Multi-objective optimization of aircraft design for emission and cost reductions

Pollutant gases emitted from the civil jet are doing more and more harm to the environ- ment with the rapid development of the global commercial aviation transport. Low environmental impact has become a new requirement for aircraft design. In this paper, estimation method for emis- sion in aircraft conceptual design stage is improved based on the International Civil Aviation Orga- nization （ICAO） aircraft engine emissions databank and the polynomial curve fitting methods. The greenhouse gas emission （CO2 equivalent） per seat per kilometer is proposed to measure the emis- sions. An approximate sensitive analysis and a multi-objective optimization of aircraft design for tradeoff between greenhouse effect and direct operating cost （DOC） are performed with five geom- etry variables of wing configuration and two flight operational parameters. The results indicate that reducing the cruise altitude and Mach number may result in a decrease of the greenhouse effect but an increase of DOC. And the two flight operational parameters have more effects on the emissions than the wing configuration. The Pareto-optimal front shows that a decrease of 29.8% in DOC is attained at the expense of an increase of 10.8% in greenhouse gases.     

空中加油系统的建模与控制技术综述

空中加油已经成熟应用超过半个世纪,但其建模与控制技术仍是航空界的研究热点与难点之一。综合大量文献,回顾了空中加油的发展历程和战略价值所在,比较研究了2种加油方式各自的优劣,总结了近年开展的系统建模和控制相关的研究成果。基于硬式加油与软式加油的功能互补之效,提出了借助研制大型运输机的契机发展硬式加油技术的观点。通过研究国内已经开展的相关工作及其不足之处,论证了开展系统建模与控制专项研究的必要性与积极意义。结合硬式加油系统的特点,提出了建模时应该综合考虑系统多刚体、多构型、强扰动与不确定性、受弹性形变与弹性振荡影响等特点,并提出了与之对应的伸缩管姿态控制、对接状态应力自动补偿、对接过程协同控制、抑制弹性振荡影响、半物理实验平台开发等关键问题。     

多跑道航班进离场动态调度模型与算法

针对民航运输快速发展导致的航班延误频增现象,研究了多跑道航班进离场的动态调度问题。研究时段内航班的总延误成本最小和延误时间均衡为目标,综合考虑根据机型确定的航班进离场调度优先权和管制员负荷,建立多跑道航班进离场调度模型,利用遗传算法对模型进行仿真验证。仿真结果与先到先服务(FCFS)调度方式进行比较,采用遗传算法的航班进离场调度比FCFS的延误成本降低了45.07%,延误时间降低了37.90%,同时有效地均衡了航空公司的延误时间,保障了航空公司的公平性并提高了跑道系统容量,降低了管制员负荷。通过仿真验证了多跑道航班进离场动态调度策略具有较强的优势和可行性。     

悬停状态倾转旋翼/机翼干扰流场及气动力的CFD计算

基于一套高效通用的多层运动嵌套网格技术,建立了适合悬停状态倾转旋翼机旋翼/机翼气动干扰特性分析的高效混合计算流体力学（CFD）方法。在倾转旋翼/机翼贴体网格区采用可压雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程作为主控方程,过渡/背景网格区选用Euler方程,湍流模型选用Spalart-Allmaras模型。时间推进上采用双时间推进格式进行非定常求解,并在方法中运用了SPMD（Single Program Multiple Data）模式的并行加速技术。在此基础上,首先分别采用UH-60A直升机旋翼及XV-15倾转旋翼机旋翼作为数值算例,验证了CFD方法的有效性。然后着重对倾转旋翼/机翼的非定常干扰流场及气动力分布特征进行了数值研究,模拟得到与实际情况相符的“喷泉效应”干扰现象。计算结果表明,干扰作用使得倾转旋翼相对于孤立旋翼拉力数值减小了3%,但总的拉力系数损失达到了17%,证明悬停状态下气动干扰对飞行器气动性能有重要影响。     

