基于ICAO起降模型的中国机场飞机排污计算研究

结合ICAO机场排放计算方法，在考虑3种主要气体污染物HC、CO和NOx的情况下，提出了适合中国机场飞机排放污染物的计算方法。该方法基于国际民航组织（ICAO）规定的标准起飞着陆（LTO）循环的模型，采用ICAO发动机排放数据库（ICAO aircraft engine emissions databank），通过搜集中国民航机队的飞机／发动机配置信息及所列机场航班计划表，计算出机场污染物年排放量。     

民航机场飞机排放浓度分布模型

按照国际民航组织规定的起飞着陆循环过程,简化飞机在机场起飞降落的活动路线,在原有飞机排放污染物排放指数(EI)计算的基础上,再结合飞机起飞降落过程的燃油流量(F),计算出进近、滑行、起飞、爬升四段路线的排放污染强度.基于高斯点源扩散公式,对其进行积分得线源扩散模型,再对线源扩散模型中的参数进行修正,建立了民航机场飞机排放浓度模型.     

基于分段FOX方法的民航LTO黑碳质量排放清单计算分析

根据民用航空发动机压比提出分段FOX(formation and oxidation)方法,估算民用航空发动机LTO(landing and takeoff)循环黑碳(BC)颗粒质量排放指数,结合航空发动机机场实际运行时间和燃油流量修正,编制了2018年国内某国际机场某周国内民航航班黑碳颗粒质量排放清单。结果表明:考虑燃油流量修正的分段FOX方法对民用航空发动机慢车、进近等低工况的黑碳颗粒质量估算精度较FOX方法提高1~2倍,爬升、起飞等高工况估算值更接近实验值。考虑民航实际运行时间和燃油流量后,2018年此国际机场国内民航进出港LTO循环黑碳颗粒质量周排放量约300 kg,其中B737、A320等中型机离港(起飞和爬升阶段为主)阶段排放贡献超70%。      

主燃级基于旋流直射式喷嘴的超低排放燃烧室实验研究

为了实现航空发动机超低NO_x超低排放的目标，本文提出贫油预混预蒸发低排放燃烧室主燃级采用旋流直射式喷嘴技术，达到主燃级燃油和空气强化混合的效果，获得良好均匀性的油气混合物进行燃烧。在单头部燃烧室试验件上实验研究了LTO循环4个工况(慢车、进场、爬升和起飞)的燃烧性能和污染排放性能。研究结果表明：除慢车工况的燃烧效率接近0.99外，其余工况的燃烧效率均大于0.995；在LTO循环内，CO,UHC和NO_x排放均比CAEP/6排放标准降低50%以上，且NO_x比CAEP/6低72.5%，达到了超低排放的目标；同时与其他各型低排放燃烧室相比，起飞工况、爬升工况的NO_x排放在LTO循环中的占比均有较大幅度的降低。     

IAE公司世界屋脊兑现承诺

7月24、25日,一架配备IAE公司V2500发动机的A319飞机先后成功完成了在西藏两个世界最高机场——邦达机场(海拔4330米)和拉萨贡嘎机场(海拔3570米)的验证飞行,向业内、外人士展示了在最大允许起飞重量时,当V2500发动机处于正常运行和单发运行两种情况下飞机的卓越性能和灵活性。高原地区由于地理和气候条件复杂,历来被航空制造商们用来作为验证其产品性能的试验场。以飞机发动机为例,西藏的机场都坐落在山谷中,并且海拔很高。飞机在相等全商载的情况下从机场起飞后,如果一个发动机发生空中停车,必须具备足够的推力才可以在喜玛拉雅山脉地…     

基于飞行性能分析的民用发动机选型研究

随着大飞机事业的发展,采用主制造商-供应商模式进行全球设备采购,已成为国产民用飞机发展的必由之路。发动机和动力系统作为飞机的关键设备,制造商除了从可靠性、经济性、维修性等宏观方面进行发动机选型的定性评估外,还应从发动机的可用推力及其在各种运行环境下的飞行性能进行科学的定量分析。本文首先研究建立了民用涡扇发动机的性能模型。在此基础上,结合飞行仿真模型,进行飞机起飞和爬升下降性能分析。进一步开展最大顺风(即27.87 km/h)条件下起飞、污染跑道起飞、高原机场起飞的性能分析。通过研究,为飞机主制造商开展发动机选型工作提供一种定量化的科学分析手段。     

