翼身融合布局民机高低速协调设计

翼身融合（BWB）布局作为一种创新的布局形式，成为未来民用飞机发展的热点。与传统布局相比，BWB布局具有综合优势，是以安全性、经济性、舒适性和环保性为发展目标的下一代大型民用飞机的理想布局。针对BWB布局低速飞行性能不易满足"绿色航空"发展目标的技术现状，分析当前BWB布局高低速综合设计中出现的问题和面临的挑战，提出了改善低速性能的应对策略。通过总体参数对高低速性能的影响规律研究，分析了影响高低速协调设计的各种因素，指出翼载是影响高低速协调设计的核心参数。基于项目组长期研究工作，提出了综合考虑高低速性能的BWB布局设计要求，建立了高速向低速适当妥协，综合平衡高低速矛盾的设计思想，给出了由三点技术措施构成的高低速协调设计原则。根据本文提出的高低速协调设计思想和设计原则，采用多学科综合优化和气动综合设计方法，进行了概念方案的高低速协调设计，获得了高低速协调、综合性能优异的概念设计方案。CFD分析和风洞试验验证结果表明，协调设计后的概念方案，在保持优异巡航性能的同时，显著提高了低速性能，降低了对增升能力的需求，减小了高升力状态力矩平衡措施的设计压力，达到了保证巡航效率和提升低速性能的协调设计目标。本文提出的高低速协调设计思想和设计原则为提升BWB布局低速性能提供了新的思路和方法，可应用于翼身融合类民机布局研究，并可为其他用途翼身融合类飞机设计提供参考。     

翼身融合布局与传统布局飞机结冰特性对比分析

翼身融合（BWB）布局是提升未来民机综合性能的重要布局方式，其结冰飞行安全问题逐渐受到人们重视。针对翼身融合布局飞机与常规布局飞机的结冰问题，本文通过数值模拟的方法来开展结冰特性研究。本文提出基于Navier-Stokes方程对空气流场进行求解，并应用欧拉法计算水滴撞击特性，之后采用Shallow-Water结冰热力学模型的结冰计算方法。首先，通过将翼身融合布局飞机和传统布局飞机的计算结果与风洞试验数据进行对比，验证空气流场计算的正确性，并将两者进行对比分析；其次，数值预测飞机表面冰形的特征，将两种布局飞机结冰特性进行对比，结果表明，结冰对两种布局飞机气动外形的破坏程度从后掠翼翼根至翼尖逐渐变大，但传统布局飞机结冰只发生在机翼前缘和机头处，而翼身融合布局飞机前部几乎都发生了结冰，可为相关的结冰特性研究及防除冰设计提供技术参考。     

民用飞机二维增升装置设计

为满足民机市场对飞机高效、经济的需求,飞机在巡航飞行阶段必须具有飞行速度高、阻力小等特性,具体到气动设计方面,就要求飞机的机翼具有较大的翼载荷,即减小机翼面积以减小阻力,这给飞机起飞着陆阶段使用的增升装置的设计提出更高的要求。运用计算流体力学的方法进行了民用飞机二维增升装置,即多段翼型的设计,得到了良好的设计结果,并验证了在二维增升装置设计过程中采用前缘缝翼外形设计——带前缘缝翼进行后缘襟翼外形设计——前后缘增升装置缝道参数优化——起飞、着陆构型协调的设计路线图的可行性与有效性。     

单级入轨运载器气动布局研究

对单级入轨运载器气动布局进行了研究,设计了一种翼身融合体气动布局,并进行了布局优化。计算结果表明该布局在Ma=6的时候,最大升阻比Kmax可以达到3.755,从高速到低速都能维持在4左右。通过与已有乘波体方案的对比,表明新设计的翼身融合体是一种很有潜力的单级入轨运载器气动布局可选方案。     

关于翼身融合体超大型旅客机最新的调查与研究

“飞翼”型或翼身融合体布局的亚音速长运距、超高容量的旅客机在直接使用费用和燃油效率方面具有显著的优势，然而，这种主要在布局上的变化给研制发展和使用带来很大的困难。能够给“纯飞翼”和传统的飞机之间起到连接作用的混合性布局，可以在很大程度上战胜并克服这些困难，同时又能保持飞翼一高升阻比的主要优势，我们把这种混合型方案称之为翼身一体化方案。翼身一体化方案的技术风险小，在生产和使用传统的飞机时通用性高，而且旅客的舒适性和安全性也高。文章对750座级的翼身一体化飞机以及它可能具有的特性作一简单介绍并与相同容量飞机作一简单地比较和评估。     

