大型运输机巡航航迹优化方案建模与分析

针对某大型运输机巡航段航迹优化问题,提出一种近似工程化的计算方法。分析了几种典型的巡航类型,并推导出精确的计算公式。对飞机气动参数和发动机特性进行了拟合建模,以燃油最省为性能指标,给出了在不同重量下的最佳巡航高度、最佳巡航速度、燃油消耗量、飞机需用推力等巡航表的主要参数,分析了巡航段的影响因素。研究结果表明,优化方案较好地降低了运输机燃油消耗和营运成本,增大了航程。     

大型客机后缘铰链襟翼巡航变弯度气动性能数值研究

更高、更快、减阻是飞机设计三大永恒的追求。传统的固定翼飞机在进行优化设计时需兼顾各种飞行条件,寻求一个折中的最优解,而变弯度机翼的概念能有效解决这个问题,符合上述飞机设计的三大追求。着重研究大型宽体客机后缘襟翼刚性变弯度对巡航气动效率及跨声速抖振边界的影响。首先基于下垂式铰链襟翼机构,编制了机构引导下带扰流板联合偏转的后缘襟翼运动仿真程序,以自动生成不同襟翼偏角的巡航构型。在此基础上对巡航构型进行非稳态气动计算,获得跨声速区机翼抖振边界。以该抖振边界作为约束条件,以襟翼偏角、迎角为双变量,获得Cl-K关系图,得到最优升阻比曲线。本文中襟翼偏角变化为0°~±3°,间隔1°;迎角范围为-2°~5°,间隔1°。计算结果表明,变弯度构型较不变弯度构型升阻比有所提高,抖振边界约提高10%;变弯度构型可提高不同设计点的气动效率,实现减阻省油;跨声速区机翼抖振边界的提高扩大了飞行包线,使得飞机能飞得更高、更快。     

基于Kriging代理模型的运输机机翼多学科优化设计

在传统的飞机设计中,并未在初步设计阶段充分考虑气动弹性问题,难以得到最优设计。在这样的背景下,本文以运输机机翼为研究目标,发展初步设计阶段的机翼气动/结构优化设计方法。采用基于Kriging代理模型的优化方法,在巡航状态下对运输机机翼进行了单点优化设计。气动学科采用全速势方程,结构学科采用Ansys有限元分析,以升阻比和结构重量为目标进行优化设计,初步验证了本文方法的有效性。     

盒式布局飞机的纵向气动参数优化研究

采用CFD方法探讨了纵向布局参数对飞机纵向气动特性的影响规律,可为盒式机翼气动布局设计提供参考。示例计算结果表明,盒式布局可减小飞机的巡航阻力,改善气动效率,但是其设计参数的选取需要进行多学科综合设计优化。     

飞机燃油热负荷计算

本文仅对飞机燃油系统燃油箱内的燃油温度计算,提出一套理论计算方法,利用该方法能够较准确计算飞机在超音速巡航时,燃油箱内燃油温度值。可节省更多的计算时间,提高燃油温度计算精确度。尤其是在燃油系统方案论证阶段,为燃油系统方案评审、决策提供理论依据。     

轻型战斗机的气动外形优化设计

建立了一种以实数编码技术为基础的遗传算法模型,并把它与工程估算的气动分析方法相结合,进行轻型战斗机的气动外形优化设计。优化设计变量取为机翼、机身的尾翼的外形及三者之间的相对位置,优化目标是使飞机在跨音速巡航阶段获得配平状态下最大的升阻比。设计结果表明该优化设计方法是十分有效的,可用来对具有正常布局形式的飞机进行气动外形的优化设计。     

大型民机翼型变弯度气动特性分析与优化设计

为了提高飞机巡航过程中升力系数、马赫数变化后的气动效率,大型民用运输机开始采用机翼变弯度技术。以典型远程宽体客机翼型为例,研究了翼型后缘变弯度对气动性能与压力分布的影响。利用代理模型建立了不同巡航设计工况下,翼型后缘弯度与气动性能的关系。以此为基础,提出了基于代理模型的大型民机翼型变弯度设计优化方法。算例研究表明,在给定巡航升力系数与马赫数下,该方法可以预测出翼型的最佳弯度,从而改善非设计点气动性能。该方法对大型民机机翼变弯度构型设计工作有一定的工程意义。     

飞机主动重心控制系统设计及应用

以我国先进飞机需求牵引为背景,研究了主动重心控制系统方案和设计方法.首先,构建了一种飞机主动重心控制系统结构方案,用于协调纵向重心与气动焦点之间的关系;其次,基于平衡输油系统建立了重心位移模型,提出了最佳重心位置设计准则,在此基础上设计了基于干扰观测器补偿的主动重心控制器,并将其应用到某型飞机超声速巡航中.仿真结果表明,该主动重心控制系统合理地协调了飞机的纵向稳定性和操纵性,并有效地减小了巡航阻力,提高了巡航的效率和航程.     

