说明：关于Raymer的《Aircraft Design》的读书笔记；

•飞机设计是分阶段完成的，这些阶段有不同的设计目标、设计方法，而且通常由不同的人完成。
•如果你在错误的阶段做了正确的事情，那就是错误的事情。
•那些不明白这一点的人总是想要跳到细节设计，这肯定会导致灾难。

2-1 设计需求

飞机设计是一个迭代的过程，你永远不会基于你设计的第一个布局直接制造飞机，对于设计需求也是如此。无论你在项目的第一天认为设计需求应该是什么，可以肯定的是，它们将在飞机飞行之前会发生变化。这个过程发生在X-31飞行器项目的开发期间，如图2.1所示。此外，在任何飞机的使用寿命期间，其角色和任务的变化将远远超出最初设计要求确定时的设想。

图2-1 X-31设计:早期布局到最终配置(作者在概念发展阶段领导飞行器设计)

但是，要绘制一个新的飞机概念布局，你需要有明确的参数数字，如机翼面积和发动机尺寸，这些只有从具体的要求才能适当地计算出来。如果你的客户没有给出一套合适的飞机设计需求，你就需要获得需求——或者创造需求!

飞机设计的要求来自几个来源和几个方面。在顶层(有时是如此明显而被忽略)是新设计项目的总体假设和框架。这些包括飞机的用途和操作的定义，对可能的购买客户和最终飞机运营商的假设，开发的时间规划，以及接受技术风险的程度。把这些写下来——这有时比你想象的要困难得多。

然后是各种“以客户为中心”的需求，潜在客户需要的任务需求和性能能力。这些包括明显的东西，如航程、有效载荷和速度，并经常增加更微妙的要求，如低可观察性，或适应现有商用飞机停机位的能力。在民用领域，这些要求通常由飞机公司根据客户输入、市场分析、竞争研究、对当前产品的考虑，有时只是直觉来设定。公司制定要求并设计飞机，然后由客户决定是否需要。显然，明智的公司在整个设计过程中都与潜在客户保持密切沟通。 最终，是公司设定了设计，然后收获奖励或承受后果。

对于军方来说，最终的设计要求是由客户根据承包商和客户群体(军官和文职人员)的广泛研究和分析，在征求建议书中确定为“可交付成果”。然而，在新飞机项目开始时，公司的高级设计人员通常必须总结一套要求来开始第一次布局设计。 他们不能等待客户群体做出决定,否则到那时另一家公司已经在与他们合作了。

对于大多数飞机设计项目，飞机的最大起飞总重将根据有效载荷重量和飞机任务航程的要求来设定。这是通过称为“确定尺寸”的计算完成的，在第3章和第6章中进行了广泛的讨论。飞机的发动机尺寸和机翼面积通常由最大速度、失速速度、爬升速度，起飞距离，和类似的性能指标确定。这些在第5章和本书的其他地方都有讨论。

顶层设计需求通常包括一些明确或隐含的总体成本目标。显然，当考虑到所有因素时，新设计不应该比完成相同任务的其他方法花费更多。成本目标还包括对市场承受能力的评估，以及新飞机对客户的经济价值。具体的成本目标可以写下来，包括开发成本、采购价格、运营成本等。有时由客户团体提供确定的成本限制，可用于约束需求、权衡研究和最终确定飞机尺寸。

在大多数情况下，这些要求将包括执行任务所需的一些特定设备，从炸弹和雷达到厕所和货物装卸设备。对于整个飞机、有效载荷、航空电子设备或其他设备，也可能存在特定的尺寸限制。例如，在F-22的先进战术战斗机项目期间，所有设计都必须适合现有的硬化掩体。这限制了允许的翼展，在某些情况下低于最优值。

设计要求的另一个广泛来源是法律上的，即民用或军用飞机设计规范。这些标准规定了各种各样的性能、设计和操作事项，甚至包括燃料的颜色。这些规格对于飞机概念设计的目的来说有太多的细节，有时很难解释，因为大量的交叉引用和“除了……”条款。对于飞机设计师来说，规范中的典型指标包括着陆下沉速度、失速速度、结构设计限制、飞行员的外部视角、储备燃料等。与飞机设计最相关的在附录中进行了总结。