飞机/发动机一体化评估系统研究

本课题研究了一种快速的飞机/发动机一体化评估方法和软件,其主要特点是根据飞机飞行任务要求,同时对飞机/发动机系统的主要设计变量(如飞机起飞推重比、翼载、机翼几何参数和发动机循环参数等)进行有约束多目标优选,求得最佳方案。优选的目标函数和约束条件由飞机战术技术要求和飞行任务确定。 应用此评估系统,曾对某型歼击机进行改型方案论证。计算结果表明:优选后的飞机性能有明显改善;飞行任务要求不同,最佳方案飞机的推重比、翼载、机翼外形和发动机循环参数也不同。使用本系统方便和快速,每计算一个方案在IBM4341计算机上,所需CPU时间在1min以内。本评估系统适用于战斗飞机/发动机的设计和改型,经扩充后也可推广到民用飞机/发动机的方案论证工作。     

起飞-着陆循环中富油-淬熄-贫油驻涡燃烧室排放性能数值模拟研究

为了掌握采用富油-淬熄-贫油低排放燃烧技术的驻涡燃烧室（RQL-TVC）在起飞-着陆（LTO）循环各状态中的排放特性,采用数值模拟的方法开展了研究。数值模拟结果表明：在LTO循环中,RQL驻涡燃烧室的氮氧化物（NOX）与未燃碳氢化合物（UHC）的排放指数EI均低于传统燃烧室的;但一氧化碳（CO）的排放指数(Emission Indext, EI)偏大。RQL驻涡燃烧室NOX的LTO排放数少,是国际民航组织颁布的航空发动机排放标准CAEP6的29.1%;UHC的LTO排放数接近于0;CO的LTO排放数在慢车状态下的数值明显高于其它状态下的。RQL-TVC具有良好的低排放潜力。     

民用飞机全航线排放预测

针对民用飞机全航线的排放预测问题,运用飞机升阻特性模型、发动机性能模型和飞机航线性能模型计算了民用飞机在全航线上的飞机升阻特性与发动机性能,并将以上模型与基于T₃-p₃法与波音流量法所建立的排放计算模型相耦合,详细计算了飞机在实际飞行过程中未燃碳氢化合物(UHC)、一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NOx)的排放指数,并得到了全航线的各种污染排放物排放总量,完善了民用航空发动机排放预测分析体系,为低污染民用航空发动机的设计与评估提供理论依据.计算结果表明,飞机处在起飞以及爬升阶段时,NOx的排放指数较高,而UHC与CO的排放指数较低;当飞机处在下降以及进场时,NOx的排放指数较低,而UHC与CO的排放指数较高.NOx的总排放量在3种污染排放产物中最高.      

变循环发动机对飞机飞行性能影响研究

将飞机气动特性、发动机性能以及进/排气系统安装损失等模块集成为飞机/发动机一体化计算模型。对比分析了带CDFS的双外涵变循环发动机(CDFS VCE)、带FLADE的双外涵变循环发动机(FLADE VCE),以及同时带FLADE和CDFS的三外涵变循环发动机(ACE)和混排涡扇发动机(MFTF)装于不加力超声速巡航战斗机的飞行性能。结果表明,相比于MFTF,安装VCE后,飞机的起飞重量减少3%～4%,且FLADE VCE的性能最佳,ACE次之,CDFS VCE再次之。在亚声速巡航状态,VCE进/排气系统的安装阻力较MFTF显著降低,安装耗油率降低2%～3%;在超声速巡航或超声速盘旋阶段,VCE的性能优势不甚明显。     

航空发动机排气污染物控制与适航符合性研究

基于民用航空活动对环境排放污染占比快速增长的现状,结合民用航空领域排放物相关政策的历史沿革和背景,展望了发动机排放物政策的发展趋势,研究表明由于NOx危害较大且很难控制,国际民航组织（简称ICAO）和美国联邦航空局（简称FAA）对NOx的要求日趋严格,而对HC、CO和烟的排放要求基本没有变化。同时介绍了低污染燃烧技术发展概况,分析了排气污染物的生成机理和主要影响因素以及改善措施,基于污染物生成机理及控制原理阐述了富油和贫油燃烧的污染排放控制方法。最后对飞机排放适航符合性验证方法进行了介绍,提出了基于发动机台架试验的LTO循环中气态排放污染物和烟尘的测量程序和计算分析方法,该测量程序和计算分析方法能较准确地评估航空发动机运行过程中的排气污染物水平,可以推广应用到航空发动机和大型燃气轮机的排放评估和预测。     

