飛行器氣動設計教學的思考與實踐

吳宗成+鄒輝+高振勛

摘要：飛行器設計空氣動力學是重要的研究生專業(yè)課，本課程綜合性強，涉及面廣，將經(jīng)典理論和飛行器前沿設計技術緊密結合，直接面向飛行器設計工程應用部門，本文重點討論了課程的特點、課程內容的組織實施、教學方法的綜合應用等方面。

關鍵詞：氣動；設計；教學

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）08-0210-02

在傳統(tǒng)的培養(yǎng)模式和計劃中沒有氣動設計類課程中，過去學生都是通過分別學習空氣動力學和飛機設計兩門課程，然后在工程實踐中摸索氣動設計方法，由于飛行器性能要求的越來越高和氣動設計的復雜性，國內外已普遍認識到這門課程的必要性和重要性。該課程的主要教學目的是建立起空氣動力學和飛機設計兩者之間的橋梁，將空氣動力學的基礎理論和飛機設計相結合，使學生對飛行器的氣動設計有一個全面的了解和掌握，培養(yǎng)學生飛行器氣動設計能力以及全面綜合分析能力，建立飛行器空氣動力學設計的基本設計方法、設計理論，和其他相關學科的綜合考慮，為學生進行飛行器的氣動設計提供空氣動力學理論的基礎、分析問題解決問題的能力。教學團隊在前期良好的教學建設基礎上，不斷擴充完善教學內容，強調基礎性、前瞻性和實用性，改進教學方法，培養(yǎng)創(chuàng)新意識。

一、教學內容的組織完善

與該課程相關的國內外參考資料非常有限，教學團隊充分收集整理國內外相關著作、文獻，利用網(wǎng)絡資源，綜合研討教學內容。教學中注意將國內外前沿最新的飛行器氣動設計理論方法引入教學，不斷擴充完善教學內容。由于飛行器氣動設計與總體設計、飛行控制、隱身等學科密切相關，涉及面廣，因而，教材內容的組織取舍，如何在有限的教學時間內選取組織授課內容，保證課程的基礎性、前瞻性和實用性，是非常重要而艱難的任務。教學團隊廣泛進行了國內外相關課程教學調研，收集資料，研討并完善教學內容，形成了較為合理的課程體系。教學內容從運輸機到戰(zhàn)斗機再到高超聲速飛行器，循序漸進。運輸機作為最基本的飛行器類型，特別是民機，主要要求的是安全性、經(jīng)濟性、舒適性和環(huán)保性，設計目標相對集中，都是飛機設計中的基本問題。具體來說，主要包括先進翼型的不斷發(fā)展，亞音速干線飛機三維機翼的設計，機翼翼梢減阻裝置的應用、如何減少摩擦阻力、減少部件間的干擾阻力等減阻措施，低速起飛著陸階段的增升裝置外形的空氣動力設計，多學科優(yōu)化設計，最后簡要介紹高速民航機的氣動設計?，F(xiàn)代戰(zhàn)斗機性能要求不斷提高，并且涵蓋多個方面，如機動性、超聲速巡航特性、隱身特性、超視距作戰(zhàn)能力等，因而課程重點包括了現(xiàn)代戰(zhàn)斗機的氣動布局，邊條翼、鴨式布局、前掠翼等，隱身要求和空氣動力的綜合設計，發(fā)動機進排氣系統(tǒng)及其與飛機的一體化設計，推力矢量化，機敏性和超機敏性等，并且重點介紹了數(shù)值模擬方法在未來飛機設計中的重要性。

由于高超聲速飛行器的迅速發(fā)展，課程也對其進行了簡要介紹，高超聲速飛行是洲際彈道導彈、回收衛(wèi)星、飛船、航天飛機在上升段和再入大氣層時，以及穿越行星大氣層的宇宙探測器進入行星大氣時將經(jīng)歷的飛行階段，也是當前正在發(fā)展的跨大氣層飛機和新型武器系統(tǒng)所必須具備的能力。由于學生高超聲速空氣動力學基礎偏弱，故首先概述了高超聲速技術的需求背景、高超聲速空氣動力學、高超聲速流動的基本特性，然后重點介紹了氣動力、氣動熱工程計算模型和高超聲速飛行器熱防護等內容。