对于民用飞机，美国有联邦航空条例(FARs)。这些是由美国联邦法规第14章在法律上定义的，具有法律效力。对于飞机设计的目的，最重要的是FAR第23部分，关于特技和通勤类飞机的适航标准，和FAR第25部分的运输类飞机。

过去，欧洲和欧洲以外的各个国家都有自己的认证标准。取得一架飞机在全球范围内的适航认证是相当昂贵的，因此欧盟发起了一项重大努力，以定义一套统一的规格。这导致了欧洲航空安全局CSs(认证规范)的创建。它们类似于FAR，甚至共享相同的编号方案。双方将共同努力使FAR和CSs完全相同，以简化飞机的适航认证和全球运营。

美国军方有自己的军事规格和军事标准。就像民用规格一样，这些都非常详细，其中与概念设计不相关。我们不关心导线的颜色。然而，我们需要了解那些影响整体布局设计及其分析的因素。例如，MIL-C-8785涵盖空气动力学，稳定性和控制。MIL-F-87858解决有人驾驶飞机的飞行质量问题。MIL-A-8860规定了飞机结构分析的载荷，MIL-A-8860-8864、8870规定了飞机的强度和刚度。

为了减少遵守军事规范的巨大开支，军方小心翼翼地“停用”了一些旧规范，要么依靠商业实践，要么信任承包商，要么将规范转移到外部组织。例如，旧的MIL-STD-1374，飞机重量和平衡数据报告，已经移交给联合重量工程师协会，该协会将其作为SA WES8 进行管理。

最后一个重要的设计要求类别来自于公司的设计经验。所有的航空公司都开发了自己的设计手册和“最佳实践”，这对他们很有帮助。明智的设计师和项目经理会确保考虑到这些实践。这表明，对于新成立飞机公司的人来说，这是一个严重的入场障碍,因为没有自己的设计手册。

还有一件事:在过去的几十年里，使用各种图形工具(如所谓的“质量之家”)来帮助定义需求，评估其相对重要性，甚至选择设计功能和评估技术的适用性，这一切都是在飞机布局设计之前进行的。在适度的前提下，这些工具在项目的早期阶段有价值，但笔者已经看到了一种倾向，即在这些方法上投入过多的时间和精力，从而耽搁了实际的飞机布局设计和基于布局的权衡研究。

这些方法存在严重问题，因为它们只不过是对猜测的整合，将专家的意见按1到10的等级进行总结，例如，对于即将设计的飞机来说，高展弦比机翼对实现远程飞行是否重要。当然是，但是相对于其他一些问题，比如重量或离地间隙，它有多重要呢?更重要的是，你是怎么知道的?你还没有画出飞机概念布局 呢!

本书中描述的方法允许根据初始需求和实际设计布局快速计算实际的数值。然后根据这些实际数字进行权衡研究，结果要可信得多。我的建议是——快速获得初始布局，并使用它来评估相对重要性并最终确定需求。

2-2 飞机设计的各个阶段

2-2-1 概念设计

飞机设计可以分为三个主要阶段，如图2.2所示。从上面讨论的设计需求出发，整个过程从概念设计开始，设计师们考虑多种形的飞机概念布局方案，在此基础上对设计和要求进行权衡研究，最终确定一个最佳设计，并根据重要的客户输入，选择一组比较平衡的要求。在初步设计阶段，对选定的概念方案进行足够详细的提炼和研究，使公司能够自信地对其投资;在详细设计阶段，设计实际的部分。然后制造、组装，如果幸运的话，还能飞上天。

图2.2 飞机设计的各个阶段

上图展示了飞机设计过程中的三个主要阶段：概念设计（Conceptual Design）、初步设计（Preliminary Design）和详细设计（Detail Design），以及每个阶段的具体任务。以下是对各个阶段的详细介绍：

