Multi-objective optimization of aircraft design for emission and cost reductions

Pollutant gases emitted from the civil jet are doing more and more harm to the environ- ment with the rapid development of the global commercial aviation transport. Low environmental impact has become a new requirement for aircraft design. In this paper, estimation method for emis- sion in aircraft conceptual design stage is improved based on the International Civil Aviation Orga- nization （ICAO） aircraft engine emissions databank and the polynomial curve fitting methods. The greenhouse gas emission （CO2 equivalent） per seat per kilometer is proposed to measure the emis- sions. An approximate sensitive analysis and a multi-objective optimization of aircraft design for tradeoff between greenhouse effect and direct operating cost （DOC） are performed with five geom- etry variables of wing configuration and two flight operational parameters. The results indicate that reducing the cruise altitude and Mach number may result in a decrease of the greenhouse effect but an increase of DOC. And the two flight operational parameters have more effects on the emissions than the wing configuration. The Pareto-optimal front shows that a decrease of 29.8% in DOC is attained at the expense of an increase of 10.8% in greenhouse gases.     

欧洲市场直接运营成本（DOC）分析方法及应用

根据欧洲民航实际运营情况,总结分析欧洲AEA模型中用于飞机竞争分析和总体参数优化的DOC计算方法,建立欧洲市场直接运营成本计算分析模型,然后就某机型的欧洲市场和中国市场DOC计算进行分析,最后指出未来研究的方向。     

单一飞行员驾驶模式技术

飞机驾驶机组由20世纪50年代的5乘员驾驶模式减少到了目前的双乘员，然而为了降低航空公司运营成本以及减少双乘员认知不同、操作不一致所带来的安全性隐患，开展了单一飞行员驾驶（SPO）模式研究，SPO是新一代商用飞机发展方向核心技术之一。单一飞行员驾驶模式是描述面向商用飞机单一驾驶员、驾驶舱智能自动系统以及地面航空公司操作员协同实现的飞行驾驶模式。本文首先对单一飞行员驾驶模式系统组成及其系统架构进行了描述，并对比分析了单一飞行员驾驶模式下飞行员、空管系统、航空公司三方协同过程与现有模式的差异点；然后，针对商用飞机主要飞行过程，建立了单一飞行员驾驶模式下各飞行过程组织架构；最后，搭建了面向SPO的远程操控演示验证系统，经过飞行员操作评价，基本可以获取到机上操作所具备的驾驶感受，同时对于飞行计划更改、紧急情况处理等方面更为便利。通过上述内容研究，为中国商用飞机开展单一飞行员驾驶发展奠定了一定的技术基础。     

基于天地一体化信息网络的智能航空客运系统

计算机小型化、物联网、无线宽带通信、人工智能技术近年来发展迅速,对社会产生了巨大影响,作为使能技术,其在航空上的应用将对飞机设计、飞机飞行和维修保障等领域产生革命性的变革。未来的飞机将具有强大的信息智能感知和处理能力,依托天地一体化信息网络实现多维度物联,并结合智能地面系统,共同完成智能飞行、智能维护和智能运营等业务流程。本文总结了上述新技术的发展现状及其航空应用前景,提出了基于天地一体化信息网络的智能航空客运系统的概念,设计了系统架构,描绘了典型应用场景,识别了关键技术并指出了面临的挑战。研究成果有助于飞机制造商更好地设计面向未来的智能飞机,也有助于航空公司对智能飞机进行高效的运营和管理。     

基于多种运行成本最小的机队优化配置研究

为节省航空公司运行成本开支，通过以燃油成本最小、时间成本最小、机场起降费用成本最小为目标函数，以飞机最大航程限制、机场起降条件限制、航班频率限制、旅客座次限制、飞机可用时间限制等为约束条件，建立多目标规划模型。通过实例计算，确定机队优化配置方案，验证了模型的正确性，为航空公司机队规划提供了参考。     

民用客机舒适性评估

本文给出了能用于说明民用客机旅客乘坐品质的数量关系,这些关系能用于预测旅客乘坐的舒适性。可供设计及使用单位参考。     

A Performance Measure for Evaluating Aircraft Landing Trajectories

A general performance index is developed for evaluating aircraft landing trajectories. The primary term in the index is the effect of noise on people residing near the air terminal. Other terms included are passenger comfort, fuel consumed, and the time spent in the near-terminal area. Models are developed for aircraft engine noise, passenger comfort, the population distribution about a specific airport, and the aircraft flight behavior. While this performance index may be used in computing optimal trajectories, it is also useful for comparing nonoptimal trajectories which, for one reason or another, may be worthy of consideration. Some examples of such comparisons are included through simulations of landing. The aircraft considered is a Boeing 737.     

