亚声速翼身融合无人机概念外形参数优化

为了兼顾翼身融合（BWB）布局无人机（UAV）的气动、隐身和结构重量要求,应用优化方法研究了某亚声速翼身融合无人机概念方案的外形设计问题。外形优化设计流程包括全机参数化几何外形模型、气动分析、机翼根部弯矩计算、雷达散射截面（RCS）分析、代理模型的建立和外形参数优化计算。选择了三种不同优化目标研究翼身融合无人机外形优化问题：①未配平状态升阻比最大;②配平状态升阻比最大;③配平状态升阻比尽量大和机翼弯矩尽量小。通过优化结果的对比分析,揭示了配平约束和机翼弯矩目标对优化设计结果的影响。研究结果表明：计入配平约束能够有效提高配平升阻比;将配平状态升阻比尽量大和机翼根部弯矩尽量小作为优化目标能够获得合理的优化外形。     

翼身融合布局民机克鲁格襟翼设计

翼身融合（BWB）布局是"绿色航空"发展目标的下一代大型民用飞机的理想布局。由于高度融合的外形特点,BWB布局难以通过应用传统增升装置实现低速增升与配平的协调设计。本文采用开缝钝头克鲁格襟翼提高BWB布局低速失速特性。首先,构建了克鲁格襟翼二维参数化方法,该方法符合克鲁格襟翼运动机构特点,可准确描述几何外形与缝道配置。其次,开展克鲁格襟翼几何参数与偏转角度的影响规律研究,分析流动形态与增升机理,提出设计原则。综合考虑外形、运动机构与遮蔽效应等设计约束,以提高增升能力为目标,开展前缘开缝克鲁格襟翼优化设计。优化设计结果满足设计约束,数值分析表明其增升能力比初始外形与经典缝翼均有明显提高。最终,采用前缘开缝克鲁格襟翼与后缘简单襟翼构建BWB增升构型,数值模拟与风洞试验结果表明,增升方案能够实现升力系数要求,降低了对配平能力的需求,减小了增升装置和高升力配平设计压力。提出的克鲁格襟翼设计方法不仅适用于BWB布局,也为传统布局民机增升装置设计提供了技术支持。     

民机的一种新型布局形式——翼身融合体飞机

 讨论了一种区别于机翼与圆柱机身的传统民机外形——翼身融合体（BWB）外形。从给定容积下减少浸润面积和摩擦阻力的考虑发展出了翼身融合体的概念。在满足系列设计约束条件下讨论了适于大型（800座）客机的翼身融合体的技术和商业上的可能性。概念设计研究表明,翼身融合体外形可获得比常规外形更好的性能。巡航升阻比可从传统外形的19提高至23。480座的BWB外形与同量级的传统外形（A380-700）相比,最大起飞重量可减少18%,每座位燃油消耗可减少32%,具有良好的环保性。通过气动载荷分布规律的反设计,翼型修型和三维优化设计等气动设计方法可以有效减阻和提高BWB的气动性能。由于BWB的高度融合性,讨论了多学科优化设计方法的重要性和有效性。BWB概念能够发展成BWB系列机,进一步提高巡航马赫数也是可能的。     

用于喷气客机概念设计的气动特性分析程序

针对喷气客机概念设计需求,在确定了升阻特性的估算方法后,应用MATLAB开发气动特性分析程序。以典型喷气客机为例,验证了气动分析模型和计算程序的精度。所开发气动特性估算程序能快速对喷气客机初步方案气动特性进行评估。设计人员只需通过用户界面给出飞机外形参数和飞行条件,就可快速获得巡航构型曲线、升阻比曲线、巡航效率曲线、抖振边界曲线,以及起降构型升力线和升阻比曲线。     

