飞机概念设计的多向思维概述
论文摘要：飞机设计是专业性较强的设计门类，传统上一向以技术指标为导向进行设计。然而从工业设计的视角而言，设计概念发展是多向的，是从多种可能中抉择出的最佳结果。这有赖于开阔的设计思维，全面的认识和思考设计对象。从设计实践出发，飞机概念设计可以以基于原型的变型化设计、基于飞行技术发展趋势的概念化设计及基于环保的绿色化设计等几个方向，多向探讨其设计理念与方法。
论文关键词：飞机,概念设计,多向思维,变型设计
随着技术的进步和时代的发展，飞机等飞行器越来越多的影响着人们的生活。虽然已有100多年的研究历史，但现代人们对飞行技术的研究兴趣仍在迅速扩大着。在世界范围内，飞行器概念设计类的竞赛如火如荼，如美国直升机协会（AHS）主办的年度设计比赛；在国内，以中国航空学会“创新杯”未来飞行器设计大赛为代表的设计竞赛，也正迅速的扩大着影响。
虽然飞机设计是技术应用性非常强的领域，但概念的创意与生成仍是飞机设计重要的初步程序，决定着其创新性、基本特征和主要框架。重要性越来越引起人们的重视。而概念创意是一个非良构问题，没有单一的线性解答方式，从多角度思考设计问题，灵活地进行多向思维，成为概念设计的必要条件。
1、多向的设计制图
设计师思维从来就不应该是单一和线性的，多角度思考成为专业能力中最重要的方面。其思维的结果总是以一定的绘图表达出来，再进行反复推敲。
与静止状态的物体不同，飞机一般指有动力飞行的航空器，机动动作包括盘旋、滚转、俯冲、筋斗、转弯、跃升等，姿态更为复杂，并非是单一或零碎的图形所能表达。
多向灵活的设计思维首先要基于多向的设计制图。由于飞机的动平衡飞行特点，设计制图需要以动态处理为出发点，利用多角度制图的方式，进行多向分析和思考，如图1。而且，不仅要有飞机外形整体图，也要有多达十几个控制切面等辅助性图形，多画面的草图本身就构成了复杂的体系，其中蕴含丰富的信息内容。如图2。
多向的绘制设计图，重点在于：1、绘图的目的是辅助思考，不过早地为前期的设计思想所限制，需要始终保持多方面的灵活思考；2、审视设计图时，要综合判断不同部位多种解决方案的相互影响性，发现设计参数变化对设计意图实现的影响。如重心改变所带来的不平衡性等。
图1：飞机的多视角复合的整体图
来源：作者
图2：飞机设计的三视图
来源：JanRoskam[美],《AirplaneDesign,Part1：PreliminarySizingofAirplanes》,DARCorporation(Design,AnalysisandResearch),Lawrence,Kansas,2003:Ⅹ
2、多向的认知思维
多向思维的作用机制体现于两个方面：多向的认知与多向的创造。其中，认知是设计的先行条件，包含对飞机的技术条件认知和文化等其他的多元认知。
谢友柏院士提出现代设计是以知识为基础，以知识获取为中心，设计活动可以看成是知识流动的过程。认知就是对产品知识的认识和理解，是有限制条件下的感性观察到理性接受相应知识，并同设计者心理、状态、经验等相联系，产生一定的联想的过程。针对飞机概念设计，限制条件主要在于飞机的飞行原理与一般功能结构，及飞行技术的一些发展趋向。
如飞机最重要部件是机翼，以机翼产生分层气流，机翼形状是有一定标准的，以符合升力原理；翼尖形状要考虑涡流阻力的减小作用；机翼上还有副翼、襟翼等控制部件。以及一些设计参数，如:机翼面积、展弦比、根梢比、后掠角、翼型相对厚度、安装角、上反角、扭转角等。
飞机的技术条件认知是开展设计的基础，概念创意不能回避基本的飞行原理。综合而言，组成飞机的五大部分是：机翼，机身，发动机，起落架和尾翼，针对每一个部分需要掌握基本原理，在相应的规则下进行设计创新。
以直升机为例，技术认知应包含发动机与传动系统、主旋翼、尾桨、机身结构和起落架、航空电子设备等技术性要素，还要分析噪声、稳定性和相关控制系统、安全与舒适性、重心分布、任务能力等。如图3。
图3：直升机主要结构部件图
