历史沿革

理论课和理论

教学条件

教学方法与教学手段

教学效果

1 、课程定位

南京航空航天大学是一所具有航空、航天、民航特色的多学科大学,飞行器设计与工程专业是航空航天类龙头专业,而“飞行器总体设计与系统工程”是本专业的骨干课程。本课程主要是针对每年招收 10 个班 300 多名的该专业本科生,也可为其他航空航天专业和民航专业学选修。本专业生源充足,每年都是较高分数录取的优秀学生,学校担当培养他们成为国家航空航天事业优秀人才的责任。本课程不仅是飞行器设计与工程专业学生需要掌握的最基本的专业知识,而且是学生从事飞行器总体设计应具备的工程能力的基础训练。

2、课程目标

作为具有研究生院的全国 56 所院校之一,“十五”提出的办学目标是要办成国内一流的研究性大学。“飞行器设计与工程”专业的承担航空航天高科技人才的重任,因此课程目标为培养具有现代飞行器设计和研究能力的人才提供知识与能力的基本训练。鉴于本专业又是要培养“获得工程师基本训练的工程技术人才”,因此培养学生具有扎实的基础理论和较强的工程能力是十分重要的。

“飞行器总体设计与系统工程”课程,主要让学生掌握飞行器总体设计的基本原理和基本方法,了解飞行器系统工程知识和先进技术发展趋势,为培养学生成为具有一定的工程能力、创新能力和综合素质的飞行器设计专门人才打下基础。

3、知识模块顺序及对应的学时

根据现代飞行器设计的现实技术和发展趋势对飞行器总体设计与系统工程课程的要求,建立了飞行器总体设计与系统工程课程的知识模块体系,“飞行器总体设计与系统工程”课程教学内容从传统的飞行器总体设计向“系统工程”和“先进设计技术”两个方向拓展,同时总体设计本身比传统内容有了较大增删和改进,见“飞行器总体设计与系统工程”课程知识模块图。按照这一体系对课程内容、学时、理论教学和实验教学进行了整合重组,并以此撰写教学大纲,安排教学计划,编写教材。

•  课程教学学时: 76 学时

其中:飞机总体设计: 36 学时,系统工程、先进设计技术: 36 学时

•  实践教学学时: 4 周

课程的重点、难点及解决办法

课程重点:

飞行器型式与创新思维,

气动布局设计与分析

主要参数的确定与协调,

部件外形设计与分析

课程难点:

( 1 )设计概念的模糊性与创新性

飞行器总体设计与数学、力学、物理等课程不一样,并不是那种严格的逻辑公式推导知识过程,同样的设计技术指标要求,设计结果并不是“唯一”的答案,飞行器总体布局设计没有固定形式。

( 2 )“最优”与“协调”

我们总希望飞行器总体设计是“最优”的,也有相应“优化设计方法”,但真正的“最优”和“样样都优”的飞行器总体设计并不存在。

解决方法:

1 .首先要让学生跳出长期“公式求解”的教学训练和“由已知定律演绎结果”的固定思维方式,飞行器是人类创造出的,本来就没有固定形式,培养学生以科学的方法创新设计,应是本课程教学的基本脉搏。

2 、从飞机设计的发展与国内外形形色色布局型式鼓励学生创新思维,同时把握总体布局的决策的科学依据。

3 .教学中把经验公式数据统计方法与严格的现代计算机辅助设计分析方法(如气动数值计算、结构有限元、最优化方法)相结合。

4 、“飞行器优化设计”只是相对的。如从气动特性方面希望飞机最轻,从结构强度方面希望飞机更重,这两个问题正好矛盾。

一方面要鼓励学生学习“优化设计方法”,特别是现代“多学科优化”、近似人思维方式的“遗传算法”、“神经网络”等方法,但这也仅仅是一种辅助工具,不能代替设计师的作用。

5 .另一方面,培养学生的处理工程问题的“协调”能力,“协调”是飞机总体参数与部件选择设计的最重要的把握,“协调”能力也是飞行器总设计师最基本的能力和素质,培养学生作为“总设计师”总体协调的素质,以多种飞机设计实际例子说明。

6 .通过实践教学与训练,把抽象的设计概念学习变为实际设计的运作学习。

实践教学的设计思想与效果

1 、实践课程

( 1 )基本实验课 ——

① 现场实际飞机实验分析课,一方面是教师的现场实物剖析;另一方面,要求学生对某一飞机总体布局,操纵性能观察、测试与实验,了解该飞机设计特点与技术要求的关系,并作相应的初步性能分析。

② 工程软件实验课——学习工程软件性能与使用方法,并由学生利用软件做设计训练,或计算分析所设计的飞机部件性能。

( 2 )综合性实验课 ——课程设计,根据设计技术要求,设计出相应的飞机总体布局或部件构形,并作计算分析,根据技术要求,作改进设计,绘制所设计的外形三面图及工程数据。

