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。     

欧美翼身融合大型民机方案综述

未来航空运输市场对大型民机提出了更严苛的要求,采用翼身融合构型成为提升未来民机综合性能的重要发展方向,引起各大飞机厂商和科研院所的广泛关注。从布局变革、方案演变以及关键技术成熟度提升等多方面出发,比较详细地论述了欧美各国在翼身融合方案设计领域的探索研究工作。重点对美国N+2/N+3计划、欧盟第五框架计划中研究的多个主流方案进行分析,并对其中涉及到的系列化、应急撤离、动力集成以及气动设计等问题的研究现状进行了阐述,介绍了各方案针对上述技术问题的解决方式和思路。最后总结了翼身融合布局在未来大型民机上应用所面临的挑战,并对新构型的发展趋势以及前景进行了展望,对我国未来民机新构型方案的发展具有一定的参考价值。     

超声速民机总体气动布局设计关键技术研究进展

超声速民机已成为世界民机未来发展的主要方向之一。超声速民机由于涉及声爆等一系列特殊的技术问题，比亚声速民机的性能要求更苛刻，对总体气动布局设计提出了更高要求。首先，根据设计思想和主要技术特点，将世界迄今为止的代表性超声速民机布局方案划分为三代：第1代布局主要旨在实现民用超声速飞行并兼顾高低速性能，基本为三角翼/双三角翼布局；第2代布局更加重视低声爆/低阻性能，主要采用大后掠箭形翼布局；第3代布局在低声爆/低阻要求基础上，更加注重多学科综合性能和技术可行性，主要采用“大后掠机翼+鸭翼/T尾/V尾布局和发动机短舱背负式/尾吊式”的布局。其次，梳理了新一代超声速民机总体气动布局设计目前面临的技术瓶颈和难点，对总体设计技术、低声爆设计技术、超声速减阻技术和飞-发一体化设计技术的国内外研究进展和现状进行了综述和分析。最后，展望了新一代超声速民机总体气动布局的发展趋势，针对仍需突破的关键科学与技术问题，探讨了重要研究方向。未来将优先发展超声速公务机或中小型超声速民机，其布局技术特点趋近于第3代布局，声爆、减阻、飞-发一体化、起降噪声、气动弹性、人机功效等方面的综合性能和工程可实现性将成为重点研究对...     

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。     

翼身融合布局低速验证机前缘缝翼设计

翼身融合布局是未来民机最有可能实现的非常规布局形式,其气动布局方案的验证通常采用缩比模型飞行试验的方式进行。以某翼身融合布局低速验证机为研究对象,以数值计算方法为基础,分析了其在飞行试验中存在的纵向和横向不稳定现象,提出了改善的方案——增加前缘缝翼。对此验证机进行前缘缝翼的气动布局设计、典型翼型的二维前缘缝翼设计和机翼三维前缘缝翼的气动设计,利用数值计算方法对设计结果进行纵向和横向分析。结果显示,所设计的前缘缝翼可以明显地增大验证机的失速迎角,改善其纵向力矩特性和横向特性。     

民机技术的新发展

本文分析了新世纪民用飞机的发展趋势，介绍了近年来总体、气动、结构强度、设计基础和适航试飞等民机特有技术的新发展，这些技术的发展方向对于国内自行研究民机技术具有很好的借鉴和指导作用，并就如何尽快提高我国的民机技术水平提出了一些措施和建议。     

翼上大涵道比发动机BWB布局一体化气动优化

考虑动力影响的气动布局一体化设计是挖掘飞行器设计潜力的重要环节。基于非结构混合网格并行RANS求解器，面向消除梯度计算量对设计变量个数以及变形网格技术的依赖性需求，进行了全过程离散伴随方程的推导。在构造离散伴随方程的基础上，通过迭代反压调整建立精确流量控制进排气数值模拟技术，并推导离散伴随方程边界条件矩阵。进一步以某翼上安装大涵道比发动机翼身融合(BWB)布局为研究对象进行了一体化设计研究。优化结果表明，所提出的优化方法显著提升了气动性能，验证了方法在强约束、考虑动力影响的一体化设计问题中的实用性，为未来翼上布局民用飞机设计提供有力的技术支撑。     