来源：25thAnnualStudentDesignCompetitionGraduateCategory，Athena，DanielGuggenheimSchoolofAerospaceEngineeringGeorgiaInstituteofTechnology,http://www.vtol.org/pdf/studentDesign2008/grad_gaTech2008.pdf
认知是创造的基础，没有相关的专业知识，就不能运用专业技术进行创造。然而，知识与创造性往往成反比，知识越多，思维的定势越多，对创造性的限制越多。
所以，设计需要有多向的认知，以保持较宽的知识面，和丰富的想象力，能举一反三。如研究鸟类翅膀，一般都是内凹形，升力系数大，可应用于一些特殊的设计目的通过仿生的认知可以有效开拓设计思路。
3、多向的概念发展
概念设计也可称为产品创新或创新构想，就是对即将开发的新产品基本功能和效用、造型、结构、功能使用的对象等所做的设想。其核心要素是创新性。
概念设计是符合逻辑的创新过程，是在扫描技术可能时产生的创新联想。在飞机设计中，这种有依据性的创新思路也是多向发展的：
（1）基于原型的变型化设计
由技术性能决定的第一代产品一般称为原型产品，着重于技术参数的实现。 而变型设计是一种设计方法和设计过程，它的基本思想是通过改进已有的系列产品或设计实例来适应新的设计需求。
图4为根据FURIA轻型直升机进行的变型设计，着重于机身外形的设计。设计基于已有的工作原理,采用了基本不变的结构方案,以文化、审美、情感需求等要素，对外形和结构进行局部调整,产生适应性的变型产品。
变型化设计难度小，适应性强，更有利于着重从产品使用性上进行思考，而不过多被技术可行性所束缚，也利于探讨文化等设计深层次问题。
图4：轻型直升机变型设计
来源：作者
（2）基于飞行技术发展趋势的概念化设计
现代条件下，飞机的技术发展非常迅速。如，由于飞行控制技术能力的提高，固定翼飞机出现无尾翼的设计，省略掉原来用于飞行稳定与姿态控制的水平尾翼和垂直尾翼，机体结构简化，减小了飞机的结构重量。相似的，直升机也出现无尾桨设计，而原尾桨作用主要在于平衡主旋翼对机身的反向旋转作用，典型的成功案例是麦道直升机公司为代表的无尾桨直升机(NOTAR)技术的应用，其优势在于直升机事故中有75%与尾桨有关，无尾桨飞机零件较少，故障可能和维护费用也就相应减少，大致比有桨机可靠50%，见图3NOTAR原理图。
这样的技术进步极大的影响着飞机的概念设计思路。有代表性的几种发展趋势如：翼身融合技术（BlendedWingBody）、联合翼或斜拉翼（JoinedWing/Strut-BracedWing）、空天飞机（AccesstoSpace）、太阳能飞机（solar）等。
除了以上一些飞行技术发展态势以外，直接对生物体机能进行研究，也对概念设计产生重要影响。如美国宇航局（NASA）就开展了一系列从生物系统中获取飞行技术开发灵感的研究计划，认为：自然界中的飞行动物，如鸟类、昆虫等，表现出了多样的飞行能力与技巧，其中许多都还不为人类所掌握，而这存在着巨大的潜在应用价值。
概念设计创新正是基于对新的可能性的探讨。开拓的视界，才能为探讨新的可能性提供更广阔的方向。如图5。
图5：斜拉翼飞机概念设计
来源：作者
（3）基于环保的绿色化设计
绿色设计又称面向环境的设计DFE（DesignforEnvironment）或全生命周期设计LCD（LifeCycleDesign），是对产品从需求开发到回收利用，全过程做节约能源、材料，减少环境危害，降低使用成本的设计观念和设计方法。
如图6是美国马里兰大学学生在25届AHS年度设计竞赛中的获奖作品“Volterra:theEraofGreen”，从全生命周期减低使用耗费的角度进行的概念化绿色设计。图7为全电动滑翔机概念设计，不使用化石燃料，而且可以减少飞行噪声，以实现环境保护的目的。
从需求到产品制造，绿色设计已成为设计的核心要求。在多向的设计思维中，更是不可忽视的创新方向。
图6：直升机结构部件图