1. 概念设计（Conceptual Design）

在这一阶段，设计团队需要回答一些基本但关键的问题，以确定设计的总体方向和框架：

• 设计驱动因素：识别和分析驱动设计的需求。这些需求可以包括性能目标、市场需求、法规要求等。
• 外观和参数：确定飞机的外观特征和基本参数，如重量和成本。
• 权衡考虑：分析和考虑各种设计权衡。
• 技术选择：选择和评估将要使用的技术，确保它们能够满足设计需求。
• 可行性评估：评估这些需求是否能产生一个可行且可销售的飞机设计。

2. 初步设计（Preliminary Design）

在这一阶段，设计团队开始具体化设计，进行详细的分析和评估：

• 冻结布局：确定并冻结飞机的总体配置，以防止后续阶段频繁更改设计。
• 外形开发：定义飞机的外形和表面，确保气动特性符合设计要求。
• 测试和分析数据库：开发用于测试和分析的数据库，确保设计能够被验证。
• 主要部件设计：设计飞机的主要部件。
• 实际成本估算：基于统计方法开发实际成本估算，以确保设计的经济性（这个阶段的成本估算非常重要，因为这关系到公司的投资决策）。

3. 详细设计（Detail Design）

在这一阶段，设计团队进入具体的工程设计和制造准备工作：

• 具体部件设计：设计将要制造的具体部件，详细确定每个零件的形状、尺寸和材料。
• 工具和制造工艺设计：设计制造所需的工具和制定详细的制造工艺流程。
• 主要部件测试：测试关键部件，如结构、起落架等，确保它们满足设计要求。
• 最终重量和性能估算：最终确定飞机的重量和性能估算（在这个阶段，设计团队会了解到实际的重量和性能数据）。

4. 制造（Fabrication）

在详细设计完成并通过所有验证后，进入制造阶段：

• 制造：根据详细设计和工艺流程，制造飞机的各个部件，并进行组装和测试。

通过这三个阶段的设计和开发，确保飞机从概念到实际制造的全过程中，每一步都经过详细的分析、评估和验证，以确保最终产品满足设计需求和市场期望。

概念设计是本书的重点。在概念设计中，布局布置、尺寸和重量以及性能等基本问题都得到了解答。概念设计的特点是大量的设计方案修改和权衡研究，以及对所考虑的飞机概念的持续的、渐进的改变。

一个关键的问题是，“能制造出符合要求的经济实惠的飞机吗?”如果不行，则可能需要修改或放宽要求。 在概念设计中，设计要求被用来指导和评估飞机总体配置设计。这种设计包括机翼和尾翼的整体几何形状，机身的整体形状，以及机组人员、有效载荷、乘客、设备、发动机安装、起落架和其他设计特征的内部位置。

布局设计中的细节层次不是很深。起落架只需要用圆圈表示轮胎，用棍子表示起落架支腿。然而，所有不同组件之间的相互联系非常重要，以至于需要多年的经验积累来创建一个好的布局概念设计,这远比我们看到的要复杂。

概念设计的一个关键方面是它是一个非常流动的过程。设计的布局总是在不断变化，既要融入对设计的新改动，也要评估对设计的潜在改进。权衡研究和不断增长的分析复杂度导致设计几乎每周都在演变。改变可以发生在设计的每一个方面，包括机翼几何形状，尾翼布置，甚至发动机的数量。

此外，在概念设计期间，需要对许多备选设计进行研究，以确定哪种设计方案是首选的。如果我们认为设计需求指向一个鸭翼，我们可能首先设计一个概念，但明智的设计师也会设计几个后置平尾的概念方案，或者是一个无尾概念布局，让数据(而不是偏见或先入为主的观念)做出最终选择。

这种对权衡研究和备选设计概念的强调给高端CAD系统带来了问题。他们太好了!通常，它们是为生产部件设计量身定制的，而不是“一切都会改变”的概念设计环境。这将在下面讨论。

概念设计可能只需要一周时间(如果做得不好!)，也可能需要几年时间。对于主要的商业或军事项目，通常需要6个月左右的时间来正确地研究需求、技术和备选方案，然后明智地选择最佳概念方案。

