Entropy based inverse design of aircraft mission success space in system-of-systems confrontation

This paper presents a practical and efficient design method for aircraft Mission Success Space (MSS) based on the entropy measurement (EM). First, fundamentals regarding MSS, Inverse Design (ID) and entropy are discussed. Then, two EM schemes of entropy-based ID and the whole MSS ID procedure are given to demonstrate alternative ways of entropy quantification and MSS design. After that, Genetic Algorithm (GA) is utilized as a search algorithm to find the optimal MSS design with the minimum objective, entropy, in each EM scheme. A simulation case of aircraft penetration mission is given for the method validation where the best aircraft MSS design is obtained by GA according to the minimum entropy. Results from two schemes are compared at the end.     

Inverse design of mission success space for combat aircraft contribution evaluation

This paper presents a novel design method of the Mission Success Space (MSS) for the evaluation on aircraft contribution effectiveness. MSS concept was proposed for giving success criterion of a mission and judging the success by conventional mission effectiveness with regards to the aircraft capabilities. This space is created by the Mission Success Function (MSF) and the original Effectiveness Index Space (EIS) where empirical equations are usually assumed to be MSFs. Based on this MSS concept, this paper firstly defines the MSS-based evaluation, then further summarizes the evaluation process of the Contribution to System-of-Systems (CSS). More importantly, based on the thought of Inverse Design (ID), a new design method of MSF is presented comprehensively analyzing aircraft’s CSS in a combat mission without using any empirical MSF. The definition of MSS based ID is given and the design procedure is sequentially introduced. Two different confrontation cases are depicted with many details as the simulation validation: Air-to-ground and Penetration. There are two design variables considered for designing MSS in the latter case while only one for the former. However, in both cases, the best design is given by evaluating the Gaussian fitting performance of CSS.     

基于模型的多电飞机能源优化特性仿真分析

多电飞机是一种用电能部分取代原来的液压能和气压能的飞机,其二次能源系统以电能为主。为实现多电飞机能源系统的优化设计,将飞机的发电、配电和用电集成在一个统一的系统内,实行发电、配电和用电的统一规划、统一管理和集中控制。为快速有效地分析多电飞机能源系统优化特性,本文采用基于模型的系统工程方法论,针对多电飞机能源优化仿真分析平台开展研究,提出了一种面向电气设备的多物理域模型建模方法,以实现机载系统的大规模集成仿真。并以飞控系统为对象,建立了多电飞机飞控系统和传统飞机飞控系统的能量利用、能量传送、能量变换设备等仿真模型,仿真分析了两种飞控系统的能源应用特性,为多电飞机能源系统的优化设计提供了有效支撑。     

军用教练机任务可靠性预计方法研究

 完成任务成功概率(MCSP)是军用飞机的一项重要的可靠性指标,在可靠性设计中必须反复进行预计。飞机整机的任务可靠性预计国内尚未有先例。本文从工程实践中总结了一套预计军用教练机MCSP及系统的任务可靠度的方法,比较全面地论述了任务可靠性框图的特点,并提出了一个计算军用教练机MCSP的实用数学模型。     

基于变精度遗传算法的翼型快速优化设计方法

低碳环保的电动飞机在要求较高升阻比的同时,需要尽量降低成本、缩短研制周期。但高精度的数值模拟时间代价很大,因此针对电动飞机翼型设计中初始翼型较难选取、优化速度较慢的问题,提出了一种基于变精度遗传算法的翼型多点快速优化方法。以常用的 Hicks-Henne 型函数为基础,改进了其对翼型后缘描述不精确的问题。在数值模拟阶段,介绍了一种快速气动参数计算软件XFOIL,并分析了该软件的适用性与局限。之后给出了使用XFOIL 与 Matlab 进行联合求解的方法,在无人干预的情况下完全实现了翼型设计与优化的自动化,提高了设计效率。在翼型优化阶段,为保持较高的精度和寻优效率,设计了翼型参数的实数编码方法。针对传统遗传优化算法了改进,设计了染色体变精度杂交方法以及动态惩罚方法。最后,给出了基于遗传算法的多点优化方案,以及翼型多目标快速优化一体化设计方案。仿真分成两部分进行,首先改进的 Hicks-Henne 型函数能够有效实现参数化翼型的后缘夹角改变。通过与 NSGA-II 方法的优化结果对比,本文的方法在一定迭代次数范围内获得的升阻比更高,失速特性更加缓和,特别是在综合提高翼型优化效率方面表现较好。仿真结果表明,该方法能够快速获得多种工况下具有较高升阻比的翼型,也可以作为进一步优化的初始翼型,能提高翼型优化效率。     