静稳定裕度对飞翼布局的影响研究

减小配平损失对于提高飞翼布局升阻比和提升飞行控制能力具有重要意义,因此基于离散伴随优化方法研究静稳定裕度对跨音速飞翼布局减阻优化的影响,分别开展10%,0%,-10% 三种静稳定性设计工况的优化研究。采用自由变形（FFD）方法对非结构表面网格进行参数化,以FFD 控制点为设计变量,通过求解流场和伴随方程得到灵敏度信息;采用序列二次规划SQP 算法获得控制点位移的梯度,然后经过多轮迭代得到优化构型。结果表明：在几何厚度和力矩配平的约束下,离散伴随优化方法可以显著提升飞翼布局的最大升阻比,三种工况下最大升阻比提高都在8% 以上;随着静稳定性裕度减小,定升力系数优化的巡航升阻比增量有所减小,当静稳定裕度为10% 时巡航升阻比提高了5.08%。     

翼身融合无人机外形优化设计研究

翼身融合布局无人机具有较好的升阻特性和隐身特性,拥有广泛的应用前景。为了提高无人机的续航能力,兼顾翼身融合无人机的气动特性和结构重量要求,选择无人机升阻比与全机面积作为优化目标,应用多目标优化方法研究翼身融合无人机的外形设计,提出一种针对翼身融合无人机的外形参数化优化设计方法,并进行实例验证。结果表明:外形优化可以提高无人机升阻比、减轻结构重量,从而获得合理的翼身融合无人机设计方案。     

载重飞机总体参数的多目标优化设计方法

利用遗传算法进行了低雷诺数下全机气动布局设计及优化,并制作原理样机以检查设计的可行性及正确性.主要优化对总体外形和飞机性能影响较大的机翼、尾翼的平面形状几何参数以及少数几个机身几何参数;优化目标是巡航段最大升阻比和空机重量.试验结果表明该优化设计方法是十分有效的,可以用来对具有正常布局形式的飞机进行气动外形的优化设计.     

翼身融合飞机的空气动力学研究进展

翼身融合飞机(Blended Wing Body Aircraft-BWB Aircraft)是一种新型高升阻比无尾布局的大型运输机,其气动特性的研究是BWB布局飞机克服众多技术难题的基础。文章首先简述了BWB布局的研究历程,给出巨型BWB布局飞机的总体几何特征参数和基本性能,并简述风洞和自由飞试验情况;接着介绍BWB研究中的多学科优化平台,着重讨论气动优化技术,它是解决BWB布局气动问题的基础手段之一;然后综述BWB布局研究的热点领域:气动特性研究、气动弹性研究和发动机/机体一体化设计研究;最后提出BWB布局发展趋势的若干方面。     

基于全速势方程的超临界翼型设计

基于全速势方程,完成了超临界翼型设计。首先分析了最优化设计和反设计两种常用的翼型设计方法的特点。综合考虑两种方法的利弊,选用最优化设计法。结果显示,设计理论和实施方法完全适合现代翼型设计,设计结果可以满足设计指标要求,诸如巡航状态下的升力系数、阻力系数、升阻比、攻角、翼型最大厚度及厚度位置、巡航效率、压力分布形态、激波强度等等。     

高超声速翼身组合布局的最优巡航配平研究

以一种类似X-34的翼身组合体为初始构型,研究高超声速下的最优巡航。为了获得最佳升阻特性,达到全机的力矩配平,通过改变机头弯度、翼型弯度和机翼扭转角,对机翼、机身进行耦合设计,研究其不同布局参数下的气动特性。与翼身组合布局的再入型可重复使用运载器进行比较,给出了适应临近空间小迎角下高超声速巡航飞行的设计方法。结果表明,所采用的配平设计方法是合理、有效的,得到的优化构型满足了高超声速最优巡航的要求。     

支线飞机的非常规/常规融合布局研究

为了在支线飞机设计中利用非常规布局的优势提高其性能,同时避免其所带来的问题,提出基于飞翼的非常规/常规融合布局。首先介绍运输类飞机非常规气动布局飞翼的突出优势和面临的问题,然后提出非常规/常规融合布局,最后通过设计方案的逐步迭代改进和优化,得到气动性能优于新一代支线飞机的非常规/常规融合外形布局方案,其中巡航升阻比提高了约7.5%、阻力发散马赫数提高了约2.5%、巡航效率因子提高了约7.5%,同时确保了飞机具有良好的机场适应性。基于飞翼的非常规/常规融合布局方案具有进一步提升性能的潜力,同时避免飞翼的其他一些不利方面,为未来非常规布局运输飞机的研究奠定一定的基础。     