主要是设计过程和综合工程能力的训练,同时有一定的创新性锻炼。

( 3 )课外作业 ——创新性实践学习,以小组形式集体设计新概念小型无人飞机或微型飞行器。

2 、实践教学

本课程一贯重视实践教学, 80 年代就让学生参与轻型飞机设计。“十五”我们实践教学改革的思路是重点加强学生工程能力、创新能力和综合素质的培养,实践教学的基本做法为:

( 1 )基本实践教学

前辈航空航天专家为人类创造了各种飞向天空和宇宙的杰出飞行器,我们利用南航馆藏丰富的“航空航天馆”,给学生现场教学,解剖分析典型飞行器设计特点。使书本概念变为形象化的实际设计案例。

培训学生学习现代飞行器设计工程方法,本专业实验室建设有目前飞机设计研究所常用的计算机辅助设计工程软件,如计算机三维与二维图形设计 CATIA 、 UG 软件,气动与结构分析设计 MGAERO , FLUNT , NASTRAN 等,使学生不但可以用这些软件进行飞机设计计算训练,而且为将来走上工作岗位打下良好的实际能力基础。

( 2 )综合性和创新性实践教学

课程设计是综合性实践教学的基本形式之一。

课程设计,通常每个学生必须完成一个较完整的设计训练过程,包括设计技术要求,飞机总体或某一部件的构形设计,作计算及相关性能分析,是否满足技术要求,改进设计,绘制工程图。对部件设计我们一般安排已知实际飞行器的部件为题目,这样,学生设计过程与结果是否合理正确,有比较(事先不告知学生)。这种实践培养,不但增强学生对飞行器设计过程的理解,而且使学生把本课程内容与专业基础和基础知识结合起来,如空气动力学,结构力学和机械制图等。

“十五”期我们创建的“大学生飞机创新设计实验室”和“微型飞行器创新实验室”,把本课程的综合性实践教学向着更加生动活泼、具有特殊成效的方面迈进了一大步。

我们通常把学生组织成若干个小组,每组( 4--6 人左右)承担一架小型无人驾驶飞机或微型飞行器的设计、制作和试飞的全过程学习实践。通常教师不指定设计什么已知的布局外形(有的只指定方向,如太阳能飞机、扑翼微型飞行器等),充分发挥学生自己的创造思维。学校对这些实践教学经费给予积极的支持(包括研制设备与材料)。对设计出的“飞机”,进行教师与学生共同评比,让学生相互学习到更多的东西。其中比较好的,进一步进行制作(包括机体和发动机

选配、螺旋奖等),最后进行实际飞行试验,验证设计结果。

近些年把实践教学改革的作为重点,取得明显效果,使学生受益很大:

( 1 )培养学生的创新能力 。如学生们创新设计出仿真微型扑翼飞行器(获得全国大学生挑战杯赛特等奖)和 3.5 米展长的太阳能无人飞机,激发他们对航空事业的光趣,培养他们的创新意识和创新能力,

( 2 )培养学生的综合素质 。首先从知识方面要把课内学过的知识在实践中融会贯通,第二,从系统工程方面得到了综合能力的培养,既要学习许多课外知识,又要学习处理工程实际问题的能力。如在课堂讲到重量设计时,学生们体会不深, 2005 年学生创作无人小飞机时,超重仅 100 克,结果实现不了短矩起飞,才深深体会到重量设计在飞机中的重要性。

( 3 )培养学生团结协作精神。 飞机是一项综合工程,不是一个人能完成的。在这种实践锻炼中,他们组成“总设计师”分工负责制,有的担任总体布局设计,有的做结构设计,有的做计算分析,一般都动手制作,共同试验和试飞。布局之间、结构之间、制作装配,都遇到各种问题,学生们自己协调解决,培养他们的组织能力和协调能力。

( 4 )锻炼学生不怕困难、坚忍不拔的意志。 在纸上“设计”飞机“容易”,但要让设计制作的飞机飞起来,就是一件很难的事情了。往往看来设计得“很好”,制作精美,但是到试飞时常常出问题,甚至飞机堕落整个摔坏。学生们在遇到这些困难时,不气馁,连夜排查问题,组织整改,直到试飞成功。这对培养学生学习“航空航天精神”的坚强意志很有好处。

近三年来,本专业学生设计制作成的小型无人飞机试验机就有十几架,设计制作成的微型飞行器(通常尺寸小于 30 厘米)也有十几架。其中大部分都飞行试验成功。

“幸运鸟(Luckybird)”(2004)

“凤凰(Phonix)”(2004)

“飞马(Pegasus)” (2005)

“北风(Boreas)”(2005)

“蓝箭”(2005)

基于模块化设计思想的双机身飞机(2006)

飞翼布局(2006)

以最大商载为设计目标的飞机布局(2006)

微型飞行器试飞

学生研制的部分微型飞行器

“云雀 -01 ” 掌上微型飞行器

仿鸟微型扑翼飞行器

 

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