民用飞机高原机场起飞性能分析及优化

民用飞机在高原机场运营时，爬升梯度要求高，减载严重，对其起飞性能进行优化研究以增加起飞重量，在经济效益层面具有重要意义。基于理论分析，在满足适航要求的前提下，采用减小襟翼偏度和使用改进爬升法两种爬升方式，进行起飞性能优化，对不同起飞襟翼构型和不同爬升方法下的起飞距离、加速—停止距离和起飞限重进行计算分析。结果表明：通过有效优化可以显著提高飞机的起飞限重，改善起飞性能，提高运营效益。     

某高空长航时飞机垂直突风过载计算分析

应用离散突风模型和简化功率谱模型2种方法对某高空长航时飞机纵向突风刚体载荷进行了计算分析。计算结果表明,采用这两种方法计算结果相差60%以上,通过简要的理论分析指出,对于高空长航时类小翼载飞机,采用离散突风模型计算结果偏大,应采用简化功率谱模型或功率谱模型进行高空长航时飞机突风载荷的估算。     

多太阳能无人机覆盖路径优化方法

为解决传统电动无人机在覆盖作业时存在的续航时间短的问题,提出应用多架太阳能无人机进行覆盖作业。首先,在建立了应用于覆盖作业的太阳能无人机的能量模型的基础上,提出了能量流动效率这一指标来评价太阳能无人机在作业过程中对能量的利用率。其次,针对边界存在障碍物的凹多边形区域和内部含障碍物的多边形区域,以总作业完成时间最短为优化目标,提出基于无向图搜索方法的覆盖路径优化模型,定义约束方程限制无人机按照一定规则访问无向图中的节点,通过混合整数线性规划的方法求解每架无人机的最优飞行路径。再次,考虑无人机转弯时的姿态变化对能量流动效率的影响,将总作业完成时间最短和总能量流动效率最高同时作为优化目标,建立双目标优化方程,在首先以作业时间最短为优化目标进行求解的基础上,通过有限遍历的方式选择使能流效率和作业时间相对最优的覆盖飞行方向及飞行路径。大量仿真实验表明,所提的优化模型选取不同的优化目标,应用于不同形状的待覆盖区域,适用性广,在工程上应用范围广、可行性强。     

基于高拟真度模型的高超声速飞行器静气动弹性优化

为解决基于计算流体动力学(CFD)和计算结构动力学(CSD)高拟真度模型的静气动弹性优化过程中模型更新自动化困难、求解速度慢的难点,提出了基于几何主模型技术的CFD/CSD一体化参数化建模方法和基于网格单元修正的常体积四面体(CVT)数据交换技术,并引入响应面模型来降低气动弹性优化求解难度.通过AGARD 445.6机翼静气动弹性分析对上述方法的可行性和有效性进行了验证;并以某高超声速飞行器为例,采用基于二次响应面的多目标优化算法进行了CFD/CSD气动弹性分析与优化,优化后飞行器升阻比增加16%,结构质量减少9%,且响应面模型精度拟合误差不超过1.5%.计算结果表明:所发展的CFD/CSD一体化参数化建模与优化方法能够有效地解决高拟真度模型的静气动弹性优化问题.      

CFD优化火箭涡轮泵间隙密封静动态特性计算模型

Bulk flow模型被广泛应用于计算火箭涡轮泵间隙密封泄漏量和动力学系数,然而半经验性的边界条件和阻力系数会降低模型的准确性。CFD数值模拟近年来被应用于间隙密封的研究,表现出优越的性能,然而瞬态计算动力学系数效率较低。结合两种方法的优势,利用CFD稳态流场分布,计算密封间隙边界条件,同时基于泄漏量相等优化目标,确定Bulk flow模型中阻力系数,并采用有限单元法数值求解优化后Bulk flow方程组。与文献中数值结果对比,数值结果与试验结果更加吻合,主刚度和交叉刚度最大偏差率为10.15%和7.54%。     