做好着陆决断

HowtoMakeLandingDecision在飞行中有80％的事故发生于飞机的起飞和着陆阶段，而发生在着陆阶段的事故数量又远远大于发生在起飞阶段的事故数量。为了防范飞机在着陆阶段发生事故，特别是减少人为因素造成的着陆事故，提高飞机着陆质量和运行的安全，民航有关当局、航空公司根据国际民航组织公约附件和本国的民用航空规章及飞机运行区域、飞行运行特点都制定了各机型、各机场、各类进近的着陆标准，并且提出了稳定进近的要求，以帮助飞行机组做出正确的着陆决断。一、着陆决断的分类依据做出着陆决断的时机，着陆决断可以分为三类：第一类…     

涡轮冲压组合发动机在超声速客机上的应用方案研究

为研究涡轮冲压组合发动机(Turbine Based Combined Cycle,TBCC)在超声速客机上的配装可行性,以Ma4超声速客机典型飞行任务需求为牵引,采用飞/发一体化约束分析与任务分析方法,建立了Ma4客机/TBCC发动机的一体化设计模型,确定了满足宽范围机动性需求的起飞推重比和满足航程需求的飞机起飞重量,对比分析了起飞推重比、模态转换马赫数、爬升轨迹等因素对飞机任务特性的影响。研究结果表明,TBCC发动机可满足Ma4客机配装需求,满足Ma4客机典型任务剖面机动性需求的起飞推重比应在0.6以上,满足60人商载与4000km航程任务需求的飞机起飞总重在50t～60t量级。     

RBCC-RKT两级入轨飞行器起飞质量估算方法

针对液体火箭发动机真空比冲基本不变,火箭基循环组合发动机(RBCC)比冲随着飞行条件不断变化的特点,提出了将增广拉格朗日遗传算法优化第一级飞行弹道与传统液体火箭质量估算方法估算第二级起飞质量相结合,获得水平起飞两级入轨RBCC-RKT飞行器第一级起飞质量的估算方法,为总体方案初步设计论证提供参考.通过算例,分析了一级RBCC飞行器惰性质量比、最高动压,气动特性与起飞质量之间的关系.计算表明,降低RBCC飞行器惰性质量比、提高一级飞行器最大飞行动压、提高飞行器升阻比,都能有效地降低一级起飞质量.     

基于典型飞行任务的CCA技术优势分析

基于典型飞行任务,在F-119发动机方案的循环参数基础上,对采用冷却冷却空气（CCA）技术的航空发动机性能开展研究,分析CCA技术对发动机总体性能及涡轮叶片温度的影响规律,评估采用CCA技术的涡扇发动机对其所装配飞机的飞行性能的影响。结果表明：针对仅预冷高压涡轮动叶冷却气方案,当保持冷却空气流量不变时,采用CCA技术可将涡轮冷气温度降低16.98%~41.21%,使得高压涡轮动叶表面最高温度降低8.89%~16.80%;当保持叶片表面最高温度不变时,采用CCA技术可减少高压涡轮动叶48.61%的冷却用气,且发动机的推力和耗油率等总体性能基本不变;针对同时预冷高压涡轮导叶和动叶冷却气方案,通过调整循环参数,在保持冷却空气流量和叶片温度不变的前提下,可使涡轮前最高温度提高6.91%,从而提高典型飞行状态下的航发推进性能,进而有效提升所配装飞机的起飞载质量、最大爬升率、最大马赫数、使用升限及航程等飞行性能。     

