机械展开式再入飞行器气动性能分析与优化

机械展开式再入飞行器由于气动面积较大,可以有效地进行气动捕获和气动减速,但需研究分析主要气动外形参数对气动性能的影响并通过优化进一步提高减速效果。针对计算流体力学（Computational fluid dynamics, CFD）开展再入飞行器外形优化计算量大、耗时多的问题,提出了一种基于反向传播（back propagation, BP）神经网络的气动性能优化方法。在对再入飞行器参数化建模的基础上,首先采用正交试验设计生成样本,通过CFD方法进行高精度气动力性能计算,对样本计算结果进行方差分析;再利用BP神经网络对生成的样本集进行非线性拟合,构建神经网络气动性能近似模型;最后使用多岛遗传算法和BP神经网络模型开展阻力最大的气动外形设计优化,并对优化结果进行参数灵敏度分析。结果显示,该优化方法可以快速准确地求解优化模型,在保证精度的同时大幅提升了计算效率,可为未来工程设计和应用提供参考。     

民用飞机静压孔气动布局设计

民用飞机根据静压、总压等基本测量参数，通过大气数据计算机解算得到飞机飞行的高度、速度等，因此静压测量的精确度对飞机安全性至关重要，而静压孔的气动布局直接关系到静压测量精度。对于亚声速民机，机身表面静压孔测量静压主要受飞机马赫数、迎角和构型的影响。根据CFD计算结果，采用均方差方法，确定飞机机身表面静压随马赫数和迎角变化不敏感的区域，结合飞机实际机体结构或其他设备布置的限制，确定了静压孔布局位置。采用风洞试验方法，验证静压孔测量特性，试验测量襟缝翼、扰流板、起落架以及地面效应对静压孔测量的影响量，为飞机静压修正提供重要输入。     

用于旋翼飞机开发研究的多分野解析框架（英文）

介绍了日本宇宙航空研究开发机构研发的用于旋翼飞机的多分野解析框架。Heli Design是在各种旋翼飞机初期概念设计时使用的软件;rFlight可以提供在各种飞行条件下的平衡解析和线性化飞行模型;rBET/RMT是基于叶片要素理论的低保真度空力解析软件,和rMode提供的结构模型结合,可以推测旋转翼的弹性变形和各种飞行条件下的空力负载;rFlow3D是基于CFD计算的高保真度数值模拟软件;rGrid系列自动网格构造工具为其提供简单的网格生成;基于rFlow3D的计算结果,r Noise可以预测在任何观测点的噪声。这些软件已经广泛地被应用在各种新型旋翼飞机的开发研究中,其计算精度也已被各种实验结果所应证。     

客机机翼气动/结构多学科优化方法

针对客机机翼特点,建立机翼外形和结构参数化模型;应用CATIA二次开发技术和PCL编程,实现气动分析模型和结构有限元模型的自动生成;分析了气动和结构之间的耦合关系,研究一种气动载荷自动加载到结构模型的方法;应用基于代理模型的二级优化方法求解机翼气动/结构设计多学科优化问题;在iSIGHT软件环境下实现机翼气动/结构多学科优化计算流程。算例结果表明,本文提出的机翼气动/结构多目标优化方法能获得关于升阻比和结构重量的最优解集,有助于设计人员确定合理的机翼总体参数。     

基于CFD/CSD大展弦比复合材料机翼的气动弹性分析

高空长航时无人机在飞行过程中受气动力的影响,机翼产生弯曲和扭转变形,这种弹性变形将严重影响飞机的飞行性能和飞行安全,不能将这种飞机机翼当作传统的刚性机翼进行气动分析。针对一大展弦比复合材料机翼,采用气动/结构耦合的分析方法,利用计算流体力学(CFD)软件FLUENT和计算结构动力学(CSD)ABAQUS联合求解,研究了大展弦比复合材料机翼在不同攻角下和复合材料的各向异性对机翼气动特性的影响。结果表明,大展弦比复合材料机翼受载变形之后机翼的升力系数,升阻比都比刚性体机翼略小,但是随着攻角的增加,弹性体机翼升力系数增加较快,甚至会超过刚体机翼的升力系数。调整机翼蒙皮处的碳纤维铺层角,气动特性变化明显,当铺层角在±45°时机翼扭转刚度达到最大;升力系数和升阻比达到最大。     

某型飞机局部结构改装振动响应增量预估

研究了某型飞机局部结构改装振动响应增量预估问题，根据对原型飞机和改装结构－加装天线罩的分析，提出了振动响应增量预估的分析原理，方法与技术路径，即以天线罩引起的气动载荷为输入，以天线罩及周围机身为受激对象，计算或测量天线罩上及机身内外某些点的振动响应增量。为此，本文通过缩尺模型的吹风试验，测量了天线罩上的脉动气动载荷，通过地面振动测量，测量了改装结构的频响函数，并进行了计算预估与模拟加载响应测量预估     