中国市场直接运营成本（DOC）计算方法研究与应用

民机运营经济性的分析是民机市场销售成功的关键因素。首先总结了直接使用成本（DOC）模型的研究进展;然后结合中国市场情况,提出一种简单可行的用于民用飞机方案评估的DOC计算模型;接着给出了某典型喷气式客机的计算分析算例,结果表明本文所示的计算方法具有一定的工程指导意义;最后提出进一步研究的主要方向。     

基于WPF的遥测CAS信息实时监控系统设计开发

在当前试飞模式下,立足于某型客机机组告警系统(Crew Alerting System,简称CAS)信息复杂、重构平台单一等不足,设计了一套CAS信息实时监控系统。系统基于WPF(Windows Presentation Foundation,简称WPF)框架,采用数据访问层、业务逻辑层和显示层组合的典型三层架构,以遥测脉冲编码调试(Pulse Code Modulation,以下简称PCM)数据为输入,结合DataBinding数据驱动模型和XAML等技术实现了CAS信息的实时解析、传输、分发及显示。同时,极大地降低了系统间的耦合性,提高了实时性能和系统的可维护性。通过滑行、首飞等试验的充分验证,系统实现了该型客机CAS信息的100%地面复现,为后续民机试飞测试、监控技术的创新提供了参考依据。     

On the generation of flight dynamics aerodynamic tables by computational fluid dynamics

An approach for the generation of aerodynamic tables using computational fluid dynamics is discussed. For aircraft flight dynamics, forces and moments are often tabulated in multi-dimensional look-up tables, requiring a large number of calculations to fill the tables. A method to efficiently reduce the number of high-fidelity analyses is reviewed. The method uses a kriging-based surrogate model. Low-fidelity (computationally cheap) estimates are augmented with higher fidelity data. Data fusion combines the two datasets into one single database. The approach can also handle changes in aircraft geometry. Once constructed, the look-up tables can be used in real-time to fly the aircraft through the database. To demonstrate the capabilities of the framework presented, five test cases are considered. These include a transonic cruiser concept design, an unconventional configuration, two passenger jet aircraft, and a jet trainer aircraft. Investigations into the areas of flight handling qualities, stability and control characteristics and manoeuvring aircraft are made. To assess the accuracy of the simulations, numerical results are also compared with wind tunnel and flight test data.     

全信息代表飞行起落疲劳载荷谱编制方法研究

针对某重型歼击机的实际使用特点,在只有少量飞行载荷实测数据的基础上,利用外场飞机实际使用情况,提出全信息代表飞行起落法编制该型飞机疲劳载荷谱的方法,为先进飞机的载荷谱的编制提供一种切实可行的科学理论。     

飞行器水载荷结构完整性数值模拟现状与展望-Part I:水上迫降和水上漂浮

现代飞行器面临水上迫降、水上漂浮、贮箱晃动和投汲水等复杂水载荷的结构完整性和乘员安全性分析问题日趋重要,随着科学技术的发展,数值模拟已经成为飞行器设计、分析和适航取证的重要手段。以固定翼飞机、水陆两栖飞机、直升机、火箭和卫星等现代航空航天飞行器为对象,围绕适用于飞行器水载荷分析的数值模拟方法进行综述,根据外流（水上迫降和水上漂浮）和内流（贮箱晃动和投汲水）的不同将综述内容分为Part I和Part II两部分。Part I的主要工作为：首先,归纳水上迫降和水上漂浮的事故和试验,总结水气两相流和流固耦合算法的发展现状和优缺点;随后,结合工程实际,介绍飞行器水上迫降和水上漂浮的范畴、水载荷分析要点、适用的数值模拟方法和软件的国内外发展情况,其中,水上迫降的总结包括飞行参数、波浪水面和弹性体对迫降性能的影响研究,水上漂浮的总结涵盖了飞行器构型参数、破舱和波浪对漂浮性能的影响研究;最后,指出复杂风浪情况下水上迫降和漂浮的水气固三相耦合工程应用难点和解决途径,并探讨飞行器水载荷数值分析的技术挑战和未来的发展方向。     

无人机系统安全目标水平预估方法

考虑无人机系统（UAS）与有人机运行安全特性的不同,通过事件树分析识别出对地撞击是无人机系统运行的首要风险方式。基于等效安全水平的概念,建立确定无人机系统安全目标水平的对地撞击模型,将无人机撞击动能、构型参数以及飞行环境因素综合考虑到模型中,并计算了不同无人机系统在不同运行场景下的安全目标水平以及基于我国地域人口的安全目标水平,结果表明: 在考虑运行环境的情况下,对无人机系统安全目标水平的定量要求可能跨越4～5个数量级。在此基础上,结合风险矩阵的概念,给出基于对地撞击情况的无人机系统运行风险评价矩阵,为无人机系统运行风险评价提供了一种可行思路。      