来源：25thAnnualStudentDesignCompetitionGraduateCategory，Volterra:theEraofGreen，AlfredGessowRotorcraftCenter，DepartmentofAerospaceEngineeringUniversityofMaryland,http://www.vtol.org/pdf/studentDesign2008/grad_umdKonkuk2008.pdf
图7：全电滑翔机设计
来源：作者
4、总结
产品概念设计阶段的工作，高度地体现了设计的艺术性、创造性、综合性以及设计师的经验。成功的概念设计，所蕴含的丰富信息应该远超过图纸上直接表达的内容。设计师多向的、深思熟虑的问题思考，是达成其实现的必要条件。
飞机作为高科技产品，除了技术创新外，在人文价值、环境价值上还需要进行更多、更宽泛的多向思考。对包括工程、市场等方面的各种设计人员而言，飞机概念设计都是思维能力的重要挑战。
（江苏省教育科学十一五规划2009年度课题项目编号D/2009/01/062>）
参考文献
1 Jan Roskam,Airplane Design, Part 1:Preliminary Sizing of Airplanes[M].LawrenceKansas:DAR Corporation, 2003:Ⅹ
2 谢友柏.现代设计理论和方法的研究[J].机械工程学报,2004,4(4):3,7-8
3 徐曙斌等.支持变型设计的产品结构模型研究[J].航空制造技术,2009,7:76
4 Ilan Kroo .Aircraft Design: Synthesis and Analysis[EB/OL]. Version 0.99, January 2001.Desktop Aeronautics, Inc. U.S.http://www.desktopaero.com:45-55
5 David L. Raney and Martin R. Waszak.Biologically Inspired Micro-Flight Research[EB/OL]..NASALangley Research Center.Hampton, VA 23681.2003,01
6 吴斌,沈精虎.概念产品设计模型的研究与实现[J].机械工程学报.2002,3(3):50
论文关键词：飞机,概念设计,多向思维,变型设计
随着技术的进步和时代的发展，飞机等飞行器越来越多的影响着人们的生活。虽然已有100多年的研究历史，但现代人们对飞行技术的研究兴趣仍在迅速扩大着。在世界范围内，飞行器概念设计类的竞赛如火如荼，如美国直升机协会（AHS）主办的年度设计比赛；在国内，以中国航空学会“创新杯”未来飞行器设计大赛为代表的设计竞赛，也正迅速的扩大着影响。
虽然飞机设计是技术应用性非常强的领域，但概念的创意与生成仍是飞机设计重要的初步程序，决定着其创新性、基本特征和主要框架。重要性越来越引起人们的重视。而概念创意是一个非良构问题，没有单一的线性解答方式，从多角度思考设计问题，灵活地进行多向思维，成为概念设计的必要条件。
1、多向的设计制图
设计师思维从来就不应该是单一和线性的，多角度思考成为专业能力中最重要的方面。其思维的结果总是以一定的绘图表达出来，再进行反复推敲。
与静止状态的物体不同，飞机一般指有动力飞行的航空器，机动动作包括盘旋、滚转、俯冲、筋斗、转弯、跃升等，姿态更为复杂，并非是单一或零碎的图形所能表达。
多向灵活的设计思维首先要基于多向的设计制图。由于飞机的动平衡飞行特点，设计制图需要以动态处理为出发点，利用多角度制图的方式，进行多向分析和思考，如图1。而且，不仅要有飞机外形整体图，也要有多达十几个控制切面等辅助性图形，多画面的草图本身就构成了复杂的体系，其中蕴含丰富的信息内容。如图2。
多向的绘制设计图，重点在于：1、绘图的目的是辅助思考，不过早地为前期的设计思想所限制，需要始终保持多方面的灵活思考；2、审视设计图时，要综合判断不同部位多种解决方案的相互影响性，发现设计参数变化对设计意图实现的影响。如重心改变所带来的不平衡性等。
图1：飞机的多视角复合的整体图
来源：作者
图2：飞机设计的三视图