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。     

超声速低声爆布局分层优化方法

声爆抑制是发展新一代超声速民机必须突破的关键技术。总体布局参数的合理设计可以使飞行器具有良好的声爆特性。为了提高全局进化算法在布局设计中的优化效率,提出一种基于数据挖掘的分层优化方法,利用数据挖掘中的决策树算法提取设计知识,获得设计变量分层信息,指导低声爆布局分层优化;针对某超声速低声爆飞行器,选取后掠角、上反角、展弦比、梢根比、长细比五个总体布局参数作为设计变量,开展分层优化数值实验,并与一体化优化形成对比验证。结果表明：分层优化方法能够搜索到与一体化优化高度吻合的最优解,分层优化的收敛速度显著高于一体化优化,且对随机寻优历程的表现更稳健。     

多学科设计优化在非常规布局飞机总体设计中的应用

以飞翼布局飞机总体设计为例,展示如何将多学科设计优化(MDO)方法有效地应用于非常规布局飞机总体设计.基于二级优化方法,提出一种飞机总体MDO实施流程.该流程包括系统级优化、子系统级优化(或评估)和多学科模型生成器3个部分.系统级优化的任务是优化全局设计变量,使系统目标最优.子系统级优化涉及的学科包括气动、隐身、结构、...     

基于代理模型的大型民机机翼气动优化设计

先进的气动优化设计思想与方法,对于提升大型民机气动与综合性能具有至关重要的意义。探讨了大型民机超临界机翼气动优化设计的基本准则和要点,并结合代理优化算法,提出了一种面向工程应用的多轮次高效全局气动优化设计方法。首先,通过一系列解析函数/翼型/机翼优化测试算例进行了验证。其次,将所提出的方法与人工修型相结合,开展了针对宽体客机超临界机翼的两轮气动优化设计,使其气动性能得到显著改善。最后,采用不同的雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程求解器对安装优化机翼的全机巡航构型进行了典型状态的气动性能综合评估。研究结果表明,所提出的代理优化算法具有很高的优化效率、较强的约束处理和全局优化能力;将所发展的基于代理模型的多轮次气动优化设计方法与人工修型相结合,能够获得满足设计要求的气动外形,验证了该方法在大型民机超临界机翼气动设计中的有效性和工程实用性。     

基于高斯伪谱法的吸气式高超声速飞行器爬升弹道优化研究

吸气式高超声速飞行器爬升弹道设计是其总体设计的一个重要问题。这里提出一种基于高斯伪谱法的弹道优化方法,用于解决该问题。以末端弹道倾角为性能指标,飞行攻角为设计变量,建立了飞行器纵平面弹道优化模型。通过高斯伪谱法对状态变量和控制变量进行离散,将最优控制问题转化为非线性规划问题,再利用序列二次规划算法对其进一步求解。仿真结果表明,该方法收敛域大,对初值不敏感,设计精度高,是吸气式高超声速飞行器方案弹道优化的重要方法。     