飞翼布局无人机变形机翼设计与模型验证研究

对飞翼布局无人机变形机翼和变形机翼传动机构进行了设计,根据设计结果制作验证模型进行风洞实验和外场飞行试验,以此研究伸缩段机翼对飞行器机翼整体气动性能的影响。结果表明:采用变形机翼技术,可以通过实时控制机翼的气动外形保持较高的气动效率,提高飞机在巡航状态下的升力和高速飞行状态下的机动性,满足飞机在各种任务剖面的战术性能要求。     

考虑飞机排放因素的飞机巡航性能参数优化方法

巡航是民航飞机主要的飞行阶段,航班飞行中绝大多数的燃油消耗、飞行时间和污染物排放均发生在该阶段。基于国际民航组织（ICAO）基准排放数据和BM2方法,建立了污染物排放量和排放成本计算模型;提出污染物排放价格权重、成本指数排放因子和综合成本指数概念,以改进飞行成本计算模型,考虑污染物排放对飞行成本优化的影响;通过计算分析输入成本指数对性能参数和飞行成本的影响,建立了基于搜索方法的综合成本指数优化流程,并采用Visual Studio予以开发实现;然后计算了综合成本指数飞行的经济效益,以及飞机质量、成本指数和巡航高度对飞行成本的影响。结果表明,选择合适的综合成本指数和巡航高度,可使总飞行成本达到最小,提高运行经济性。与传统巡航相比,在典型情况下采用综合成本指数巡航可以降低相同条件下的总飞行成本的0.15%。     

超临界机翼气动设计的准则、流程和设计实例

以计算空气动力学为基础,提出超临界机翼的气动设计准则和设计流程。翼型设计准则是:非设计状态音速区压力平坦;延迟后缘分离;设计状态迎角接近于零和局部最小厚度约束等。机翼设计准则是:在约束条件下诱阻最小;满足纵向稳定性要求;上翼面等压线型态和考虑结构弹性变形等。设计过程可分为两个阶段,即总体优化和机翼气动设计优化。后者的步骤是基本翼型设计、初始机翼外形设计、机翼巡航外形设计和机翼型架外形设计。对设计实例进行风洞试验后表明:尽管新机翼的平均厚度比某干线运输机厚14％,但安装该机翼的干线运输机巡航效率仍比前者高12％。     

载重飞机总体参数的多目标优化设计方法

利用遗传算法进行了低雷诺数下全机气动布局设计及优化,并制作原理样机以检查设计的可行性及正确性.主要优化对总体外形和飞机性能影响较大的机翼、尾翼的平面形状几何参数以及少数几个机身几何参数;优化目标是巡航段最大升阻比和空机重量.试验结果表明该优化设计方法是十分有效的,可以用来对具有正常布局形式的飞机进行气动外形的优化设计.     

大型客机后缘襟翼滑轨整流罩气动外形设计方法

大型客机后缘襟翼机构伸出机翼下表面会带来气动损失,必须设计相应整流罩。整流罩的外形尺寸对气动力影响较大,会直接影响飞机的气动特性。设计整流罩时应该遵循整流罩外形设计要求,使其引起的高速巡航阻力尽可能小。在查阅相关文献、对比研究大量整流罩图片、分析研究计算机辅助设计(CAD)中NURBS曲面曲线描述方法的基础上,建立了一套详细的大型客机后缘襟翼滑轨整流罩外形设计方法,该方法在满足整流罩包裹住机构、减小气动损失等基本要求的同时,缩短了整流罩设计周期。     

一种新型商用飞机翼梢小翼设计及优化

翼梢小翼可以有效的减小耗散飞机的翼尖涡,减小诱导阻力,从而达到商用飞机减阻增升、节省燃油的目的。本文研究分析了blended winglet和raked wingtip两类小翼的特点,设计了综合这两类小翼特性的翼梢小翼,具有结构简单,增加的有效翼展小、适合于中小型机场特点。同时研究了bladed wingtip形式翼梢小翼的设计原理、设计方法及流场特性。采用的外形参数化设计及自动生成程序方法通过小翼的前后缘来确定小翼的几何形状,具有快速生成外形、易实现优化设计、工程设计效率高等特点。本文设计的bladed wingtip形式的翼梢小翼具有设计点压力峰值低、没有激波、翼尖不易先分离、在增加的有效展长很小的情况下仍有较好的减阻效果等特点。     

某大型地效飞行器及其驮运巡航状态气动特性数值模拟

研究地效飞行器及其驮运负载飞行器巡航状态的气动特性,对大型地效飞行器的研发具有重要意义。采用求解N-S方程的有限体积法,分别针对地效飞行器巡航状态及其驮运负载飞行器巡航状态进行数值模拟分析。结果表明:综合考虑升阻比与阻力的大小,地效飞行器巡航状态机翼的最佳安装角为5.5°;综合考虑升阻比与巡航飞行的安全性、操纵性,地效飞行器巡航状态的最佳飞行高度为8 m;综合考虑巡航经济性以及从巡航状态过渡到分离状态的安全性与可靠性,两机驮运巡航状态下负载飞行器的最佳迎角为3°。     