考虑污染物排放的开式转子发动机总体性能建模及分析研究

开式转子发动机兼具涡桨发动机高推进效率和涡扇发动机高飞行速度的特点,是未来民用单通道客机理想动力装置之一。为了掌握开式转子发动机的性能变化规律,明确开式转子发动机相比于常规大涵道比涡扇发动机节油和降低污染物排放的优势,本文基于螺旋桨相似理论和动量理论,建立了考虑前后排桨扇相互影响的对转桨扇模型;与双轴燃气发生器进行匹配,建立了三轴齿轮传动开式转子发动机模型;同时建立了发动机污染物排放计算模型;对同技术水平的开式转子发动机和大涵道比涡扇发动机进行了性能对比。结果表明：所建立的对转桨扇模型与实验结果误差较小,最大误差不超过3%。飞行马赫数增大,桨扇功率系数增大,推力系数减小,耗油率增大;飞行高度增加,桨扇功率系数和推力系数均增大,耗油率呈减小的趋势。相比于同技术水平的大涵道比涡扇发动机,开式转子发动机在典型工况下的耗油率降低9%以上。在飞机起飞着陆循环内,开式转子发动机的UHC,CO和NO_x三种污染物排放指数相比于大涵道比涡扇发动机降低10%以上,表明开式转子发动机可有效降低航空污染物的排放。     

串联混电飞机方案设计方法及能源管理策略

针对串联混电飞机，首先在给定任务需求的飞行剖面内，结合动力学特性对整机的飞行性能进行分析，将总体设计参数与各飞行段的功率能耗需求相关联，进而开展各部分组件和全机的设计选型；然后对串联混电系统中的计算逻辑和各条工作路径进行梳理和总结，讨论分析能源管理策略对方案设计的潜在影响。基于搭建的设计系统，首先针对Dornier Do 228NG飞机构型，从3个设计方面，将该方法与国外两个团队各自开发的设计方法进行对比分析，结果表明，对设计点评估的相对误差均在1.5%以内，对传统动力方案设计的各项相对误差在6%以内，而串联混电方案设计中最大起飞质量的相对误差在4%以内，验证了本文方法的可行性和有效性。其次，分析讨论了4种能源管理策略的特点和优劣势，并基于一款国外现有的串联混电飞机Panthera Hybrid，研究了不同策略下的动力系统工作特征和各项设计参数差异。其中，Light策略下的飞机起飞总质量最小，收益来源主要是起飞阶段的最大需求功率由燃油和电池动力系统同时承担，直接优化了动力系统的总质量。     

民用飞机运行环境适应性影响因素研究

民用飞机运行环境是指民机运行所处的外部条件,不同机型的运行环境适应能力有所差别。根据飞行的不同阶段,将民机运行环境划分为起降运行环境(或机场运行环境)和航线运行环境。通过对飞机起降运行环境和航线运行环境的分析,分别研究了能见度、云高、风、跑道长度、温度、机场标高、航程、飘降限制、供氧限制、燃油经济性限制等因素,对飞机放行和最大起飞质量造成的影响,并结合飞机的飞行手册等数据,分析比较了波音737-800、767-200、787-8的运行环境适应性。     

涵道比对大型客机经济性和环保性的影响

为了综合评估配装发动机的涵道比对客机的经济性和环保性的影响，建立了一套包括动力、几何、气动、质量、性能、经济性、噪声、排放分析模型的多学科分析流程.以典型宽体客机为应用算例，分析了不同涵道比（8~14）发动机对宽体客机经济性和环保指标的影响.综合分析结果表明:增大发动机涵道比有利于降低客机噪声和起降循环氮氧化合物污染物的排放；而发动机涵道比为11左右时，客机的现金使用成本最低，航线氮氧化合物污染物排放量最少.      

基于改进温度评估模型的叶片冷却性能分析

为适应航空发动机涡轮冷却技术的发展趋势，在传统叶片温度评估模型的基础上加以改进，提出了适用于内外耦合涡轮叶片的温度评估模型。将改进后的温度评估模型嵌入到发动机整机热力性能计算模型中，对飞机/发动机系统耦合分析，研究了F-16战机在典型飞行任务和飞行包线内高压涡轮导叶的冷却性能。结果表明：在全飞行任务下进行分析时，叶片在实用升限、起飞及大爬升率工况下叶片工作热环境恶劣，叶片易超温；叶片表面温度沿径向为增长趋势，在叶顶处达到最大值。在全飞行包线内进行分析时，叶片表面温度随高度变化明显；包线内高空低马赫数区域叶片的最高温度和承受的热应力最大，叶片最高温度可达1 342 K；高空低马赫数区域的综合冷却效率与包线内的最高冷却效率相比，降低了34.2%，叶片冷却性能下降明显。在进行模型参数敏感性分析时，与基准方案相比，当输入参数改变相同比例，改变冷气进口温度对叶片温度的影响最为显著。