翼身融合布局客机总体参数分析与优化

在翼身融合布局客机总体设计阶段，为评估设计方案的总体性能，建立了翼身融合布局客机总体参数综合分析与优化平台，该平台以翼身融合布局客机的几何参数为输入，完成动力、几何、重量、气动、性能和经济性等模块分析，并以此为基础建立优化设计模型。为快速评估设计方案的性能及优化设计效果，动力分析模块采用了部件级分析模型，重量分析模块采用半经验估算方法，气动分析模块采用面元法结合工程估算方法，性能分析模块采用简化运动学方法，优化模型采用可并行计算的子集模拟优化算法。以某555座级翼身融合布局客机方案为例，应用开发的分析与优化平台，完成了总体参数分析，结果表明分析模型合理。在此方案的基础上，以客机的外形参数和发动机海平面最大推力为设计变量，分别建立了以最大起飞重量最小为目标的单目标优化，以及同时以直接使用成本和进场速度最小为目标的多目标优化，单目标优化结果最大起飞重量降低了约7.17%，多目标优化结果表明直接使用成本降低8.77%的同时进场速度会增加3.32%。     

General optimal design of solar-powered unmanned aerial vehicle for priority considering propulsion system

This paper describes the general optimization design method of Solar-Powered Unmanned Aerial Vehicle which priority considering propulsion system planning. Based on the traditional solar powered aircraft design method, the propulsion system top-level target parameters which affect the path planning are integrated into the general optimization design. According to the typical mission requirements of Solar-Powered Unmanned Aerial Vehicle, considering the design variables such as wing area, aspect ratio, design mission date and so on, the general optimization is carried out with the minimum aircraft weight as the optimization objective. The influence of wing area and aspect ratio on the optimal design results is analyzed and compared with the traditional design method. The results show that the general design method of Solar-Powered Unmanned Aerial Vehicle for priority considering propulsion system can greatly reduce the electricity demand of energy storage battery, greatly reduce the aircraft weight of Solar-Powered Unmanned Aerial Vehicle.     

小型电动无人机航程航时估算模型

小型电动无人机通常采用锂电池、无刷电机和螺旋桨组成能源动力系统,飞行过程中锂电池的实际工作电压发生变化,但飞机的总重量不变,其航程航时的估算方法与传统的燃油飞机有所不同。为了准确评估动力系统对飞机设计的影响,建立了以锂电池为动力的电动飞机推进系统模型,通过与实验数据比较,验证了各部分模型的准确性。利用该动力系统模型,对某款小型电动无人机进行了航程和航时估算,结果表明本文的建模方法准确有效,航程航时估算接近实验数据,可作为小型电动无人机设计的重要参考。     

Challenges of future aircraft propulsion: A review of distributed propulsion technology and its potential application for the all electric commercial aircraft

This paper highlights the role of distributed propulsion technology for future commercial aircraft. After an initial historical perspective on the conceptual aspects of distributed propulsion technology and a glimpse at numerous aircraft that have taken distributed propulsion technology to flight, the focal point of the review is shifted towards a potential role this technology may entail for future commercial aircraft. Technological limitations and challenges of this specific technology are also considered in combination with an all electric aircraft concept, as means of predicting the challenges associated with the design process of a next generation commercial aircraft.     

飞发一体化算力体系及算力参数敏感性

飞行器/发动机一体化是制约吸气式高超声速飞行器的核心和关键技术,本文针对高超声速飞发一体化构型开展了算力体系划分及算力参数敏感性研究。通过将一体化飞行器不同部件划分至气动和推进系统,研究了算力体系划分对气动/推进性能指标的影响,结果表明对于飞发一体化构型,在不同算力体系下表征的飞行器气动/推进性能可能存在较大差异,横向比较飞行器气动/推进性能必须在明确算力体系条件下进行。采用正交试验设计+方差分析的方法分析了飞行器算力对空域、速域、飞行姿态、气动热效应、真实气体效应5个因素的敏感性,结果表明壁面温度是影响飞行器轴向力计算的敏感参数,马赫数和攻角几乎影响所有气动指标。在研究范围内,雷诺数和气体比热比是飞行器气动性能的不敏感参数。     