边界层抽吸效应对分布式推进系统气动性能影响数值研究

为探究边界层抽吸（BLI）效应对飞机的气动性能影响,采用基于沿流线体积力模型的飞机/发动机一体化数值模拟方法对某分布式推进系统进行了计算和分析。结果显示,BLI效应主要影响飞机中心体部分及发动机外整流罩的气体流动,对翼身融合体（BWB）的融合段及外翼段的升阻力影响较小。保持飞行条件和飞行攻角不变,飞机的升、阻力系数均随着无量纲化的发动机流量增加而增大,存在最佳无量纲化的发动机流量对应最大升阻比。发动机的安装位置直接影响机身表面的局部超声区和整流罩外的激波分布,布局在机身尾缘处会获得更好的升阻比,最大升阻比对应的无量纲化的发动机流量为0.65。      

翼身融合布局缩比模型飞行试验动力影响分析

动力系统的进排气效应是影响翼身融合布局飞机俯仰力矩特性和全机纵向配平的重要因素。为了研究动力对全机俯仰力矩的影响,基于飞行动力学方程,提出了一种动力影响计算方法。以某翼身融合布局缩比模型为研究对象,结合风洞试验数据,分析了模型飞行试验中爬升段、平飞段和下降段动力对全机俯仰力矩系数的影响,同时计算了迎角测量误差对俯仰力矩计算结果的影响。分析结果表明:动力使该翼身融合布局缩比模型低头力矩增加,会对全机纵向配平产生不利影响;迎角测量精度对俯仰力矩计算结果有较大影响。     

美国透露新一代民用飞机计划进展

最近,美国三大飞机制造商所领导的研究团队透露了各自的新一代绿色民用飞机概念方案,分别是波音公司团队的翼身融合体;洛克希德·马丁公司团队的盒式机翼设计和诺斯罗普·格鲁门公司的无尾飞翼布局。     

外吹式动力增升技术在大型运输机上的应用研究

介绍了机械式增升装置和动力增升装置的工作原理与技术途径，描述了外吹式襟翼系统构型设计和操纵机构设计，研究了该系统的空气动力特性、飞行品质和发动机短舱、机翼展弦比及后掠角等参数对系统的影响。提出外吹式增升装置设计中若干需要解决的问题。认为外吹式襟翼装置是常规布局大型运输机的最佳选择。     

250座级翼身融合无尾布局客机操稳特性设计研究

 翼身融合(BWB)飞翼布局是未来新一代客机的热点方案之一,然而由于没有常规尾翼,面临着稳定性和操纵性方面的困难。为此,在一架250座级BWB客机布局设计研究基础上,根据平衡、增稳和机动等要求,设计了操纵面配置方案;根据适航要求和电传飞机飞行品质要求设定增稳目标,并将其直接纳入特征结构配置要求中,通过前向通道修正响应类型,保证获得与飞行阶段相适应的响应特征和满意的飞行品质参数;为了提高安全性,在增稳控制设计基础上,在指令回路增设了姿态保护和限制模块。研究结果表明, 该设计方案能够提供较合适的稳定性和操纵性,控制增稳后具有满意的飞行品质,保护模块可达到预期效果。     

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。     

电传操纵飞机起飞着陆动态特性仿真研究

 以刚体系动力学理论为依据,结合飞机起飞着陆运动学特征,建立了起落架-机身组合刚体6自由度全量飞机方程。提出的阶跃跟踪驾驶员时域数学模型,有助于评价起飞着陆阶段人-机系统的飞行品质。然后建立机械操纵系统、电传操纵系统的数学模型,并编制非线性全量时域仿真程序,对起飞着陆动态特性做出了综合的全面的定量分析,其结果与试飞情况吻合。     

Multi-body dynamic system simulation of carrier-based aircraft ski-jump takeoff

The flight safety is threatened by the special flight conditions and the low speed of carrier-based aircraft ski-jump takeoff. The aircraft carrier motion, aircraft dynamics, landing gears and wind field of sea state are comprehensively considered to dispose this multidiscipline intersection problem. According to the particular naval operating environment of the carrier-based aircraft ski-jump takeoff, the integrated dynamic simulation models of multi-body system are developed, which involves the movement entities of the carrier, the aircraft and the landing gears, and involves takeoff instruction, control system and the deck wind disturbance. Based on Matlab/Simulink environment, the multi-body system simulation is realized. The validity of the model and the rationality of the result are verified by an example simulation of carrier-based aircraft ski-jump takeoff. The simulation model and the software are suitable for the study of the multidiscipline intersection problems which are involved in the performance, flight quality and safety of carrier-based aircraft takeoff, the effects of landing gear loads, parameters of carrier deck, etc.     