虹桥机场障碍物碰撞风险分析

研究了最后进近及复飞阶段航空器与地面障碍物之间的碰撞风险的计算方法，结合航空资料汇编中上海虹桥机场的相关信息，利用碰撞风险模型对机场的主要障碍物进行了碰撞风险计算，并分析了障碍物宽度、障碍物高度、障碍物X位移和Y位移等四个参数的变化对碰撞风险的影响。结果表明虹桥机场的障碍物碰撞风险小于安全目标水平，超障高满足要求；在一定范围内，碰撞风险随障碍物高度增大而增加，但当宽度到一个临界值后不再增加；随障碍物宽度增大而增加；随X位移增大而减小；当Y位移为0时，碰撞风险值最大。     

适用于非定常流模拟的分布式并行GMRES方法

为提高计算流体力学方法的收敛性和对高性能并行计算机的适应性,发展了适用于非定常流模拟的GMRES并行全隐式方法,并开展了相应的收敛和并行特性研究。采用变子空间数GMRES方法,减小重启过程计算时间;通过分区并行和Hybrid LU-SGS预处理算子实现方法的分布式并行化;采用鲁棒的Negative-SA湍流模型获得更大CFL数,采取计算和存储雅可比矩阵、网格重排序方法提高计算效率。利用这套方法完成了平面流、NACA0012翼型扰流、翼身组合体扰流、F-16战斗机非定常气动弹性和旋翼前飞流场的数值模拟。结果表明其计算效率较LU-SGS方法提高20%～200%;适用于当代高性能计算机分布式并行结构,并行效率非常高,在240个计算核心上出现了加速比的超线性。     

分段吹气高层建筑的减阻性能数值研究

为减小高层建筑的风致阻力,改善结构的抗风性能,本文采用CFD方法研究了分段吹气高层建筑模型的风荷载减阻性能,分析了侧风面和竖向开孔位置、吹气孔高度hi和吹气速度Vci等参数对减阻性能的影响。结果表明:孔洞位于离侧风面前缘3%宽度时模型的减阻性能优于其它侧风面开孔方案;分段吹气模型的最佳竖向开孔位置发生在0.425m高度处;保持Vci不变时,增加hi使得模型顺风向的阻力折减系数和基底弯矩折减系数增大,且风压减阻效率随hi的增加而减小并逐渐趋近于1.0;当吹气流量或顺风向吹气动量不变时,分段吹气模型的风压减阻效率均不如全高吹气模型。基于最大减阻效率和最小吹气功率比较了分段和全高吹气模型的减阻性能,发现后者的减阻性能优于前者,然而对于某些考虑局部风压的折减,我们可在高层建筑中上部设置吹气装置来改善其局部风压特性。最后,拟合了减阻效率(ηDR和ηMR)关于吹气孔中心高度、hi和Vci的经验公式,为分段吹气控制的应用提供参考。     

基于一维模型的跨声速轴流压气机特性预测研究

为发展一套对于现如今多级跨声速轴流压气机特性预测较为精准、快捷的计算程序,选取了合适的压气机参考攻角模型,建立了适用于双圆弧大弯角叶型的设计点/非设计点落后角模型。采用某套大弯角平面叶栅在多个工况下的实验数据对新建立的落后角模型进行校验,并将攻角、落后角模型嵌入到HARIKA算法中,实现对HARIKA算法原模型的替换,用新建立的HARIKA算法和三维数值计算软件NUMECA对某型两级跨声速轴流压气机在设计/非设计转速下进行特性计算。结果表明：本文建立的落后角模型对于叶栅出口气流落后角预测值与实验值较好地吻合,平均误差为0.42o,预测误差较小。新的HARIKA算法对于压气机特性的预测结果相比于三维数值计算结果更贴近于实验值,其中压比最大预测误差2.54%,效率最大预测误差3.68%,总体预测误差较小,证明本文建立的非设计点落后角模型具有一定的准确性与适用性,改进后的HARIKA算法在多级跨声速轴流压气机特性预测方面具有一定的工程实用性。     