当您经历概念设计、初步设计和细节设计阶段时，设计的细节水平稳步提高。图2.3举例说明了典型的飞机几何结构——前翼梁在这个过程中的变化。

图2.3 不同设计阶段的前翼梁

图2.3的顶部以典型概念设计的细节量描绘了前翼梁的设计。它被“设计”为在梁的理想位置从根到尖的平板。换句话说，设计师画了一条线在顶视图从根到尖，和梁被认为是在该位置的机翼翼型的深度。

虽然这看起来很粗糙，但请记住，整个飞机的布局设计的这个阶段确定的，部件之间的相互作用比任何一个部件的精确几何形状更重要。上述前翼梁简单的表征已经足够回答最初概念布局的关键问题:翼箱、机翼油箱和前缘襟翼能有多大?概念设计的步骤在第2.3节中有更详细的描述。

2-2-2 初步设计

初步设计是在主要变化结束后开始的。这时, 诸如使用鸭翼还是尾翼这样的大问题已经解决了。布局方案可以预期保持当前图纸所示，尽管可能仍会进行微小的修改。初步设计的特点是经过几个月的时间，选定的设计逐渐成熟，对设计的理解水平不断提高，对设计和分析细节的水平不断提高，对设计可行的信心不断增强。

在某种程度上，航空公司认为它有足够的信息来“冻结”布局方案，禁止进一步更改总体布局设计。这个进度里程碑是至关重要的，因为它让其他设计人员开始对结构和子系统进行认真的开发，而不必担心他们的工作将因后来对总体布局方案的更改而无效。

在初步设计阶段，结构、起落架和控制系统等领域的专家将设计和分析飞机的相关部分。在空气动力学、推进、结构、稳定性和控制等领域开始进行严肃的测试。在这一点上，可以构造一个模型，无论是物理或电子的。有了3d虚拟现实装置，最好的系统可以让你看到整个设计的完整尺寸，在它周围走动，甚至抓住东西并移动它们。

初步设计中的一个关键活动是“放样”。 放样是对飞机外皮的数学建模，使其具有足够的精度，以确保不同部件之间的适当配合，即使它们是由不同的设计师设计的，可能是在不同的位置制造的。放样起源于造船厂，最初是用被称为“样条”的长而灵活的尺子完成的。这项工作是在造船厂上方的阁楼上完成的，因此得名。第七章讨论了放样问题。

初步设计的最终目标是为公司进入详细设计阶段做好准备，也称为全面开发阶段(FSD)。因此，初步设计的最后通常包括一个全面的开发建议。在今天的环境中，这可能会导致一种被戏称为“你拿你的公司打赌”的情况。经费超支或销售不足造成的损失可能超过公司的净值!初步设计必须建立信心，使飞机能够按预计成本按时制造。

在初步设计中，我们的示例翼梁的整体几何形状在概念设计阶段被细化，包括翼梁截面的实际形状(图2.3中间)。会采用相当复杂的方法对整个梁进行结构分析，目的是确定处理预期载荷所需的厚度(或复合层数)。梁只是飞机整体结构的一个元素，将在初步设计中定义，并将对整个结构概念进行广泛的分析(有时是测试)，以评估和优化整体概念。

请注意，在初步设计阶段的梁设计仍然不是“可制造的”。目前还没有充分考虑到附件、切口、检修面板、法兰、制造限制、燃油密封和其他“现实世界”的细节。这些都是详细设计的主题(图2.3底部)，通常只有在飞机结构概念作为一个整体在初步设计阶段得到验证后才会考虑。

初步设计需要几个月的时间(如果做得不好)，而对于一个复杂的高科技设计，比如超音速运输机或隐形战斗机，可能需要两年的时间。单是超音速风洞测试就需要好几个月的时间，你需要足够的时间来获取结果，修改设计，再进行测试。

初步设计中的CAD工具应该允许随着设计的发展而快速重塑整体配置，但也必须允许在生产质量表面定义中定义整个设计。由于处理几何图形的设计人员的数量将会增加，因此管理对几何图形的访问的一些方法对于避免混乱是必不可少的。现代CAD系统具有出色的数据管理工具-使用它们!