基于航迹运行的大型客机推力管理系统需求分析

在基于航迹的运行(Trajectory Based Operation,TBO)模式中,推力管理是使飞机在安全飞行的同时,提高燃油经济性、飞行性能的关键技术。为了分析出必要可要的需求,基于民航客机推力及飞行性能原理,本文分析了基于4D-TBO的推力管理的功能及实施相关功能所必须的数据,在此基础上去设计基于航迹运行的推力管理系统(Thrust Management System,TMS)的架构,从而获得了满足未来大型先进客机飞行任务需要的TMS的重要基础信息。     

Multipoint optimization on fuel efficiency in conceptual design of wide-body aircraft

Aircraft conceptual design optimizations that maximize the performance at a design condition (single-point) may result in designs with unsatisfying off-design performance. To further improve aircraft efficiency under actual flight operations, there is a need to consider multiple flight conditions (multipoint) in aircraft conceptual design and optimization. A new strategy for multipoint optimizations in aircraft conceptual design is proposed in this paper. A wide-body aircraft is taken as an example for both single-point and multipoint optimizations with the objective of maximizing the specific hourly productivity. Boeing 787-8 flight data was used in the multipoint optimization to reflect the true objective function. The results show that the optimal design from the multipoint optimization has a 7.72% total specific hourly productivity increase of entire flight missions compared with that of the baseline aircraft, while the increase in the total specific hourly productivity from the single-point optimal design is only 5.73%. The differences between the results of single-point and multipoint optimizations indicate that there is a good option to further improve aircraft efficiency by considering actual flight conditions in aircraft conceptual design and optimization.     

飞机舱门失效乘客减载计算方法的探讨

从适航当局、航空器制造商要求出发，从适航角度探寻了飞机舱门失效时需要进行旅客人数减载的原因。根据FAA、EASA、CAAC对各种机型舱门失效的要求，对比分析了各民航体系的要求差异，总结了舱门失效时计算旅客人数减载量的方法。在舱门失效对旅客人数进行减载时，航空公司需要综合考虑航班是否为跨水航班、舱门性能、救生筏性能。根据实际飞机客舱布局，结合航班的销售情况，在满足适航要求的同时，将因客舱门失效带来的经济损失降到最低。通过公式和表格，可以比较迅速地完成旅客人数减载量计算和减载区域指定。最后根据分析和实例计算，发现FAA体系下计算方法简单，但是对减载区域的限制比较严格；EASA计算方法比较繁琐，但在指定减载区域时比较灵活。     

放宽静稳定电传客机纵向短周期品质评定方法

民用客机强调飞行的安全性和舒适性,由于设计与使用的特点,其短周期模态的自然频率、操纵灵敏度与带宽均较低,时间延迟较大,且一般采用不同于军用运输机的控制律构型。提出以军用规范作为参照的电传客机飞行品质评定及适航审定方法,是现代民用客机飞行控制律设计的关键问题。为改善某放宽静稳定构型客机的短周期飞行品质,设计了迎角、C^*和过载构型飞行控制律。按咨询通告AC25-7A所给出的操纵品质等级评定方法(HQRM),采用等效系统评定法、高阶频域法和高阶时域法评定了闭环飞机的短周期飞行品质及适航符合性。结果表明,军用规范条款对时延和带宽的限制对于客机可适当放宽。对于迎角构型,等效系统参数准则、带宽准则和俯仰速率响应准则均适用;过载构型评定应采用等效系统参数准则、俯仰速率响应准则;C^*属非常规响应构型,应采用带宽准则和俯仰速率响应准则评定。     

基于WPF的民机试飞数据实时监控画面开发系统设计与研究

试飞数据实时监控程序是大型民机试飞过程中不可或缺的重要支持性工具。随着机载测试系统网络化进程的不断深入,数量庞大、类型复杂的试飞参数给监控程序的开发带来了巨大的挑战。基于WPF(Windows Presentation Foundation)平台,利用XAML文件的序列化和反序列化、反射、DataBinding等技术设计了一套用于开发试飞数据实时监控程序的系统。在设计端,系统以拖拽显示控件的方式实现监控程序的快速集成和管理,将以往数周的准备周期缩短为数小时;在运行端,系统利用三层架构可实时驱动数百台监控终端,为某型客机的首飞及取证试飞提供了技术支持。     

飞机噪声的工程预测

 本文将飞机在飞行过程中发出声辐射的动态问题,按准稳态方法分解为航迹,观察点与声源的几何关系,声源特性、大气衰减与地面效应等单元过程。并以涡扇飞机和螺旋桨飞机等计算实例,阐明飞机噪声的组成,时间历程、频谱,指向性及地面等值线等同公共噪声和声疲劳有密切关系的问题。