基于伴随理论的大型客机气动优化设计研究进展

大型民用客机的气动设计具有巡航马赫数高、部件间流动干扰复杂、外形精细化修形难度大等特点，完全依靠人工试凑法进行气动设计工作量巨大。基于高可信度数值模拟的优化设计技术可以对该类问题进行自动寻优设计，给设计师提供有力参考，因此在大型民用客机气动设计中发挥着越来越显著的作用。首先，以大型民用客机为背景，总结了民机气动设计中的关键科学问题，指出了梯度优化设计方法在民用客机不同优化设计问题中的适用性，并进一步对梯度求解中的伴随方法理论进行了详细介绍。然后，分析了基于伴随理论的气动优化设计方法以及气动结构多学科优化设计方法在民用客机设计中的研究进展，其中气动优化设计方面着重突出了复杂全机多部件气动外形优化设计方法以及飞机/发动机一体化优化设计方法。最后，对基于伴随理论的气动优化设计方法在大型民机中的应用进展进行了提炼，对未来发展趋势进行了展望与建议。     

高经济性静音中航程民机设计方法讨论

 人们已愈来愈重视工业产品对环境的影响。人们直接感受民机对环境的影响首先是机场周边的噪声。静音飞机预案的研究目标是设计一种飞机,在机场周边听不见其响声,且油耗和排污指标优于现有的和正在设计的其他飞机。通过介绍SAX（Silent Aircraft eXperiment）三代概念机的研究进程,讨论了静音飞机设计的方法和使用的关键技术,包括具有一定准确度的快速翼身融合体准三维设计方法;具有最佳中央体外形的融合体气动外形设计;可平滑下弯的外翼前缘和后缘刷;分布、埋入式多风扇可吞吸边界层的发动机组;喷口截面可变的推力矢量喷管;先进的隔音衬管;整流的起落架等。最终的概念机SAX-40实现了在机场周边的最大噪声计算值为61 dBA,接近于稠密居民区的背景噪声,且使机场周边的人们不易感觉到飞机的起飞/进场。其油耗经济性亦达到了124座 哩/加仑的优异指标。     

基于代理模型的大型民机机翼气动优化设计

先进的气动优化设计思想与方法，对于提升大型民机气动与综合性能具有至关重要的意义。探讨了大型民机超临界机翼气动优化设计的基本准则和要点，并结合代理优化算法，提出了一种面向工程应用的多轮次高效全局气动优化设计方法。首先，通过一系列解析函数/翼型/机翼优化测试算例进行了验证。其次，将所提出的方法与人工修型相结合，开展了针对宽体客机超临界机翼的两轮气动优化设计，使其气动性能得到显著改善。最后，采用不同的雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程求解器对安装优化机翼的全机巡航构型进行了典型状态的气动性能综合评估。研究结果表明，所提出的代理优化算法具有很高的优化效率、较强的约束处理和全局优化能力；将所发展的基于代理模型的多轮次气动优化设计方法与人工修型相结合，能够获得满足设计要求的气动外形，验证了该方法在大型民机超临界机翼气动设计中的有效性和工程实用性。     

Morphing wing flaps for large civil aircraft: Evolution of a smart technology across the Clean Sky program

Morphing wing structures are widely considered among the most promising technologies for the improvement of aerodynamic performances in large civil aircraft. The controlled adaptation of the wing shape to external operative conditions naturally enables the maximization of aircraft aerodynamic efficiency, with positive fallouts on the amount of fuel burned and pollutant emissions. The benefits brought by morphing wings at aircraft level are accompanied by the criticalities of the enabling technologies, mainly involving weight penalties, overconsumption of electrical power, and safety issues. The attempt to solve such criticalities passes through the development of novel design approaches, ensuring the consolidation of reliable structural solutions that are adequately mature for certification and in-flight operations. In this work, the development phases of a multimodal camber morphing wing flap, tailored for large civil aircraft applications, are outlined with specific reference to the activities addressed by the author in the framework of the Clean Sky program.The flap is morphed according to target shapes depending on aircraft flight conditions and defined to enhance high-lift performances during takeoff and landing, as well as wing aerodynamic efficiency during cruise. An innovative system based on finger-like robotic ribs driven by electromechanical actuators is proposed as morphing-enabling technology; the maturation process of the device is then traced from the proof of concept to the consolidation of a true-scale demonstrator for pre-flight ground validation tests. A step-by-step approach involving the design and testing of intermediate demonstrators is then carried out to show the compliance of the adaptive system with industrial standards and safety requirements. The technical issues encountered during the development of each intermediate demonstrator are critically analyzed, and justifications are provided for all the adopted engineering solutions. Finally, the layout of the true-scale demonstrator is presented, with emphasis on the architectural strengths, enabling the forthcoming validation in real operative conditions.