2-2-3 详细设计

假设已经做出了进入全规模开发的决策，详细设计阶段就开始了。这是设计实际部件的“细节”。然后你制造零件，把它们组装在一起，然后试飞。

在整个概念和初步设计阶段，没有一个用于制造的图纸被创建。相反，设计师们正在解决一些顶级问题，比如所需发动机的数量、机翼的后掠度、尾翼的类型和尺寸。在这一点上，没有理由设计实际的部件，因为一切都还在变化。此外，您不需要使用概念和初步设计工具来评估性能。

在详细设计过程中，实际的部件被设计出来，包括所有的单个结构部件，以及所有的系统，包括起落架、液压、电气、气动、燃料、推进等等。这些零件设计布局包括最小的细节，例如翼肋上的口袋切口角的精确半径，以及必须钻用于紧固件的孔的位置和尺寸。此外，所有在初步设计中没有考虑到的“小部件”都必须在这个阶段进行设计。这些包括皮瓣轨道，支架，结构夹，门，航空电子机架，和类似的组件。

一架战斗机有几十万个零件。一架大型客机有数百万个不同的部件(加上紧固件)和数百英里的线路。这些零件中的每一个都必须用自己的图纸或CAD文件来设计，就像它与所附零件的关系一样。

这需要很多人的努力。负责飞机概念和初步设计的小团队被数百或数千人的军队(大公司项目)所扩大或取代。设计越深入，参与的人就越多。事实上，大多数为大型航空航天公司工作的工程师将从事初步或详细设计工作。

细节设计阶段的另一个重要任务是生产设计。专家们决定如何制造飞机，从最小和最简单的部件开始，一直到最终的组装过程。生产设计人员经常希望修改设计以方便制造;这种修改会对性能或重量产生重大影响。妥协是不可避免的，但设计仍然必须满足最初的要求。

在前苏联，生产设计是由一个完全独立于概念和初步设计人员的设计局完成的。这通常会导致更高的生产效率，但通常会在性能和重量上付出一些代价。

在详细设计期间，测试工作加强了。飞机的实际结构被制造并进行测试。在“铁鸟”模拟器上测试了飞行控制系统的控制规律，该模拟器是执行器和飞行控制面的详细工作模型。飞行模拟器由公司和客户试飞员共同开发和飞行。

用于细节设计的CAD工具现在非常发达。高端CAD程序，如Solidworks、Siemens NX、Creo Elements/Pro和CA TIA，有许多工具可以帮助设计这些“小部件”，并定义典型的生产特征，如切口、口袋、半径和孔。实际传递给计算机辅助制造机械的是在详细设计中开发的CAD数据库。

详细设计结束于飞机的制造。通常为了满足计划，飞机的某些部件的制造必须在整个详细设计工作完成之前开始。有时这会导致已经制造好的零件或工具进行修改，从而花费巨大。在管理程序时，请仔细观察这一点。

原型通常建立在“软”或临时工具上，并且通常使用与生产运行所设想的制造过程不同的制造过程来制造。虽然最初更便宜，但从长远来看，这可能不是一个好主意。测试工具和测试原型机一样重要。使用生产工具，就像在三菱F-2 (F-16的衍生产品)上所做的那样，将更早地发现生产问题，并应降低总项目成本，即使初始成本较高。

制造从生产工具的设计和制造开始。从历史上看，这是一项庞大而昂贵的工程，需要建造数百或数千个昂贵的夹具和固定装置。一旦生产开始，问题往往会被发现，工具和生产过程必须进行修改。降低成本的一个持续趋势是使用CAM技术和创新的设计概念来最大限度地减少这种硬工具。

2-3 飞机概念设计的流程

概念设计通常从上述特定的设计需求开始，这些需求要么是由潜在客户确定的，要么是公司对未来客户可能需要的猜测。设计要求包括飞机航程和有效载荷、起飞和降落距离、机动性和速度要求等参数。要求还包括民用或军用设计规范。图2.4更详细地描述了概念设计过程。

有时候，设计从一个创新的想法开始，而不是对给定需求的响应。约翰·诺斯罗普(John Northrop)开创的飞翼并不是为了响应当时陆军航空队的特定要求而构思的，而是一个人“更好的飞机”的想法的产物。诺斯罗普公司多年来一直在探索这个想法，然后才制造了一架适合特殊军事需求的飞翼飞机。