雷诺数对大后掠小展弦比飞机纵向气动特性影响修正的工程计算方法

在非线性迎角范围内，雷诺数通过对机翼脱体涡和前机身体涡影响来改变飞机的纵向气动特性。由于现有风洞条件所限，在这一范围内，使用变雷诺数试验方法把试验数据外插到飞行值非常困难。为解决这一问题，本文给出了一种基于全尺寸飞行前缘雷诺数计算出外露翼可得到的前缘推力系数，并通过风洞试验求出试验条件下机翼上可得到的前缘推力系数，从而获得雷诺数对气动特性影响量的工程计算方法。该方法适用于翼面产生脱体涡流型或脱体涡占优（涡破裂前）所引起的非线性问题。     

基于正交试验的联翼端板参数优化

为减小端板几何参数对联翼布局气动特性的影响,运用正交试验法针对联翼布局中端板的3个角度参数设计实验方案,采用CFD方法对模型进行仿真计算,分析其升阻比和俯仰力矩特性。结果表明,偏转角为影响升阻比和俯仰力矩的主要因素,外倾角和纵向夹角对两者影响较小。优化后模型比基准模型升阻比高,静稳定性更好。研究结果可为联翼布局设计提供理论依据。     

基于弹簧系统网格变形方法的旋翼气弹耦合分析

在旋翼气动弹性耦合（CFD/CSD）分析中引入弹簧系统网格变形方法，建立了一套适合于旋翼气动载荷分析的CFD/CSD耦合方法。为了解决CFD/CSD耦合中关键的网格变形问题，旋翼桨叶贴体网格变形采用基于“ball-vertex” 弹簧系统的动态网格方法，通过添加冗余约束，避免了畸形网格单元的产生。旋翼流场计算采用基于Navier-Stokes(N-S)方程的CFD模块，对基于运动嵌套网格 的空间流场进行求解，湍流模型采用B-L模型。结构分析采用基于中等变形梁理论的CSD模块，基于Hamilton变分原理建立旋翼桨叶动力学方程。首先对振荡NACA0012翼型的流场进行了求解，验证了网格变形模块和CFD模块的有效性，然后采用UH-60A直升机旋翼作为算例对结构动力学模块进行数值验证。在此基础上，计算了UH-60A直升机旋翼桨叶在前飞状态下的非定常气动载荷，并与飞行测试数据进行了对比。计算结果表明，文中的弹簧系统网格变形方 法可以有效地用于旋翼CFD/CSD耦合计算分析，提高了旋翼气弹载荷的预测精度。     

高速风洞飞机部件和外挂物同时测力试验研究

为了获得××飞机主要部件和外挂物的气动载荷,在气动中心高速所1.2m×1.2m风洞中进行了飞机部件和外挂物同时测力试验研究。在M=0.40～0.85,α=-4°～12°,β=-8°～8°的试验条件下,采用7台天平同时对该飞机主要部件(机翼、平尾和垂尾)及翼下外挂物进行了测量。结果表明:试验获得的飞机部件和外挂物气动特性变化规律合理,量值可靠。试验研究的成功,拓宽了风洞试验能力,提高了风洞试验效率。     

基于面元的数值化概念机模型几何特性估算

为了获取三维数值化概念机模型的浸润面积和横截面积等几何特性．本提出了一种基于离散化面元的估算方法。在以大量的离散面元表示每个部件曲面的前提下．通过累加不被其他任意部件曲面所遮挡的面元的面积来估算一个部件曲面的浸润面积。离散出的面元还被用于求取全机这样的组合曲面在某一站位处的横剖面多边形．而横截面积则用累积多边形不被其他任意部件遮挡的各边与参考轴间的梯形面积予以近似。该方法在一个计算机辅助飞机概念设计系统中的实际应用表明,它可以方便地应用于不同类型的概念机模型．且估算精度满足概念设计阶段的需要。     

客机总体方案的综合评价方法

从民用飞机的经济性、环保性、舒适性和适应性出发,运用层次分析法建立多级层次结构,形成民机总体方案的综合竞争力评价模型。给出了民机方案各性能指标的量化方法,将设计准则转化为具体的民机性能指标。引入多人评价机制,提高评价模型各层级权重分布的合理性。应用本文方法对两种大型客机总体方案进行了综合评价,结果表明该方法能明确地识别出竞争力较高的设计方案,且评价结果具有合理性。算例表明该综合评价模型可用于民机总体方案的优选。     