基于Kane方程的拖曳式诱饵释放过程动态特性分析

研究了航空拖曳式诱饵释放过程中的动态特性。根据诱饵的运动状态,将释放过程划分为自由状态、放索状态和拖曳状态。利用Kane方程建立了拖曳式诱饵释放的多体系统动力学模型,其中拖索离散为若干段刚性杆,诱饵视为刚体与拖索铰接,其上的作用力包括铰约束力、气动力和重力。针对放索过程中第1个索段质量时变引起的变质量动力学问题,采用Generalized-α算法进行时域求解。在此基础上分析了载机不同飞行高度、飞行速度、拖索释放速度以及拖曳点位置对诱饵释放过程中动态特性的影响。结果表明:在低空高速下释放,诱饵的俯仰角幅值较小,质心相对位置变化较稳定,收敛速度较快,但载机飞行速度过大时,诱饵容易靠近载机尾流区并受其影响;放索速度增大时,诱饵俯仰角幅值增大,质心会出现纵向沉浮运动;拖曳点远离重心时,俯仰角震荡幅值增大,当靠近重心时,收敛性变差,应合理设计并优化拖曳点位置和放索速度。     

一种新型超宽带紧耦合天线阵列设计

针对紧耦合天线阵列（Tightly Coupled Array,TCA）安装于飞机、导弹、舰船等平台时接地板严重影响其阻抗带宽的问题,将栅格形阻性频率选择表面与交指型偶极子天线单元相结合,设计了一种新型多层结构的超宽带TCA。采用CST对加载与未加载栅格形阻性频率选择表面时TCA的性能进行了比较分析。结果表明：未加载时,受接地板影响其最佳阻抗带宽（VSWR〈2）为4．5：1（2．1～9．5GHz）;加载后,TCA可克服接地板的影响,其阻抗带宽可达10．4：1（1．8～18．8GHz）。     

基于多场耦合的飞行器热环境数值分析方法研究

新一代高超声速飞行器的发展给防热设计问题带来严峻挑战。根据飞行器热环境多场耦合特性,提出了一种基于多场耦合的热环境数值分析策略,并在此基础上发展了基于Navier-Stokes方程的流场CFD分析程序,通过有效的界面数据传递算法,实现了与结构有限元热分析软件的耦合,形成了基于流场与结构耦合传热的飞行器热环境多场耦合数值分析方法。以典型圆管前缘为计算模型进行了程序验证,并对稳态和非稳态飞行环境下的流场与结构耦合传热特征和规律进行了数值分析研究。结果分析表明,该方法能够有效地刻画流场与结构之间的耦合传热特征和规律,预测和分析飞行器热环境的空间和时间分布特性,从而可为防热设计的选材和优化提供可靠的参考依据和分析手段。     

基于性能及轻量化的新型风力机叶片优化设计研究

针对复合材料风力机叶片形状复杂,采用传统的复合材料层合板理论难以建立叶片质量计算数学模型的缺点,本文提出了将叶片的质量计算转化为叶片曲面的面积计算模型。基于修正的风力机空气动力学理论,在叶片全部产生功率区域内采用作者全新设计的风力机CQU-A翼型系列进行翼型沿叶片展向分布设计,验证了该翼型族具有较高的气动性能;针对变桨距风力机,以最大功率系数及最小叶片面积为多目标优化模型,建立了新型2MW风力机叶片设计及优化数学模型。采用改进的多目标粒子群算法对风力机叶片进行优化设计,优化结果表明,相比初始风力机叶片,新叶片的工作性能有了较大的提高,叶片的表面积有了明显的降低,意味着叶片的质量有了显著的减少,降低了叶片的材料成本;同时叶根载荷也得到了有效的控制。该新型叶片的研究为设计出高性能轻质量低成本的风力机提供了理论依据。     

大型齿轮在多因素耦合影响下齿形误差测量的灰色动态预报

提出了一种旁置式的大型齿轮测量装置,分析了影响该装置测量精度的主要误差来源及其特性,给出了一种处理多因素耦合影响的灰色动态预报方法.首先,基于测量装置特性,对影响齿形误差测量精度的误差源进行分析和标定,计算出各误差源的灵敏度系数;然后对测得的有限误差数据进行再抽样及灰色生成,分别计算出在每次测量中各影响因素对测量结果的作用大小,之后按照误差合成方法生成误差源耦合作用结果;最后,通过在测量结果中去除耦合作用进而提高大型齿轮齿形误差测量精度.与测量精度为0.5μm的三坐标测量机进行对比测量,结果表明所提出测量装置能满足3级精度以上的大型齿轮齿形误差检测需求.