在开始新的飞机设计之前，必须决定将采用哪些技术。如果要在不久的将来将一种设计投入制造，它必须只使用当前可用的技术以及现有的发动机和航空电子设备。如果它被设计为在更遥远的未来建造，那么就必须对当前的技术状况进行估计，以确定哪些新兴技术将在那个时候准备好使用。

例如，到2018年，完全依赖全电动的飞机尚未投入生产，但基于成功的飞行演示，该技术不会带来太大风险。另一方面，吸泵主动层流控制在分析和几次飞行测试中显示出巨大的回报，但许多人认为在不久的将来，将其纳入新的运输喷气机中风险太大。

图2.4 飞机概念设计的流程

对技术可用性的过度乐观估计将产生更轻、更便宜的飞机来执行给定的任务，但也将导致更高的开发风险。相反，只使用“昨天的技术”将导致一架重量和性能不佳的飞机，没有人会买这种飞机!

这就导致了争议，比如“我们的概念是低风险的”。为了澄清术语，NASA和国防部定义了“技术准备水平”(TRL)方案，用于沟通技术发展状态和风险。虽然仍然有些主观，但一项技术的TRL可以通过以下描述的具体事件来评估:

• TRL 1:观察和报告的基本原则
• TRL 2:制定的技术概念和/或应用
• TRL 3:分析和实验功能或特性概念验证
• TRL 4:实验室环境中的组件和/或面包板验证
• TRL 5:相关环境中的组件和/或面包板验证
• TRL 6:相关环境中的模型或原型演示
• TRL 7:实际环境中的系统原型演示
• TRL 8:通过测试和演示完成并合格的实际系统
• TRL 9:通过成功的任务操作验证的实际系统

实际的概念设计工作通常从概念草图开始(图2.5)。这是航空航天传奇的“餐巾纸背面”图，并给出了设计可能看起来像什么的粗略指示。一个好的概念草图将包括大致的机翼和尾翼几何形状、机身形状以及主要部件的内部位置，如发动机、驾驶舱、有效载荷/乘客舱、起落架和油箱。

图2.5 最初的草图

概念草图可以用来估计空气动力学和重量分数，通过比较以前的设计。这些估计值用于通过一个称为“确定尺寸”的过程，对执行设计任务所需的总重量和燃料重量进行初步估计。如果设计类似于以前的设计，初始尺寸可能不需要概念草图。

初始尺寸提供了开发初始布局所需的具体数据(图2.6)。这是一个三视图，完成了更重要的内部安排细节，包括起落架，有效载荷或乘客舱，发动机和进气道，油箱，驾驶舱，主要航空电子设备，以及任何其他足够大的内部部件，以影响飞机的整体形状。足够的横截面，以验证一切都适合。

图2.6 布局方案

在绘图桌上，三视图布局以一些方便的比例完成，如1/ 10、1/20、1/40或1/ 100(取决于飞机的大小和可用的纸张)。在计算机辅助设计系统中，设计工作通常以全尺寸(数值)完成。

对这个初始布局进行分析，以确定它是否真的能执行第一次尺寸设计所指示的任务。对实际空气动力学、重量和安装的推进特性进行分析，并随后用于进行详细的尺寸计算。此外，还计算了设计的性能，并将其与刚才提到的需求进行了比较。优化技术用于寻找既能执行设计任务又能满足所有性能要求的最轻或成本最低的飞机。

这种优化的结果包括更好地估计完成任务所需的总重量和燃料重量。结果还包括对发动机和机翼尺寸的修改。这通常需要一个新的或修改的设计布局，其中设计师将这些更改和迄今为止的工作所建议的任何其他更改合并在一起。

在工业中，设计通常会给出一个项目和图纸编号，如D645-5。像D645-1这样的项目的第一张图纸通常被简单地称为“Dash-One”。需要意识到的一件重要的事情是:你永远不会制造出dash - 1。dash - 1是制造dash - 2的工具，后者是制造dash - 3的工具，后者是…等等…。在将被制造的设计确定之前，Dash-50并非闻所未闻。