民用飞机电子电气设备舱门高强度辐射场(HIRF)防护设计研究

适航规章CCAR-25中给出了航空器暴露在高强度辐射场(HIRF)中应满足的抗干扰要求,针对某型号民用飞机电子电气设备舱门对HIRF环境防护能力较弱的问题,提出一些提升舱门HIRF防护能力的优化设计建议。在对飞机电子电气设备舱门HIRF防护能力研究时,以该型号民用飞机电子电气设备舱门为研究对象,将舱门与电子电气设备舱结构模型简化成复杂金属腔体开环形孔缝的模型,并类比开孔矩形金属腔体的电磁屏蔽效能的研究,归纳出可能提升结构HIRF防护能力的结构优化设计方向。依据优化设计方向规划了3个舱门结构优化方案,并对该型号民用飞机进行低电平扫掠场(LLSF)试验以验证优化方案的有效性,对试验结果分析表明,所提的建议对于提高电子电气设备舱门HIRF防护能力是有效的。     

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.     

基于分解策略的SSO发射轨道遗传全局优化设计

提出了基于轨道分解优化和遗传算法（GA）的SSO发射轨道优化设计策略。针对多个轨道段相互耦合问题,基于分解优化策略,将整个发射轨道设计问题分解为两个轨道段设计问题。为了高效可靠地获得全局最优解,对基本遗传算法进行了改进。首先提出了基于多变异操作等改进措施的改进遗传算法;此外,结合遗传算法的全局搜索特性和Powell算法的局部搜索特性,设计了一种串行混合遗传算法。一个二级SSO运载火箭的计算结果表明,轨道分解优化策略确保了问题的成功求解,改进遗传算法和混合遗传算法均可稳定地获得全局最优解,但是混合算法更有效地提高了GA性能。     

一种面向飞机族的结构优化方法

 飞机族是一组共享通用部件或子系统的、但性能或使用要求不同的相关飞机产品的集合。针对通用模块化飞机族结构优化问题,提出一种基于代理模型的二级优化方法。该方法将结构优化分为两个层次：通用模块结构优化层次和专用模块结构优化层次。这种方法不但流程简单,且各层次的设计变量和约束较少,并且专用模块优化层次之间具有独立性,易于实现并行设计。以某支线客机族的机翼结构优化问题为例,首先阐述飞机族结构优化模型,然后应用本文提出的二级优化方法求解支线客机族的机翼结构优化问题。优化结果表明该方法能成功解决飞机族的结构优化设计问题,能同时优化飞机族中各型号的结构参数。     

基于代理模型的高效全局低音爆优化设计方法

研究发展高效实用的低音爆优化设计方法,对于新一代低音爆超声速客机的研制具有重要的理论意义和应用价值。目前国内外发展的低音爆优化方法主要包括遗传算法（GA）和基于Adjoint的梯度优化。遗传算法虽然具有较强的全局优化能力,但其优化效率较低,无法很好满足实际应用的需要;而梯度优化虽然优化效率高,但易陷入局部最优。将最新发展的代理优化算法与音爆预测方法相结合,发展了一种具有全局优化能力的高效低音爆优化设计方法。首先,概述了所采用的线性音爆预测方法,并用NASA超声速圆锥体模型进行验证,表明其计算效率高、预测精度可满足飞行器初步设计的需要。其次,对所采用的代理优化（SBO）方法进行了概述,包括试验设计、代理模型建模、优化加点准则和收敛标准等。再次,运用所发展的方法开展了NASA多段圆锥体模型的低音爆优化设计算例研究,并与遗传算法和梯度优化的结果进行了比较,表明其优化效率比遗传算法提高了2个量级以上,且优化结果优于梯度方法。最后,将所发展的方法应用于AIAA音爆预测大会提供的翼身组合体外形（69°后掠三角翼）的低音爆优化设计,将远场音爆N型波峰值减少了27.4%,表明所发展的方法在复杂外形低音爆优化设计中具有很好的应用潜力。     