高超声速飞行器参数化几何建模方法与外形优化

飞行器几何建模是进行外形优化设计的基础,针对尺寸和形状驱动的飞行器外形参数化几何建模要求,采用类型函数/形状函数变换技术,建立面向族的参数曲面,通过调整少量尺寸参数或类型函数/形状函数控制参数,可以衍生出多种设计构型,且相互转换十分便捷。相比现有CAD和二次曲线建模方法,在模型简化和设计变量数量有效控制方面具有优势。升力体和乘波体两种典型布局飞行器的外形建模与应用表明方法简单、有效、适应性强,可以满足飞行器概念设计阶段外形优化的要求。     

飞机初步设计中的响应面方法

通过对最优试验设计理论中响应面方法(Response Surface Methodology)的研究,提出一种可用于飞机总体设计阶段方案优选和参数分析的新方法。以某型无人驾驶飞机为例,描述了该方法的具体实施过程。实例表明,该方法具有满意的精度和较高的经济性。     

基于多Agent的机身外形优化模型

提出了一个基于多Agent系统的机身外形优化模型,并将其用于飞机概念设计阶段的多学科优化中。该模型继承了多Agent系统的自主、协作等优点,并且结合了机身段和机身剖面的建模方法。提出并定义了不同类型的Agent及其功能,对各类Agent选用了不同的协调方式及协调规则。作为对模型的验证,针对一个战斗机方案多学科优化设计的算例,给出了机身外形中各Agent的协调过程。优化结果表明这一模型在优化过程中能有效地减少机身的优化变量,缩短计算时间。同时,由于各Agent之间的自主协调避免了复杂机身外形在优化中产生扭曲,从而增加了可行解的数量。     

喷气公务机总体参数和性能统计分析

按照飞机设计的基本原理，通过对现有喷气公务机总体参数和性能数据的统计分析，寻找它们之间可能存在的内在关系，得到了10个经验公式，包括使用空重与起飞重量、燃油重量与起飞重量、着陆重量与起飞重量、机翼面积与起飞重量、机翼面积与使用空重、机身长度与使用空重、内部容积与人重以及推力、巡航速度、后掠角、展弦比等一些组合参数之间的数学关系。另外还得到了推重比、翼载荷等常用参数的取值范围。这些统计结果为公务机概念设计提供了一些有用的数据。     

用适应性理念指导短程客机概念设计

提出一种适应性设计理念,以应对飞机概念设计中用户需求、竞争环境、先进技术成熟度等不确定性因素。其基本思想是在飞机概念设计中应事先为后继机型应用新技术预留发展空间,以便后继机型能适应新的用户需求和竞争环境。根据适应性设计的理念,对一种短程客机的基本机型及其后继机型进行了概念设计。短程客机基本型采用尾吊布局型式,目的是为后继机型应用新型发动机和先进机翼气动技术预留发展空间。基本机型N1配装齿轮传动涡扇发动机和超临界后掠翼;第二代机型N2-A和N2-B分别采用开式转子发动机或小后掠自然层流机翼技术;第三代机型N3同时采用开式转子发动机和小后掠自然层流机翼技术。基本型与后继机型自然过渡,形成飞机族,具有很好的继承性。对飞机族的评估表明,两种第二代机型的油耗比基本型分别低17%和7%;第三代机型的油耗比基本型低26%。整个客机系列具有很好的可持续发展能力。     

火箭助推发射飞机模型设计方法研究

火箭助推发射是无人机起飞的一种形式．模型飞机火箭助推发射试验是采用自由飞模型试验的形式，按运动相似条件进行的．模型飞机应符合几何相似、质量相似、运动相拟和动力相似等条件．本文以＂长空＂无人机的１．５模型为例，介绍了无人机模型设计参数的选择以及有关的设计计算和调试方法．以三种火箭助推发射形式进行的试验结果证明，飞机模型的设计方法是可靠的，对于进一步研究火箭助推发射无人机具有参考价值．     

“长空一号”无人机系列的研制与发展

本文分为三个部分:一、介绍“长空一号”无人机系列的设计特点和技术性能;二、论述研制过程中几个主要技术关键,诸如飞行轨迹设计、供油系统设计、爬高平飞后振荡问题、发动机中小转速下工作的试验和分析、高机动飞行的控制系统设计和供油系统设计等:三、评估该无人机系列的技术水平。     

多目标约束下的民机舱室气流组织优化研究

民机客舱内的气流组织和人体热舒适性受到送风形式、送风温度和风量等多种因素的影响。在现代民机舱室设计中,客舱新风的送风形式很大程度逐渐受限于舱室美学设计方案。本文采用CFD流体仿真技术,结合客舱内饰设计对民机客舱的热环境和舱内人体热舒适性进行研究。本文建立了适用于民机客舱热环境仿真的多目标优化方法,对新型行李箱结构设计下的顶部送风口的位置进行优化分析,优化结果能够明显改善民机客舱内的空气分布和乘客的热舒适性。研究发现新型行李箱结构会使得顶部新风产生贴壁流动的康达效应。康达效应会很大程度上改变顶部新风的流动轨迹,影响新风利用率和乘客的舒适性。