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。     

考虑禁飞圆的滑翔式机动弹道与气动特性参数耦合设计

 为获得滑翔式再入飞行器最佳气动与弹道机动性能,针对规避禁飞圆的远程滑翔式再入问题提出了一种机动弹道与气动特性参数耦合设计方法。耦合设计外环以气动特性参数为设计变量,基于抛物阻力极线模型提取最大升阻比和对应升力系数为气动特性参数;耦合设计内环以泛化升力系数和侧倾角为设计变量,获得给定升阻特性下能规避禁飞圆且满足再入走廊要求的滑翔式再入轨迹。耦合设计问题以再入驻点总热流最小为优化目标,以再入走廊、终端位置和速度为约束,求解满足弹道机动要求且目标函数最小的最佳气动特性参数。提出了一种规避禁飞圆的侧向几何制导逻辑用于内环轨迹设计。仿真算例得出禁飞圆半径越大,需要的滑翔式再入飞行器最大升阻比越大,且再入轨迹刚好能绕过禁飞圆。仿真结果验证了耦合设计方法和侧向制导逻辑的有效性,该方法可为飞行器方案设计时的气动布局选型等工作提供参考。     

低速通用飞机机翼低成本精细化设计

针对低速通用飞机升阻特性的低成本精细化设计,通过合理地简化模型,建立了一种将翼型升阻比曲线斜率作为附加设计约束的机翼工程优化设计方法。基于该优化设计方法,利用低成本快速设计分析工具开展了优化设计,并对设计方法及结果进行了风洞试验验证。试验结果表明,所提方法能够有效提高机翼最大升阻比,同时使最大升阻比对应的升力系数逼近巡航工况,进一步挖掘了低速通用飞机的经济性潜力。     

考虑放宽静稳定度的民用客机气动优化设计

为了更加有效地减小民用客机考虑配平约束后的阻力,针对典型跨声速民用客机机翼-机身-平尾构型研究了不同静稳定度下的气动优化设计,并总结出在民用客机的减阻设计中考虑放宽静稳定度具有较大的减阻潜力。通过自由型面变形(FFD)技术对全机外形进行参数化,实现机翼型面的变形,进行气动优化设计并改变平尾的偏转保证全机能够力矩配平。采用基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的离散伴随方法求解目标函数对设计变量的梯度,然后基于序列二次规划算法进行基于梯度的气动优化设计。基于CRM(Common Research Model)构型,针对不同参考重心位置进行了考虑配平约束的减阻优化设计研究,验证了优化设计系统的有效性,算例结果表明,随着重心位置后移即放宽静稳定度,优化构型配平阻力减小,外翼段前缘吸力峰值明显降低且双激波的强度得到有效减弱,此外机翼的升力系数分布更加贴合最佳升力系数分布。     

高超声速一体化飞行器冷流状态气动特性研究

采用数值模拟和风洞实验方法,对高超声速一体化飞行器缩比模型在发动机关闭以及发动机通流状态下的气动特性进行研究。实验中采用彩色纹影系统对缩比模型飞行器的超声速流场进行显示,并通过六分量应力天平测得了全机的升力、阻力和俯仰力矩,数值模拟气动力系数以及流场特征与实验结果吻合较好,同时分析了飞行器保持静稳定状态下的质心选择范围。结果表明进气道开启之后飞行器升力阻力以及抬头力矩显著下降,但此飞行器配平迎角仍较大。该实验结果验证了数值方法的可靠性并为飞行器构型设计提供了参考数据。     