翼身融合布局民机非圆截面机身结构设计研究综述

翼身融合布局飞机具有大升阻比、低阻力、低噪声等优点,是未来民机最具潜力的发展方向之一;但由于特殊布局所采用的非圆截面增压机身,给翼身融合布局民机结构设计带来了巨大挑战。为了降低非圆截面机身承受增压载荷时产生的高弯曲应力、提高机身结构稳定性及承载效率,翼身融合民机机身结构设计先后经历了圆柱组合式多舱室机身、双蒙皮多舱室机身、带加强支撑的盒式机身、基于拉挤杆缝合高效一体化结构（Pultruded Rod Stitched Efficient Unitized Structure,PRSEUS）的盒式中央机体等发展阶段,其中最具承载优势和可实现性的是由美国国家航空航天局NASA和波音公司共同提出的基于PRSEUS盒式中央机体结构设计方案。PRSEUS结构不仅充分利用了复合材料一体化缝合、整体共固化、低成本等制造优势,而且具有抗拉伸/压缩、多路径止损/止裂、刚度和稳定性裕度大、承载效率高、易金属修补等优异的力学特性,已被拓展应用到了翼身融合民机机翼等结构设计中。本文以非圆截面机身结构设计为重点,回顾了翼身融合民机结构设计发展历程;从整机身结构、关键部件结构、整机优化设计等方面详细阐述了翼身融合民机结构设计的研究进展与发展现状,基于国外相关技术研究发展趋势,提出了中国翼身融合民机机身结构设计研究未来需要重点关注的方向。     

自由曲面修形技术在民机翼身组合体上的应用

翼身结合处的整流在民机气动中有很重要的作用,需要设计合适的外形以调整机翼上表面的压力分布及翼身结合处的气流,达到提高大型民用客机翼身组合体气动性能的目的.基于CATIA的自由曲面修形技术,采用自由曲线B样条的参数化方法,综合考虑工程约束(起落架布局),对民机构型翼身结合处进行了整流设计,并采用求解N-S方程的方法计算样...     

某民机尾翼布局对全机稳定性影响分析

利用CFD手段,对下单翼尾吊布局民机的两种不同尾翼布局形式进行计算,分析两种不同尾翼布局对全机的纵向、航向稳定性的影响,结果表明,对于下单翼尾吊布局的民机,气动上"T"型尾翼布局更具优势。     

双三角翼布局歼击教练飞机的概念优化设计

双三角翼气动布局比三角翼飞机具有更好的大攻角空气动力特性。引入了评估教练机训练效能的作战分析法 ,研究了双三角机翼布局飞机空气动力特性的工程计算途径以及飞机性能指标的确定方法。以训练效能作为目标函数并选取机翼平面形状的几何参数为设计变量 ,采用多变量数值寻优方法 ,在战术技术指标及相关几何约束条件下 ,对某高级教练机的双三角机翼气动布局方案进行了优化选择。算例表明最优方案不仅比原准方案具有更高的训练效能 ,还改善了结构的受力情况 ,与工程实践吻合。     

基于伴随理论的大型客机气动优化设计研究进展

大型民用客机的气动设计具有巡航马赫数高、部件间流动干扰复杂、外形精细化修形难度大等特点,完全依靠人工试凑法进行气动设计工作量巨大。基于高可信度数值模拟的优化设计技术可以对该类问题进行自动寻优设计,给设计师提供有力参考,因此在大型民用客机气动设计中发挥着越来越显著的作用。首先,以大型民用客机为背景,总结了民机气动设计中的关键科学问题,指出了梯度优化设计方法在民用客机不同优化设计问题中的适用性,并进一步对梯度求解中的伴随方法理论进行了详细介绍。然后,分析了基于伴随理论的气动优化设计方法以及气动结构多学科优化设计方法在民用客机设计中的研究进展,其中气动优化设计方面着重突出了复杂全机多部件气动外形优化设计方法以及飞机/发动机一体化优化设计方法。最后,对基于伴随理论的气动优化设计方法在大型民机中的应用进展进行了提炼,对未来发展趋势进行了展望与建议。     

民用飞机气动外形数值优化设计面临的挑战与展望

系统回顾了气动外形优化的主要环节,对优化体系中学科分析、参数化建模、网格重构技术、敏度分析、优化算法、代理模型、目标函数/约束处理等各个环节的进展,及气动综合优化面临的挑战、基础科学问题进行了总结。结合课题组在优化体系建设上开展的研究工作,针对民用飞机气动外形综合设计的需求,提炼了工程型号对优化体系构建的具体要求。并对今后的研究工作以及未来发展方向进行了展望与建议。通过文章系统整理论述,希望能够为气动数值优化设计研究人员提供一些有意义的建议和参考,促进设计空气动力学、以及多学科优化技术的发展。     