分布式电推进飞机设计技术综述

分布式电推进系统利用电力驱动多个推进器作为飞机的动力装置,在提升飞机气动效率、载运能力、环保性和鲁棒性等方面蕴藏着可供人们挖掘和利用的巨大潜能,被广泛认为是一种航空领域的颠覆性技术。本文在对电动飞机的优势和不足,电推进系统的尺度独立性以及分布式电推进飞机分类进行初步研究之后,重点从飞机工程设计的专业划分角度出发,分别从飞机总体设计、气动设计、结构设计、系统及支持设施设计等学科对分布式电推进飞机设计技术的研究情况和学术进展进行综述。随着电池能量密度、电机及控制器功率密度的不断提升以及相关机载电气设备的小型化和轻量化,分布式电推进通用飞机基本具备按需航空市场化能力,尽管仍存在一些挑战,但该技术为未来飞机设计提供了更多的权衡空间与可能性。     

分布式电推进飞机动力系统评估优化方法

以电推进飞机的动力系统作为研究对象,开展了以下研究工作：采用电力系统潮流计算方法,分析了采用高压直流供电体制的分布式电推进飞机电气系统,模拟了其在稳定运行状态与断路故障状态下的能量流动关系,同时分析了直流电压等级对电气系统的影响。搭建了完整的分布式电推进飞机动力系统仿真模型,依据基于时间和基于高度的飞行剖面,对比分析了纯电推进与涡轮电推进架构在推进功率、推进效率与航程3个评价指标上的优劣。建立了动力系统典型部件的参数化模型,并使用符号规划算法对建立的参数化模型进行了优化计算,比较了传统涡轮推进与涡轮电推进架构下动力系统质量与燃油消耗率间的优化权衡关系。研究结果为分布式电推进飞机混合动力系统的设计提供了有价值的正向设计方法。     

基于三维参数化模型构建的飞机重量重心快速估算方法

 针对飞机总体设计阶段重量重心(c.g.)估算的专业要求、设计方案反复调整的特点,提出了基于三维参数化建模的重量重心快速估算方法,从而实现后续的快速参数化调整。基于该方法的分析流程,通过分析飞机外形建模和结构、系统重量建模的工作对象和专业逻辑,对各个重量组成及其建模过程进行了参数化描述和流程定义,用于指导完成整个设计分析系统的开发实现。最后,通过算例演示了基于三维参数化建模进行重量重心快速估算的步骤。     

翼身融合民机总体气动技术研究进展与展望

翼身融合（BWB）布局作为下一代亚声速民机主流方案已得到共识，研究步伐正在加快，进入工程应用指日可待。在回顾国内外BWB民机发展历程的基础上，简要阐述了飞翼布局（FW）和BWB布局的差异，明确了BWB概念特征及应用范围。聚焦BWB飞机总体气动设计中的技术挑战和对策，重点论述分析了BWB布局技术瓶颈及设计思想演化，新型结构与重量估算、适航符合性等总体设计问题，气动布局设计原则、高-低速性能协调等气动布局设计问题，飞-发干扰与一体化设计、新型发动机技术应用等飞机-发动机综合集成设计问题，降噪技术及其衍生的设计冲突、考虑噪声指标的总体设计策略等问题。并从技术进展和工程可实现性角度，展望了BWB民机的发展趋势。     

Integrating Avionics in the Conceptual Design Phase

The avionics components of modern military aircraft significantly impact the cost and effectiveness of the total aeronautical system. In the early conceptual phase, aeronautical system designers give scant attention to designing the avionics components. The design team generally provides weight, volume and power considerations for the desired avionics functions and assumes that an avionics suite can be assembled. Less than comprehensive attention is given to the interacting effect avionics have with the other system components. In contrast, the designers expend a very large effort on finding the best balanced combination of airframe and propulsion components which satisfy the design objectives. This paper shows why avionics must be a co-equal member of the aeronautical system along with airframe, propulsion, and armament. To become a co-equal partner, avionics must be an element of the system design iterations and analysis commencing with the early conceptual design phase of a new aeronautical system.     