轴流压气机通流计算中代理模型的应用（两机专刊）

在轴流压气机初始设计阶段,二维通流计算方法可以快速评估压气机的性能,其准确性高度依赖于经验模型的预测精度。当压气机超出经验模型适用范围时会增大模型的预测误差。为提高预测精度,研究了在通流计算中采用代理模型取代传统经验模型的可行性。以双级跨声轴流速压气机的几何参数和气动实验数据作为代理模型的训练样本库,采用敏感性分析方法确定最重要的特征参数作为输入。分别基于支持向量机回归（SVR）和高斯过程回归（GPR）两种监督学习方法构建代理模型,并在模型训练中通过贝叶斯优化算法寻找模型最佳超参组合。将代理模型集成到基于流线曲率法（SLC）的通流程序中,对该压气机特性进行评估,并与传统经验模型计算结果相对比。对比显示,相较于传统经验模型,SVR和GPR两种代理模型分别降低了62.2%与55.2%的总压特性平均预测误差以及48.4%与50.1%的绝热效率特性平均预测误差。对比结果表明,当超出传统经验模型适用范围时,代理模型不失为一种可靠的替代方案。     

基于起飞分析的机场障碍物评估软件的设计

机场障碍物主要影响起飞越障限制重量和起飞安全,同时机场障碍物评估是航空公司性能工程师日常主要计算工作。针对机场起飞航径区内的所有障碍物,按照CCAR121部的规定,建立民用机场障碍物信息数据库,利用编程语言设计障碍物评估软件,识别附近的障碍物是否为重要障碍物,同时将重要障碍物信息自动转换为飞机性能软件对应的输入接口文件,便于后续的起飞越障计算,可以快速提高性能工程师的计算效率。     

基于局部敏感性的平衡场长影响因素分析

平衡场长是民用飞机设计与使用中的重要技术指标之一,其长短对民用飞机的经济性、安全性和通用性均有显著的影响,同时也是确定飞机决策速度的基础,因而,研究平衡场长具有重要意义。介绍平衡场长的概念、计算方法及它与决策速度之间的关系,列举三种敏感性分析理论;以某型民用飞机为例,研究起飞质量、机场高度、风速、温度、跑道坡度等因素对平衡场长的影响,利用上述敏感性分析方法评估不同因素对平衡场长的敏感程度。结果表明:平衡场长和决策速度随着起飞质量、机场高度、顺风风速、温度的增加而增加,随逆风风速的增加而减小;跑道坡度对平衡场长的影响几乎可以忽略;三种敏感性分析方法所得参数的正负相关性一致,五个变量对平衡场长的敏感性排序为:起飞质量风速机场高度温度跑道坡度。     

机场条件对民机起飞性能影响规律初探

为了研究机场海拔、温度及跑道污染对大型民航运输机起飞性能的影响规律,采用理论分析结合模型计算的方法,回归统计出机场条件对起飞场长的影响规律。首先,介绍并分析了起飞性能的影响要素(机场高度、温度、跑道条件、发动机推力、增升装置)及其影响关系;其次,建立了自动满足适航要求的民机起飞性能计算模型;再次,利用该模型计算不同机场条件下飞机起飞性能;最后,将结果分析归纳总结成图表,为飞机设计及运营人员提供参考。     

民用飞机增升装置载荷设计技术研究

增升装置是机翼上用来改善气流状态和增加升力的一套活动面板,可在飞机起飞、着陆和低速机动飞行时增加机翼剖面弯曲度和有效迎角,因此对提升大型民用飞机的起飞和降落等低速性能,包括进场姿态有着决定性的影响。飞机在起降中一般要求尽量减小飞行速度和缩短滑行距离,同时要达到比较大的升力系数,这就意味着增升装置此时也具有较大的偏度,作用在上面的载荷也会比较大。因此,大型民用飞机增升装置的载荷计算是其设计工作中的重中之重,在民用飞机载荷设计过程中有非常重要的意义。主要介绍了民用飞机增升装置载荷的计算原理及设计方法,给出了一套襟缝翼气动和惯性载荷的工程算法。     

波音737-800飞机起飞性能随襟翼放出量的变化特点

波音737飞机与其他民用机型的一个不同之处是前缘缝翼在起飞时可以使用开缝状态。分析了波音737-800飞机下列四个起飞性能参数与襟翼放出量的关系:场地长度限制的最大起飞重量;爬升梯度限制的最大起飞重量;障碍物限制的最大起飞重量;起飞决断速度。结果显示这四个参数在襟翼放出量为10时出现异常,原因是前缘缝翼状态发生了变化。在襟翼放出量由5增大到10的过程中,前缘缝翼由不开缝的放出状态变成开缝的完全放出状态,降低了升力系数。     