二、教學方法的綜合應用

1.板書、電子課件、多媒體資料的有機結合。在課程教學中，根據(jù)講授的具體內容，結合板書、電子課件、多媒體資料等多種手段綜合應用。由于上課的研究生專業(yè)不同，基礎差異較大，故在講授中，教師需要根據(jù)學生的具體情況，以空氣動力學設計思想、設計理論為核心，輔以補充必要的專業(yè)基礎知識和理論，這些內容比較適合以板書的形式，而多媒體資料可以加深學生的印象，提高學生感性認識，增加學習興趣，加深對基本理論的理解，故板書、電子課件、多媒體資料等相互補充，相輔相成。

2.案例教學和理論教學相結合。教師在課程講授過程中，注意理論學習和案例教學相結合，由于氣動設計的基本理論和飛行器的設計發(fā)展更新?lián)Q代直接相關，因而在基本理論的講授中緊密結合具體案例，以提高學生的學習興趣，加強學生的感性認識，加深對氣動設計基本理論的綜合理解。如在民機的氣動設計中，重點介紹了空客380、波音787等飛機的典型設計特點，了解翼梢裝置設計中與結構重量等多學科優(yōu)化的設計思想，機翼載荷的展向分布設計特點等。結合F15、F16討論發(fā)動機進氣道的設計特點等。結合F22討論現(xiàn)代戰(zhàn)斗機的設計特點，機動性和隱身性的綜合權衡，對空氣動力學的挑戰(zhàn)等問題。

3.課外研究報告的撰寫與課堂討論相結合。為增強學生的科研實踐能力，在課堂教學的同時，要求學生課外針對教學內容相關專題查閱文獻、綜合分析、研究討論、撰寫論文，并組織學生課堂展示研討，變學生被動聽講為主動學習研討，以提高學生學習的主動性和自覺性，鍛煉學生自主研究、綜合分析問題解決問題的能力。在教學實踐中，對論文選題給以合理指導，相對集中，以增加討論的參與性，收到較好的教學效果。

4.考核體系的完善。在教學方法研究方面，進行了考核體系改革，結合考試、報告撰寫、課堂研討、考勤等多種形式，全面衡量學生的學習態(tài)度、知識掌握、靈活運用、收集整理資料、研究解決問題、撰寫報告、表達能力等多方面的考察。并積極聽取學生的反饋意見，為進一步改進教學質量，提高教學效果提供參考。

三、課程的特點

由于現(xiàn)代飛行器發(fā)展迅速，不斷更新的飛機都集成了新取得的科研成果和先進技術，教學內容不斷變化是課程的一個顯著特點，取得高性能的變化多樣的氣動布局是空氣動力學的理論知識應用于實際飛行器設計的杰出成果。將經(jīng)典理論和飛行器前沿設計技術緊密結合，直接面向工程部門飛行器設計應用，故課程不僅要涵蓋氣動設計的基本理論基本方法，而且要和當前國際航空航天前沿最新水平接軌，反映國際最高水平，只有這樣，才能使學生掌握最新的氣動設計思想方法理論，更好地服務于工程實踐。

本課程不僅在空氣動力學專業(yè)，而且對相關專業(yè)如飛機設計、固體力學等專業(yè)的研究生培養(yǎng)中都占有重要地位，是學生全面掌握飛行器氣動設計的主要理論和主要方法重要的專業(yè)課，和飛行器設計工程實踐密切相關，為學生畢業(yè)后從事飛行器設計提供空氣動力學設計理論和方法支撐。課程綜合性較強，覆蓋面廣，涉及多學科相關領域，選課同學有碩士、博士研究生、單位代培等不同類別。通過該課程的學習，學生對空氣動力學在飛機設計中的作用與意義可以有更深的認識，同時也切實認識到設計問題的復雜性、多學科綜合應用的重要性，有利于在今后的學習工作中更全面更綜合的考慮問題，為以后科研工程實踐奠定堅實的基礎。

四、總結

本課程是一門重要的研究生專業(yè)課，在國內外相關課程中有其鮮明的特色，在教學安排上，注意教學內容改進完善，不斷將最新的科技成果增加到教學內容中，將氣動設計基本理論和飛行器設計前沿技術相結合；課程體系設計合理，教學方法多樣，對飛行器氣動設計的能力培養(yǎng)有重要意義。

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