基于结构优化的大展弦比机翼质量估算

针对没有可供借鉴的质量评估经验公式来用于新式布局飞机研制的现状,为能够给出比较可信的结构质量估算,用于总体设计阶段飞机翼面结构质量指标分配,不仅对研制新机的概念设计与方案论证是十分重要的,也是必不可少的。本文开展了基于“变满应力”优化策略与有限元技术相结合的飞机翼面结构质量估算方法研究,并把这一求解过程搭建在具有自主知识产权的飞机多学科设计平台软件上。以具有大展弦比特征的“环球飞行者”外翼为例,进行结构质量估算表明:本文方法不仅可以获得用于总体设计阶段可信的质量结果,同时,其中的部件尺寸、应力和位移数据还能为结构与强度专业人员提供一定的参考意见。最后,得出4点结论。     

面向系统集成的起落架地面运动特性建模方法

大型飞机地面运动特性是飞机性能的重要组成部分,主要涉及到飞机的地面滑跑、转弯以及刹车等过程。地面运动特性的分析涉及到动力学、液压、控制等多领域,是典型的多学科耦合的复杂问题。以某大型民用飞机为研究对象,从主制造商的系统集成性能分析需求出发,通过多学科解耦和模型物理度划分两个角度进行地面特性模型架构的分解与定义,并以飞机刹车系统性能分析为例,验证了本架构的有效性。本文提出的模型架构灵活,既适用于飞机集成商的飞机级性能分析,又适用于特定系统级的性能分析。     

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。     

Review of hybrid electric powered aircraft,its conceptual design and energy management methodologies

The paper overviews the state-of-art of aircraft powered by hybrid electric propulsion systems. The research status of the design and energy management of hybrid aircraft and hybrid propulsion systems are further reviewed. The first contribution of the review is to demonstrate that, in the context of relatively underdeveloped electrical storage technologies, the study of mid-scale hybrid aircraft can contribute the most to both theoretical and practical knowledge. Meanwhile, the profits and potential drawbacks of applying hybrid propulsion to mid-scale hybrid airplanes have not been thoroughly illustrated. Secondly, as summed in the overview of design methodologies, the multi-objective optimization transcends the single-objective one. The potential of the hybrid propulsion system can be thoroughly evaluated in only one optimization run, if several objectives optimized simultaneously. Yet there are few researches covering the conceptual design of hybrid aircraft using multi-objective optimization. The review of the most popular energy management strategies discloses the third research gap—current methodologies favoured in hybrid ground vehicles do not consider the aircraft safety. Additionally, both non-causal and causal energy management are needed for performing a complicated flight mission with several sub-tasks.     

新能源电动飞机发展与挑战

发展绿色航空是人类社会形成的基本共识,新能源电动飞机为实现彻底的绿色航空提供了一条光明的技术途径。简述了航空对环境的影响、电在飞机上的应用及电动飞机的发展历程,对新能源电动飞机的能源分类、电推进系统及其总体效率进行了研究,重点针对载人轻型运动飞机,分析了电动飞机的发展现状、特征以及能源需求,通过对电池作为能源的载人电动飞机的航程和极限航程研究,提出了电池能量密度提升和性能改进、高升阻比空气动力设计、低成本轻质高效复合材料结构设计与制造、高效率电推进系统设计与集成等电动飞机发展面临的挑战,给出了应大力发展电动飞机的建议和本领域未来的研究方向。     

分布式电推进飞机电力系统研究综述

继飞机二次能源逐步统一为电能形成多电/全电飞机之后,电推进技术成为飞机动力系统电气化的重要发展方向,有望进一步提高飞机动力系统能量转换效率、降低燃油消耗和排放,代表了航空电气化的高级阶段。飞机电力系统及相关技术是支撑电推进技术发展的重要基础。系统总结了电推进飞机的类型与发展现状,论述了飞机混合动力系统及分布式电推进系统的基本概念、特点与意义。阐述了航空电推进系统的基本结构,比较了适用于分布式电推进系统的电力系统架构,系统分析了实现电推进技术所需的高效高功率密度电机、高效大容量功率变换器和综合热管理等关键技术。小型纯电动飞机正在逐步迈向实用化,而分布式混合电推进技术是中大型飞机电气化的重要方向,仍然需要航空机电和动力系统等交叉融合与创新发展。     