修改后的图纸，经过一些迭代，然后由一个不断扩大的专家小组详细检查，每个专家确保设计满足该专业的要求。

设计是迭代的，你永远不可能直接对“Dash-One”进行制造。

例如，控制专家将执行六自由度分析，以确保设计师对控制面尺寸的估计足以在设计规范要求的所有条件下进行控制。如果没有，它们将指示设计师每个控制面必须扩展多少。如果需要一个更大的副翼，设计师必须确保它能被纳入设计，而不会对其他东西产生不利影响，比如襟翼或起落架。

所有这一切的最终产品将是一个可以自信地传递到初步设计阶段的飞机布局方案，如上所述。虽然在初步设计期间预计会有进一步的变化，但如果概念设计工作成功，则不会进行重大修改。

请注意，初步设计可被视为图2.4右侧修改后布局的迭代延续。在“初步设计”阶段，只会选择一个概念——从而结束“概念设计”阶段——然后对这个概念进行一次又一次的分析、优化和重新绘制。由于只考虑一个概念，使用的工具可能更复杂和昂贵，包括完整的CFD, FEM, 6自由度，风洞测试等等。团队通常也更大，在一家大公司，从少数人到50人甚至更多。但是迭代过程是相似的：分析当前的基准外形，寻找问题，找到解决方案，寻找优化、简化和验证的方法。然后重新绘制基准外形，再重复一遍，直到有人说“够了!”

概念设计中使用的CAD工具应适应概念设计的流动环境。一个关键的能力是一个工具集合，它允许一个人快速开发一个概念性的设计概念(大约在一天内)，并不断修改设计概念和执行权衡研究。在设计的早期阶段，快速定位铆钉或切割路径的CAD功能毫无价值，但CAD功能可以改变机翼的后掠角，并相应地自动修改翼梁和肋的几何形状，这将是非常有用的。在每次优化研究或风洞试验后，机翼后掠可能会发生变化。CAD系统应该使这变得容易。

2-4 集成产品开发和飞机设计

飞机设计通常在现在所谓的集成产品开发(IPD)环境中完成，设计工作由集成产品团队(IPT)完成。美国空军(USAF)装备司令部综合产品开发指南是美国飞机承包商采用这些方法的主要推动力，该指南将IPD定义为“系统地采用功能学科团队来集成并同时应用所有必要流程以生产满足客户需求的有效和高效产品的理念”。

IPD驳斥了大型官僚工程组织的传统等级结构，并呼吁将决策推至尽可能低的层次。多学科 IPT 将设计、工程、生产和运营人员与客户代表聚集在一起，定义和开发新产品，甚至包括全新的飞机。它们应该尽可能地放在一起，以最大限度地提高团队成员之间的沟通。

在许多方面，IPT就像矩阵管理结构的旧“项目”，并且旧项目中最好的部分几乎完全按照当今IPT的最佳实践运行。一个运行良好的项目很快就会找到自己的位置，并汇集不同的专家团队来完成项目。它很早就经常与客户沟通，一心一意地专注于创造最好的产品。

然而，许多高级设计项目很难拥有一个共同的团队，因为不同学科的负责人更喜欢让他们的人在一起。此外，获得足够大的预算来包括生产和运营专家总是一件困难的事情(管理层会说“我们以后需要他们的时候再把他们带来!”)。此外，由不参与或不了解所有权衡和约束的人进行的设计微观管理通常会使团队士气低落，并使设计不优化。IPT和IPD环境非常清楚地表明，这些问题必须得到解决，IPT的方式在当今的工业中几乎是普遍接受的。

洛克希德“臭鼬工厂”的传奇领导人凯利·约翰逊(Kelly Johnson)开发了F-104和SR-71等革命性的飞机，他坚定地倡导“强而小”的项目办公室，强调项目经理和团队的权威，以完成工作，而不是自上而下的微观管理。然而，Johnson警告说:“今天有一种我不喜欢看到的趋势，那就是由那些不直接从事工作的人来进行委员会审查和建议、会议和咨询。这不会有非常愚蠢的结果，但也不会有辉煌的结果。正是在绝妙的概念设计中，取得了重大进展。”