新概念机翼尾流特性实验

大型飞机常采用开启襟翼以增大机翼升力系数,实现较大迎角的起飞和降落,而机翼在大迎角状态下,翼尖会产生能量集中且自由消散时间长的飞机尾涡,严重影响后续起降飞机的安全。基于Rayleigh-Ludwieg不稳定性,提出一种新概念飞机襟翼布局,通过水槽实验发现:新概念布局的襟翼对翼尖涡的消散具有明显的促进作用,不同参数组合下襟翼涡对翼尖涡的运动特性和能量变化的影响均有不同。实验结果也为飞机尾流控制的研究提供了参考,在满足飞行力学设计的基础上,合理运用增升装置构建四涡系统可以有效促进飞机尾流的消散,提高机场飞机起降效率。     

水翼型水上飞机偏转机翼布局数值研究

针对水上飞机水面起飞过程阻力峰值较大,提出一种可偏转机翼水翼型水上飞机,飞机水面滑行时偏转机翼割划水面产生水动升力将飞机抬离水面,空中飞行时偏转机翼根据飞行条件可偏转角度。采用空气动力和水动力耦合求解并结合动力学平衡方程方法分析了该布局水动特性并进行空中巡航气动特性分析,同时计算同尺寸双浮筒型水上飞机,比较两种构型水动与气动特性。数值计算结果表明,水面起飞过程中双浮筒型水上飞机总阻力峰值约为水翼型水上飞机偏转机翼布局的1.97倍；飞机空中飞行时,偏转机翼偏转角为0°时气动性能最优且所受阻力低于双浮筒型水上飞机,从而证明了水翼型水上飞机偏转机翼布局能够有效提高水上飞机的水动与气动性能。     

A Hazard Analysis-based Approach to Improve the Landing Safety of a BWB Remotely Piloted Vehicle

The BUAA-BWB remotely piloted vehicle (RPV) designed by our research team encountered an unexpected landing safety problem in flight tests. It has obviously affected further research project for blended-wing-body (BWB) aircraft configuration characteristics. Searching for a safety improvement is an urgent requirement in the development work of the RPV. In view of the vehicle characteristics, a new systemic method called system-theoretic process analysis (STPA) has been tentatively applied to the hazardous factor analysis of the RPV flight test. An uncontrolled system behavior "path sagging phenomenon" is identified by implementing a three degrees of freedom simulation based on wind tunnel test data and establishing landing safety system dynamics archetype. To obtain higher safety design effectiveness and considering safety design precedence, a longitudinal "belly-flap" control surface is innovatively introduced and designed to eliminate hazards in landing. Finally, flight tests show that the unsafe factor has been correctly identified and the landing safety has been efficiently improved.     

支线客机和涡扇发动机的总体参数统计分析

为设计某大型支线客机总体方案,在自行设计支线客机总体参数数据库的基础上,应用统计方法对支线客机总体参数和涡扇发动机总体参数进行分析,获得了一些有用的统计关系式,包括使用空重和最大起飞重量、后掠角与展弦比、进近速度与着陆场长等飞机总体参数之间的统计关系式和起飞推力与发动机风扇直径、起飞推力与发动机净重、起飞推力与短舱长度等涡扇发动机参数之间的统计关系式。这些统计结果为大型客机方案设计提供了一定的参考。     

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.     

计入螺旋桨干扰的倾转机翼飞行器气动特性研究

倾转机翼飞行器不仅拥有直升机固有的垂直起降能力,还具备传统固定翼飞行器特有的高速巡航的特点,是目前军民用飞行器研究的热点之一。针对传统倾转机翼飞行器存在螺旋桨气动效率低、倾转机构复杂的问题,提出四发串列式倾转机翼垂直起降布局形式,对该布局飞行器进行总体设计,完成螺旋桨周围流场特性、螺旋桨间干扰特性、螺旋桨和机翼之间干扰特性的研究分析,并制作验证机进行验证。结果表明:该布局很好地解决了螺旋桨气动效率低、传动机构复杂的问题,具有较强的可实现性及实用性。