民航运输机最大起飞重量和起飞速度的确定

重点论述了限制最大起飞重量的因素和起飞速度的选择方法,并以Citation Jet 1(CJ-1)飞机为例,分析了飞机在昆明/巫家坝机场起飞时限制最大起飞重量的主要因素,给出了CJ-1飞机确定最大起飞重量和起飞速度的分析方法和起飞性能分析表,为部分支线客机和公务机进行起飞分析并确定起飞分析表的内容、结构和形式提供了参考。     

基于深度神经网络的客机总体设计参数敏感性分析

飞机总体主要设计参数敏感性分析揭示了总体主要设计参数对飞机特性指标的影响,有助于总体设计方案的决策。针对宽体客机总体主要设计参数敏感性问题,根据其总体主要设计参数和特性指标的特点,以及多学科间的耦合关系,建立了深度神经网络模型。该深度神经网络模型以客机总体主要设计参数为输入,对特性指标进行预测。在深度神经网络模型中,设置了多个输入层、多个输出层以及多个分块的隐藏层,从而模拟客机总体主要设计参数对特性指标的影响以及不同特性指标之间的相互作用。测试结果表明,与传统代理模型相比,深度神经网络模型对客机特性指标的预测精度更高,多参数适应性更好。利用该深度神经网络模型对客机总体主要设计参数进行敏感性分析。分析结果表明,机翼1/4弦线后掠角在30°~31.5°时,有利于减少最大起飞重量和起飞平衡场长;发动机海平面最大静推力和机翼面积对客机直接使用成本、最大起飞重量等特性指标的影响最为显著。     

Water takeoff performance calculation method for amphibious aircraft based on digital virtual flight

Owing to the strong coupling among the hydrodynamic forces, aerodynamic forces and motion of amphibious aircraft during the water takeoff process, the water takeoff performance is difficult to calculate accurately and quickly. Based on an analysis of the dynamics and kinematics characteristics of amphibious aircraft and the hydrodynamic theory of high-speed planing hulls, a suitable mathematical model is established for calculating the hydrodynamics of aircraft during water takeoff. A pilot model is designed to illustrate how pilots are affected by the lack of visual reference and the necessity to simultaneously control the pitch angle, flight velocity and other parameters during water takeoff. Combined with the aerodynamic model, engine thrust model and aircraft motion model, a digital virtual flight simulation model is developed for amphibious aircraft during water takeoff, and a calculation method for the water takeoff performance of amphibious aircraft is proposed based on digital virtual flight. Typical performance indicators, such as the liftoff time and liftoff distance, can be obtained via digital virtual flight calculations. A comparison of the measured flight test data and the calculation results shows that the calculation error is less than 10%, which verifies the correctness and accuracy of the proposed method. This method can be used for the preliminary evaluation of airworthiness compliance of amphibious aircraft design schemes, and the relevant calculation results can also provide a theoretical reference for the formulation of flight test plans for airworthiness certification.     

民航飞机起飞决断速度的一种计算方法

起飞决断速度是民航飞机起飞过程中一个至关重要的参考速度．其准确与否直接关系到飞机的起飞安全。传统的查表方法确定起飞决断速度有时不够准确，所以提出了一种迭代求解方法．并通过B757—200大型运输机的基本参数计算了其起飞决断速度，将计算结果与查表所得的结果进行了分析比较，证明了该算法是切实有效的．既满足适航要求，又利于工程计算。     

某型电动飞机起飞加速特性分析与仿真模型修正

电动飞机从加速滑跑到飞行至安全高度是一个十分复杂的过程,在计算电动飞机起飞性能时发现用近似匀加速仿真模型得到的起飞距离小于实际的起飞距离。为了准确计算电动飞机起飞性能,在 MATLAB 中建立完整起飞过程的仿真模型并分析模型与实际起飞过程的误差,通过分析电动飞机起飞过程中加速度与速度的变化规律,引入修正函数对仿真模型中的速度进行修正;以某型电动飞机起飞性能计算为例,使用修正前后的模型对起飞过程进行仿真计算,并将计算结果与飞行试验数据进行对比。结果表明：修正后的模型精度优于修正前仿真模型的精度,修正后模型的仿真结果与飞机试飞试验结果基本一致。