考虑重心位置不确定性的无尾无人机优化设计

飞机的飞行性能与重心(CG)位置密切相关,尤其是后掠式无尾飞机的重心位置对其飞行性能影响更甚,如果重心位置发生变化,升力分布随之改变,进而影响飞机航时。针对这个问题,从气动布局和设计方法两方面,设计了一种航时对重心位置不敏感的无尾无人机(UAV)。气动布局上,提出了利用螺旋桨动力配平纵向力矩的鸥翼(GW)布局,以减小重心位置变化对升阻特性的影响;设计方法上,采用稳健性优化设计(RDO)理论,分析重心位置不确定时的航时低敏感度问题。以一架小型电动无人机为研究对象,建立了无尾无人机稳健性优化设计环境,包括总体设计、代理模型构造以及稳健性优化。分析结果表明:利用螺旋桨动力配平的鸥翼布局使重心可用范围增加了5%;静安定裕度在5%~15%变化时,该布局可以有效提高航时稳健性。采用稳健性优化得到的无人机几何参数,大幅度降低了重心位置对航时的影响,显著提升了满足约束的概率。     

翼身融合背撑发动机布局的动力短舱设计

为了解决翼身融合（BWB）背撑发动机布局的飞机-发动机流动干扰问题,依据BWB流场特征,提出背撑式动力短舱设计思想：采用轴对称短舱,结合可以减小短舱外部流动对机体影响的外罩型面和满足进气效率要求的进气道型面设计。基于本文构建的动力短舱参数化建模方法和多点优化设计方法,开展兼顾内外流的短舱综合优化设计研究,最后对设计方案安装状态流场进行分析。结果表明：提出的设计方法可以给出具有不同内外流气动特性、满足BWB背撑式发动机动力短舱多点设计要求的设计方案,巡航状态短舱外表面和全推力状态进气道最大马赫数最大可减小8.35%和11.81%,优化结果在最大推力和侧风起飞状态也具有良好的进气道性能;动力短舱安装状态消除了高速巡航飞行状态下短舱和机体之间的强激波和后体流动分离,低速大迎角状态机体外流能够为发动机提供均匀稳定的进气,进气道总压恢复系数满足设计要求。     

应用协同射流原理的旋翼翼型增升减阻试验研究

协同射流技术作为一种新型主动流动控制技术,是突破旋翼翼型高增升减阻设计的最有潜力的发展方向之一。以 OA312 旋翼翼型作为基准翼型,研制微型涵道风扇组为驱动的旋翼翼型 CFJ 风洞测力模型,开展基于前缘高负压零质量内循环协同射流原理的旋翼翼型高增升减阻低速风洞试验,研究吹气口大小、吸气口大小和上翼面下沉量等基础参数对增升减阻的影响规律,探讨 CFJ 旋翼翼型关键参数最佳取值。结果表明：与OA312 基准翼型相比,小攻角状态时,CFJ 旋翼翼型可显著降低阻力系数,甚至出现“负阻力”现象,实现了零升俯仰力矩基本不变;大攻角状态时,CFJ 旋翼翼型可显著提升最大升力系数和失速迎角,其中,最大升力系数可提升约 67.5%,失速迎角推迟了近 14.8°。     

后缘连续变弯度对跨声速翼型气动特性的影响

针对后缘连续变弯度对跨声速翼型气动特性的影响进行了研究。首先不考虑翼型后缘连续变弯度,基于搭建的优化设计系统对跨声速翼型进行气动减阻优化设计,通过添加不同的约束优化得到两种跨声速翼型:无激波翼型和超临界翼型。然后在这两种翼型的基础上,以后缘偏转角度为设计变量、以阻力系数最小为目标,针对不同的升力系数分别进行优化设计,并根据优化结果深入分析后缘连续变弯度对这两种翼型极曲线特性的影响机理。优化结果表明:无激波翼型与超临界翼型相比,其设计点处的气动特性较好,但鲁棒性较差;升力系数小于设计升力系数时,应用后缘连续变弯度后,无激波翼型的极曲线特性明显提高,减阻最高达到3.9%,而超临界翼型的极曲线特性提高不明显;升力系数大于设计升力系数时,应用后缘连续变弯度后,无激波翼型和超临界翼型的极曲线特性都明显提高,减阻分别达到2.4%~18.1%和1.7%~13.2%。