基于Abaqus-Isight的飞机舱门密封件的联合优化设计

为了适应飞机舱门密封件研制周期较短以及正向设计的发展趋势,基于Abaqus-Isight软件对飞机舱门密封件进行仿真分析和优化设计,同时校准了材料参数,提出了两种对飞机舱门密封件的优化设计方法,通过对比得到更优的密封件结构。通过试验得到橡胶与织物的材料参数,基于Abaqus-Isight对材料参数进行校核,通过试验得到的压缩试验曲线对材料参数进行修正,得到与成品试验拟合度更高的材料参数;基于Abaqus-Isight对飞机舱门密封件进行DOE正交试验优化设计,将产品结构参数作为变量,压缩力、接触压力、摩擦损耗能作为优化目标,可以得到局部最优结构;将DOE正交试验结果拟合得到近似模型,通过Isight的近似模型算法得到全局最优结构,综合评估采用近似模型算法能够得到更为优异的结果。     

基于粒子群算法-最小二乘支持向量机算法的磁化曲线拟合

磁化曲线是强非线性函数,提高磁化曲线的拟合精度对含有铁磁材料的电气设备建模准确性至关重要。提出了一种基于粒子群算法-最小二乘支持向量机(PSOLSSVM)算法的磁化曲线拟合方法。该方法用粒子群优化算法解决了最小二乘支持向量机(LSSVM)参数的选择问题。仿真结果显示PSOLSSVM算法能获得最优的LSSVM参数,且采用PSOLSSVM算法拟合的磁化曲线与实际测量的磁化曲线基本无偏差,拟合精度较高。     

载人多旋翼飞行器动力单元选型方法研究

载人多旋翼飞行器具有结构尺寸大、载荷需求大、可选用的旋翼大小不等且数目不定的特点,快速确定此类飞行器的动力单元具有较强的工程实用性。以设计一款单人多旋翼飞行器为例,搜集品牌官网推荐的百余组匹配方案数据,采用穷举法计算并获得九组性能参数之间的关系;在此基础上,建立旋翼及等效电路模型,针对 22 款优选电机的最大工作电压,采用优化法计算可匹配的最大旋翼尺寸及需用旋翼个数。结果表明：优化选型所得方案更精准高效,该方法可用于快速获得大质量效率、高续航、低成本的动力单元方案。     

飞机翼面结构布局综合设计方法研究

为了探讨飞机翼面结构主要纵横骨架的最佳布局问题,并提供符合工程实际的、用于概念设计阶段的飞机结构设计方法,本文采用分级优化与集成的策略,该策略分为3个层次。第一个层次为拓扑优化,并由此确定纵向骨架的个数与位置的最优布局;第二个层次为尺寸优化,它用来确定翼面的中间参数;第三个层次为稳定性准则优化,它确定横向骨架的个数与位置的最优布局。在分级优化的3个层次中,拓扑优化是独立的,尺寸优化与稳定性准则优化是相互耦合的。以国外某飞机机翼为例,结果表明本文提出分级优化的思路与所采用的集成方法是可行的,并且具有很好的数值效果。作者认为：它对从事飞机结构设计的人员有一定的指导性和参考价值,值得在飞机设计部门推广应用。最后,总结给出5点结论供参考。     

多电飞机作动系统的体系结构优化(英文)

多电技术的深入发展使得飞机上可选择的功率源和作动器种类越来越多,这导致在机载作动系统体系结构优化设计过程中出现了不同功率源和作动器组合的极端复杂性,传统的"试凑"法已无法完成设计任务。首先介绍了多电飞机飞控作动系统(Flight Control Actuation System,FCAS)的组成,计算了其可能的体系结构数量;其次提出了FCAS体系结构在安全性、重量和效率方面的评价指标,计算了全机各舵面均采用同类作动器时的评价指标值;最后对比分析了现有的各种多目标优化算法,采用遗传算法给出了多电飞机FCAS体系结构的多目标优化设计结果。对比传统的只采用阀控液压伺服作动器的作动系统体系结构,优化后的体系结构可以在满足安全可靠性要求的前提下使系统的重量减轻6%左右,效率提高30%左右。