21、米格-23、米格-25和苏-17等。
第三代超声速战斗机是20世纪70年代中期研制使用的，代表机型有美国的F-14、F-15、F-16和F-18、苏联的米格-29、米格-31和苏-27、法国的“幻影”2000、欧洲的“狂风”等。
第四代超声速战斗机是20世纪90年代末期研制使用的，代表机型有美国的F-22、F-35、俄罗斯的T-50等。
第一代和第二代超声速战斗机都追求飞行高度与飞行速度；第三代超声速战斗机更强调低空格斗能力，因此对飞机的操纵性和机动性有更高的要求；第四代超声速战斗机更突出隐身能力、高机动性、超视距作战能力等。从第三代超声速战斗机开始，飞机的电子及控制系统有了重大改变，并给飞机的性能带来了重大提升。
第二次世界大战结束后，全球对空中运输的需求迅速增加，对客机的载客量、载货量、航程、飞行速度等有了更高要求，促进了客机相关技术的发展。
第一代喷气客机是20世纪50年代投入使用的，机型有英国的“彗星”式、法国的“快帆”、美国的波音707、道格拉斯公司的DC-8以及苏联的图-104等。
第二代喷气客机是20世纪60年代投入使用的，代表机型有波音727、波音737和道格拉斯DC-9、英国的“三叉戟”苏联的图-154等。
第三代喷气客机是20世纪70年代投入使用的，代表机型有波音747、道格拉斯DC-10、洛克希德公司的L-1011、空客公司的A300、苏联的伊尔-86等。
第四代喷气客机是20世纪80年代投入使用的，代表机型有波音757、波音767、空客公司的A310、A320、苏联的伊尔-96、图-204等。
第五代喷气客机是20世纪90年代投入使用的，代表机型有波音777、麦道MD-11、空客公司的A330、A340等。
1909年，旅美华侨冯如制造出了中国第一架飞机，并于1911年建立了中国第一家制造飞机的公司。而在1937年到1949年之间，我国航空业遭受到战争的打击，发展艰难，几乎陷入停滞状态。1949年新中国成立后，我国的航空业得到了快速的发展，逐渐成为了航空大国。1957年，我国仿制苏联的小型运输机安-2制造生产的运-5试飞成功。1958年，我国自行研制的第一架喷气式飞机一歼教-1试飞成功。同年，我国根据苏联的米格-19歼击机改进设计的歼-6试飞成功，标志着我国跨入世界少数几个能够生产超声速飞机的国家行列。20世纪60年代，我国先后推出了歼-7、歼-8、强-5等多种超声速歼击机和强击机。我国在重点发展歼击机的前提下，也发展了轻型和中型轰炸机，包括轰-5和轰-6。改革开放以来，我国航空业发展更加迅速，并逐步赶上世界一流水平，形成了歼-20、运-20、轰-20等多军机种组成的世界一流航空装备。中国军队建设的现代化需要航空业的进一步发展，航空航天类专业学子们当承接时代的使命任务，为了实现建军一百年奋斗目标，开创国防和军队现代化新局面而不断努力。
当前飞行器根据工作飞行环境主要分为三类：航空器、航天器、火箭和导弹。航空器主要是工作在大气层内；航天器主要工作在大气层外即外太空中；火箭和导弹则主要工作在大气层内外。其中航空器根据构型又细分为：气球、飞艇、滑翔机、固定翼飞机、直升机、多旋翼飞机、扑翼飞机等。不同构型的航空器其结构与组成系统差异较大，本书中的飞行器对象特指航空器中的固定翼飞机。
1.2飞行器系统综合与系统交联
飞机设计是一个系统工程问题，多个子系统综合组成了整个飞机系统。系统之间的综合不仅仅是单纯的叠加，还有系统参数之间的匹配、功能性质上模糊原有的界限，系统之间形成密切的交联和相互作用关系。在飞机设计的发展历程中，各子系统之间的综合越来越密切，推动飞机系统的整体性能不断提高。并且因为飞机各子系统越来越复杂，各系统之间的交联带来大量的数据传递与交换。高速数字式数据总线的出现极大地促进了数据和控制的交换效率，提高了航空电子系统的综合化、集成化、先进性程度，进一步促进了各飞机子系统之间的综合和交联。
当前飞机的主要子系统为：飞行操纵系统、飞行控制系统、液压系统、燃油系统、起落架系统、人机与环境控制系统、推进系统、电气系统。燃油系统给推进系统提供动力燃料。推进系统产生主推力保持飞机飞行，并给飞机的液压与气压系统提供动力驱动起落架系统的各液压设备。此外提供动力带动机载发电机，为电气系统的各类机载电子设备提供电源。发动机也为人机与环境控制系统提供引气，为座舱进行压力调节；并为各类气压涡轮提供动力，保证空气循环与温度调节系统正常工作。电气系统又主管控制着各子系统，将各系统的数据进行综合处理，提高了数据处理的效率与飞机系统的综合程度，*终改善了飞机的操控效果和性能。此外，各子系统的质量分布对飞机的操纵性能有很大的影响，进而影响了飞行控制系统的工作效果。正是飞机的各个子系统之间存在着的复杂交联关系，当一个子系统不能正常工作时，就会影响到整个飞机系统的正常工作。
1.3飞行器各子系统设计思路
完整的飞机设计，包括了对各个主要子系统的设计。本课程为了让学生更清晰地掌握飞机设计的内容，阐述了各子系统的设计思路。每个子系统的设计思路从立项论证、可行性论证、详细设计和全面试制四个方面依次阐述。相比于军机，民机在设计过程中需要符合适航条例。
1.3.1飞行操纵系统设计思路
1.立项论证
1)本阶段的目标
(1)根据飞机主要性能指标和技术要求，形成初步的飞行操纵系统技术要求。
(2)根据初步需求，提出飞行操纵系统基本功能架构与初步概念方案。
2)本阶段的主要工作
(1)形成飞行操纵系统初步概念方案。
(2)根据型号总体性能要求，结合适航条款要求，形成操纵系统总体技术要求。其中，适航条款应集中研究法规中*新变动条款的要求和符合性验证方式。
3)本阶段的关键输出
完成飞行操纵系统立项论证报告。
2.可行性论证
1)本阶段的目标
(1)梳理操纵系统的关键技术。
(2)开展权衡研究分析，确定初步的飞行操纵系统设计方案。
2)本阶段的主要工作
(1)主要围绕新架构、新技术、新材料等设计技术进行可行性认证，提炼、形成关键技术，并针对每项关键技术做详细论证和研发规划。
(2)开展权衡研究分析，确定初步的飞行操纵系统设计方案。
(3)主要围绕新架构、新技术、新材料等设计技术进行可行性认证，提炼、形成关键技术，并针对每项关键技术做详细论证和研发规划。
(4)开展权衡研究分析，确定初步的高升力系统设计方案。
3)本阶段的关键输出
(1)完成系统关键技术研发规划报告、初步的飞行操纵系统设计方案和系统关键技术研发规划报告。
(2)完成初步的高升力系统设计方案。
3.详细设计
1)本阶段的主要工作
(1)完善飞行操纵系统设计要求。
(2)完善系统需求文件（systemrequirements document，SRD)。
(3)完成飞行操纵系统安全性分析（system safety analysis，SSA)。
(4)完成系统设备安装。落实总体、材料、强度和工艺等各方面要求，完成系统设备安装设计，形
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