必须注意的是，IPT不能取代或束缚有经验的飞机设计师在概念设计过程中的布局设计工作。我们没有团队投票决定机翼是否会脱落，最好的技术专家会做出判断。同样，经验丰富的飞机布局设计师应该对布局设计有最终决定权(在客户、管理层和IPT本身设定的目标和约束范围内)。但是，在IPT环境中，飞机设计师可以从团队其他成员收集的知识中学习，并相应地创造出最好的设计。而且，随着团队朝着一个共同和理解的目标工作，所有重要的设计迭代和权衡研究可以更快地完成，并具有更大的创造力。

并发工程是IPT环境的重要组成部分。从历史上看，产品开发是连续完成的。首先，高级设计创造概念，并通过概念设计和初步设计。然后他们把它“扔过一堵墙”给一个大型的细节设计功能组织，这个组织完成了他们的任务，然后把它扔过另一堵墙给制造人员，他们通常会说:“我怎么能造出这个愚蠢的东西?!”

这是一种夸张的说法。在过去，制造总是从最初的初始布局开始考虑，优秀的概念设计师对细节设计和制造有足够的了解，以避免做任何愚蠢的事情。此外，在整个高级设计过程中，制造专家都被请来进行审查。但今天，我们做得更好。

通过并行工程，在IPT环境中，在设计的早期阶段就引入了详细设计和生产人员。好处包括降低制造成本和提高产品质量，减少生产过程中所需的工程变更。前期成本会增加，但从长远来看，与收益相比，这些成本微不足道。

在并行工程的一种极端形式中，试图开发新飞机概念的设计师会在下一个CAD范围内看到生产设计师试图为尚未设计好的飞机开发工具!这实际上是在汽车工业中完成的，从一辆车到另一辆车的零件和整体几何形状变化不大。他们可以设计和订购，比如说，冲压挡泥板的模具，并知道实际的挡泥板形状将足够像最后一个，模具可以在最后一刻修改到所需的轮廓。飞机不是汽车，机翼也不是挡泥板，但从设计的最初阶段就有详细设计和生产人员的存在只会是有益的。

设计分为三个阶段:概念、初步和细节。它从需求开始，但随着您了解的更多，需求也会随之发展。记住，你永远也不会直接制造 dash - 1。.

2-5 补充

2-5-1 布局设计（Configuration Design）

定义：
Configuration Design 是飞机设计过程中用于确定和安排飞机主要结构和系统布局的阶段。这个阶段的目标是创建一个符合设计需求和性能目标的整体布局。

关键任务：

1. 总体布局（Overall Layout）：

   • 确定机翼、尾翼和机身的相对位置和尺寸。
   • 确定主要系统和子系统（如动力系统、起落架、燃油系统等）的布局。

2. 几何形状（Geometric Shape）：

   • 定义机翼、尾翼和机身的几何形状。
   • 确保气动效率和结构完整性。

3. 内部布置（Internal Arrangement）：

   • 确定乘员舱、货舱、设备舱的位置。
   • 优化内部空间利用和重心分布。

4. 系统集成（System Integration）：

   • 布置和集成各主要系统和子系统。
   • 确保各系统之间的兼容性和协同工作。

5. 重量与平衡（Weight and Balance）：

   • 估算各部件的重量。
   • 确保飞机的重心位置和重量分布符合设计要求。

作用和重要性：

• 初步设计阶段：Configuration Design 是在概念设计和详细设计之间的一个关键阶段，奠定了飞机详细设计的基础。
• 优化性能：通过合理的布局和结构安排，优化飞机的气动性能、重量分布和结构强度。
• 满足需求：确保设计方案能够满足所有的设计要求和性能指标。
• 制造和维护便捷性：考虑制造工艺和维护便捷性，提高设计的可实现性和后期操作性。

使用领域：

Configuration Design 这一术语广泛应用于航空航天工程、汽车工程、船舶设计和其他复杂系统设计领域。在这些领域中，配置设计阶段都是确保最终产品满足设计目标和性能要求的关键步骤。

综上所述，布局设计指在飞机设计过程中用于确定整体布局和结构安排的阶段。它是概念设计和详细设计之间的重要环节，对确保设计的成功至关重要。