来源：JanRoskam[美],《AirplaneDesign,Part1：PreliminarySizingofAirplanes》,DARCorporation(Design,AnalysisandResearch),Lawrence,Kansas,2003:Ⅹ
2、多向的认知思维
多向思维的作用机制体现于两个方面：多向的认知与多向的创造。其中，认知是设计的先行条件，包含对飞机的技术条件认知和文化等其他的多元认知。
谢友柏院士提出现代设计是以知识为基础，以知识获取为中心，设计活动可以看成是知识流动的过程。认知就是对产品知识的认识和理解，是有限制条件下的感性观察到理性接受相应知识，并同设计者心理、状态、经验等相联系，产生一定的联想的过程。针对飞机概念设计，限制条件主要在于飞机的飞行原理与一般功能结构，及飞行技术的一些发展趋向。
如飞机最重要部件是机翼，以机翼产生分层气流，机翼形状是有一定标准的，以符合升力原理；翼尖形状要考虑涡流阻力的减小作用；机翼上还有副翼、襟翼等控制部件。以及一些设计参数，如:机翼面积、展弦比、根梢比、后掠角、翼型相对厚度、安装角、上反角、扭转角等。
飞机的技术条件认知是开展设计的基础，概念创意不能回避基本的飞行原理。综合而言，组成飞机的五大部分是：机翼，机身，发动机，起落架和尾翼，针对每一个部分需要掌握基本原理，在相应的规则下进行设计创新。
以直升机为例，技术认知应包含发动机与传动系统、主旋翼、尾桨、机身结构和起落架、航空电子设备等技术性要素，还要分析噪声、稳定性和相关控制系统、安全与舒适性、重心分布、任务能力等。如图3。
图3：直升机主要结构部件图
来源：25thAnnualStudentDesignCompetitionGraduateCategory，Athena，DanielGuggenheimSchoolofAerospaceEngineeringGeorgiaInstituteofTechnology,http://www.vtol.org/pdf/studentDesign2008/grad_gaTech2008.pdf
认知是创造的基础，没有相关的专业知识，就不能运用专业技术进行创造。然而，知识与创造性往往成反比，知识越多，思维的定势越多，对创造性的限制越多。
所以，设计需要有多向的认知，以保持较宽的知识面，和丰富的想象力，能举一反三。如研究鸟类翅膀，一般都是内凹形，升力系数大，可应用于一些特殊的设计目的通过仿生的认知可以有效开拓设计思路。
3、多向的概念发展
概念设计也可称为产品创新或创新构想，就是对即将开发的新产品基本功能和效用、造型、结构、功能使用的对象等所做的设想。其核心要素是创新性。
概念设计是符合逻辑的创新过程，是在扫描技术可能时产生的创新联想。在飞机设计中，这种有依据性的创新思路也是多向发展的：
（1）基于原型的变型化设计
由技术性能决定的第一代产品一般称为原型产品，着重于技术参数的实现。 而变型设计是一种设计方法和设计过程，它的基本思想是通过改进已有的系列产品或设计实例来适应新的设计需求。
图4为根据FURIA轻型直升机进行的变型设计，着重于机身外形的设计。设计基于已有的工作原理,采用了基本不变的结构方案,以文化、审美、情感需求等要素，对外形和结构进行局部调整,产生适应性的变型产品。
变型化设计难度小，适应性强，更有利于着重从产品使用性上进行思考，而不过多被技术可行性所束缚，也利于探讨文化等设计深层次问题。
图4：轻型直升机变型设计
来源：作者
（2）基于飞行技术发展趋势的概念化设计
现代条件下，飞机的技术发展非常迅速。如，由于飞行控制技术能力的提高，固定翼飞机出现无尾翼的设计，省略掉原来用于飞行稳定与姿态控制的水平尾翼和垂直尾翼，机体结构简化，减小了飞机的结构重量。相似的，直升机也出现无尾桨设计，而原尾桨作用主要在于平衡主旋翼对机身的反向旋转作用，典型的成功案例是麦道直升机公司为代表的无尾桨直升机(NOTAR)技术的应用，其优势在于直升机事故中有75%与尾桨有关，无尾桨飞机零件较少，故障可能和维护费用也就相应减少，大致比有桨机可靠50%，见图3NOTAR原理图。