推进系统性能分析

本文应用我们所建立的推进系统性能计算程序,研究进气道-发动机-喷管匹配,分析了各种设计参数和使用条件对推进系统性能的影响,并把推进系统和飞机组成一个系统,进行发动机最佳循环参数的优选。     

涡桨飞机发展现状及关键气动问题

独特的动力形式赋予了涡桨飞机优越的推进效率和良好的低速机动、起降性能，使得其在军用及民用领域占有重要的地位并得以不断发展，但同时也带来了一系列需要重点关注的设计问题。本文从目前国内外涡桨飞机的发展现状和设计特点出发，提出其面临的主要气动问题。重点针对国内亟待发展的舰载类涡桨飞机起降过程中的失速和操纵问题进行深入研究，剖析了翼面附近流动的分离状态和发展趋势对于失速特性及操纵安全性的影响规律，归纳总结出需要关注的关键约束和设计原则。在此基础上，通过对一组计算实例的分析，给出了机翼空间流场变化特征和宏观气动力之间的内在联系，并深入阐述了三维增升构型与干净构型及其各站位翼剖面的设计关联性。     

分布式边界层吸入推进系统的建模与分析

机体后部边界层吸入技术可显著改善飞机的燃油经济性,但目前尚未建立推进系统设计与分析方法。针对类似N3-X飞机的分布式边界层吸入推进系统,采用基于边界层积分方程的数值分析方法,引入功推比参数,详细分析边界层状态和推进系统参数对系统性能的影响,从而为推进系统设计提供理论和数据支撑。通过基准状态与N3-X的对比,验证了计算方法的可靠性。分析表明,当吸入边界层占比为50%左右时推进系统能耗可降低4%,边界层形状因子越小或者动量厚度越大,能耗降低越多;进气道扩张比对功推比的影响不大;随着进气道入口马赫数增大、风扇压比降低、风扇效率增大、风扇损失降低或者喷流速度降低,功推比都会下降。     

Comprehensive analysis of transport aircraft flight performance

This paper reviews the state-of-the art in comprehensive performance codes for fixed-wing aircraft. The importance of system analysis in flight performance is discussed. The paper highlights the role of aerodynamics, propulsion, flight mechanics, aeroacoustics, flight operation, numerical optimisation, stochastic methods and numerical analysis. The latter discipline is used to investigate the sensitivities of the sub-systems to uncertainties in critical state parameters or functional parameters. The paper discusses critically the data used for performance analysis, and the areas where progress is required.

Comprehensive analysis codes can be used for mission fuel planning, envelope exploration, competition analysis, a wide variety of environmental studies, marketing analysis, aircraft certification and conceptual aircraft design.

A comprehensive program that uses the multi-disciplinary approach for transport aircraft is presented. The model includes a geometry deck, a separate engine input deck with the main parameters, a database of engine performance from an independent simulation, and an operational deck. The comprehensive code has modules for deriving the geometry from bitmap files, an aerodynamics model for all flight conditions, a flight mechanics model for flight envelopes and mission analysis, an aircraft noise model and engine emissions. The model is validated at different levels. Validation of the aerodynamic model is done against the scale models DLR-F4 and F6. A general model analysis and flight envelope exploration are shown for the Boeing B-777-300 with GE-90 turbofan engines with intermediate passenger capacity (394 passengers in 2 classes). Validation of the flight model is done by sensitivity analysis on the wetted area (or profile drag), on the specific air range, the brake-release gross weight and the aircraft noise. A variety of results is shown, including specific air range charts, take-off weight–altitude charts, payload-range performance, atmospheric effects, economic Mach number and noise trajectories at F.A.R. landing points.