大型客机气动设计综述

中国大型客机研制过程中追求"三减，四性"：减阻、减重、减排，安全性、经济性、舒适性、环保性。中国大型客机采用翼下常规布局形式，放宽静稳定技术，发动机选用CFM公司Leapx-1C发动机，这对气动设计技术在工程适用性上提出了极高的要求。大型客机是中国第1架完全自主知识产权民用飞机，本文综述了其设计过程中采用的先进气动优化设计方法、CFD分析和充分的风洞试验验证，说明了超临界机翼设计、高效增升装置设计、飞机/发动机一体化设计、尾翼设计、翼梢小翼设计和部件精细化减阻设计技术，能实现大型客机的减阻应用设计。研究表明，中国大型客机在气动设计水平和设计方法上取得了一系列的进展和突破，实现了设计具有较强竞争力的先进民用飞机的目标。     

国外航空疲劳研究现状及展望

航空疲劳问题是影响在研/在役飞机性能的关键因素之一。以航空疲劳事故为线索,本文论述了航空结构强度设计理念的变革历程以及相应各时期的航空疲劳发展现状,并围绕21世纪以来国际航空疲劳界的关注热点,从结构长寿命设计、疲劳分析方法及工具、全尺寸结构疲劳试验技术、结构健康监测技术、老龄飞机延寿技术等五个方面阐述了航空疲劳工程领域的重大研究进展及方向。考虑目前航空疲劳工程中的问题及未来航空器的发展方向,从航空疲劳评定基础问题、长寿命设计应用问题、试验评估及数字化新技术等方面指出航空疲劳研究所面临的挑战,以满足现代飞机长寿命、轻质和高可靠性设计要求,为航空疲劳未来发展提供技术参考。     

数字孪生技术在飞机设计验证中的应用

随着工业4.0技术的发展,数字孪生技术正在不断渗透到工业生产和新产品研发的各个领域,并为新产品研发带来综合性能整体优化、研发成本降低、研制周期缩短等优势,是提升新产品市场竞争力的重要手段。在现代民用飞机研发过程中,从型号需求、初步定义、详细设计、生产试制、试飞取证和运营维护等产品全生命周期内,都可以利用数字孪生技术,实现虚拟和物理的无缝对接,尤其在飞机设计验证方面,更可以做到更优、更广、更快、更省。然而,在我国民用飞机研制项目中,还未形成数字孪生应用体系。本文通过对飞机架构模型设计、多模型构架集成以及模型参数辨识和验证几个方面,对数字孪生技术在飞机设计验证过程中的应用技术进行了探讨。经研究发现,数字孪生技术对飞机型号研制各阶段的设计验证,尤其是集成试验验证提供了重要的指导作用和技术支持,为民用飞机适航验证和运维服务提供了更快、更经济、更强有力的支持与保障。     

基于参数辨识原理的飞机参数分析及算法研究

提出一种在飞机概念设计中基于参数辨识理论的设计参数分析方法。在给定的设计重量和任务剖面要求下,利用基于物理的运动方程和动力学方程模型辨识出飞机气动力参数,并在总体性能评估的基础上进行设计参数分析,给气动设计提供了设计参考;在辨识过程中针对参数可行域离散度很高使得很难收敛到Pareto解的问题,提出了将神经网络预测模型融合到遗传操作过程,使得尽量在可行域内搜索。最后通过对某客机进行算例分析,表明基于辨识理论的参数分析方法和改进的算法是合理和可行的。与一般经验公式方法相比,该方法对布局类型的限制较小,在满足概念设计参数分析准确度要求的条件下能够为下一步的气动设计提供设计指标。     

Effects of stability margin and thrust specific fuel consumption constrains on multi-disciplinary optimization for blended-wing-body design

Blended-Wing-Body(BWB) configuration, as an innovative transport concept, has become a worldwide research focus in the field of civil transports development. Relative to the conventional Tube-And-Wing(TAW) configuration, the BWB shows integrated benefits and serves as a most promising candidate for future ‘‘green aviation". The objective of the present work is to figure out the effects of the stability margin and Thrust Specific Fuel Consumption(TSFC) on the BWB design in the framework of Multi-Disciplinary Optimization(MDO). A physically-based platform was promoted to study the effect static stability margin and engine technology level. Low-order physically based models are applied to the evaluation of the weight and the aerodynamic performance. The modules and methods are illustrated in detail, and the validation of the methods shows feasibility and confidence for the conceptual design of BWB aircrafts. In order to find out the relation between planform changes and the selection of stability and engine technology level, two sets of optimizations are conducted separately. The study proves that these two factors have dominant effects towards the optimized BWB designs in both aerodynamic shapes, weight distribution, which needs to be considered during the MDO design process. A balance diagram analysis is applied to find out a reasonable static stability margin range. It can be concluded that a recommended stability margin of a practical BWB commercial aircraft can be half of that of a conventional TAW design.