这样的技术进步极大的影响着飞机的概念设计思路。有代表性的几种发展趋势如：翼身融合技术（BlendedWingBody）、联合翼或斜拉翼（JoinedWing/Strut-BracedWing）、空天飞机（AccesstoSpace）、太阳能飞机（solar）等。
除了以上一些飞行技术发展态势以外，直接对生物体机能进行研究，也对概念设计产生重要影响。如美国宇航局（NASA）就开展了一系列从生物系统中获取飞行技术开发灵感的研究计划，认为：自然界中的飞行动物，如鸟类、昆虫等，表现出了多样的飞行能力与技巧，其中许多都还不为人类所掌握，而这存在着巨大的潜在应用价值。
概念设计创新正是基于对新的可能性的探讨。开拓的视界，才能为探讨新的可能性提供更广阔的方向。如图5。
图5：斜拉翼飞机概念设计
来源：作者
（3）基于环保的绿色化设计
绿色设计又称面向环境的设计DFE（DesignforEnvironment）或全生命周期设计LCD（LifeCycleDesign），是对产品从需求开发到回收利用，全过程做节约能源、材料，减少环境危害，降低使用成本的设计观念和设计方法。
如图6是美国马里兰大学学生在25届AHS年度设计竞赛中的获奖作品“Volterra:theEraofGreen”，从全生命周期减低使用耗费的角度进行的概念化绿色设计。图7为全电动滑翔机概念设计，不使用化石燃料，而且可以减少飞行噪声，以实现环境保护的目的。
从需求到产品制造，绿色设计已成为设计的核心要求。在多向的设计思维中，更是不可忽视的创新方向。
图6：直升机结构部件图
来源：25thAnnualStudentDesignCompetitionGraduateCategory，Volterra:theEraofGreen，AlfredGessowRotorcraftCenter，DepartmentofAerospaceEngineeringUniversityofMaryland,http://www.vtol.org/pdf/studentDesign2008/grad_umdKonkuk2008.pdf
图7：全电滑翔机设计
来源：作者
4、总结
产品概念设计阶段的工作，高度地体现了设计的艺术性、创造性、综合性以及设计师的经验。成功的概念设计，所蕴含的丰富信息应该远超过图纸上直接表达的内容。设计师多向的、深思熟虑的问题思考，是达成其实现的必要条件。
飞机作为高科技产品，除了技术创新外，在人文价值、环境价值上还需要进行更多、更宽泛的多向思考。对包括工程、市场等方面的各种设计人员而言，飞机概念设计都是思维能力的重要挑战。
（江苏省教育科学十一五规划2009年度课题项目编号D/2009/01/062>）
参考文献
1 Jan Roskam,Airplane Design, Part 1:Preliminary Sizing of Airplanes[M].LawrenceKansas:DAR Corporation, 2003:Ⅹ
2 谢友柏.现代设计理论和方法的研究[J].机械工程学报,2004,4(4):3,7-8
3 徐曙斌等.支持变型设计的产品结构模型研究[J].航空制造技术,2009,7:76
4 Ilan Kroo .Aircraft Design: Synthesis and Analysis[EB/OL]. Version 0.99, January 2001.Desktop Aeronautics, Inc. U.S.http://www.desktopaero.com:45-55
5 David L. Raney and Martin R. Waszak.Biologically Inspired Micro-Flight Research[EB/OL]..NASALangley Research Center.Hampton, VA 23681.2003,01
6 吴斌,沈精虎.概念产品设计模型的研究与实现[J].机械工程学报.2002,3(3):50
关键字：机械,江苏
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