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.     

超声速隐身歼轰机概念设计数值模拟

为了提高军用飞机的空战和对面攻击能力,对歼轰机进行总体设计。采用CATIA软件,设计出隐身歼轰机的三维数字样机和武器挂载方案;基于物理光学法和等效电磁流法,采用自编的RCSAnsys软件,数值模拟歼轰机的数字样机在X、S和UHF波段下的RCS特性和强度分布特性;基于湍流模型的k-ε方程和控制理论的N-S方程,采用Fluent软件,数值模拟歼轰机的数字样机所在空气流场的压强和速度分布云图,得出整机的升阻特性。概念设计数值模拟结果表明：内置弹舱的歼轰机前向±30°的RCS均值≤-4.728 dBsm,超声速飞行时歼轰机的升阻比约等于5.6337。     

一种基于光固化快速成型的飞机静弹性风洞试验模型设计方法

高速风洞静弹性模型设计和制造是静弹性风洞试验的一个关键。为解决模型设计周期长、制造费用高等问题,提出了一种基于立体光固化快速成型面向高速风洞大展弦比机翼静弹性模型研制方法。基于机翼刚度分布相似参数,采用机翼钢梁骨架和树脂蒙皮组合结构,通过优化结构尺寸完成静弹性模型结构设计;使用机械加工和快速成型技术完成模型制造,并通过地面刚度试验对加工模型进行了刚度分布验证。风洞试验结果表明：基于立体光固化成型技术设计和制造的静弹性风洞试验模型工程实用、可行,与传统静弹性模型研制过程相比,具有研制周期短、成本低而且不存在因填充物带来附加刚度的显著优势。     

X射线脉冲星导航硬件脉冲轮廓累积研究

为了在X射线脉冲星地面实验系统仿真源模拟产生X射线的基础上,能够快速稳定地得到脉冲轮廓,采用硬件历元叠加的方法获得脉冲轮廓。研究了用硬件实现历元叠加及其数据整合的算法,该算法首先在MATLAB现场可编程逻辑阵列(FPGA)中实现,再通过MATLAB硬件描述语言(HDL)代码生成模块把算法转换成HDL,经编译后获得配置硬件的Bit文件,最终在开发板FPGA上实现数据处理的硬件模块。一段时间内的光子到达时间数据通过MATLAB算法得到的脉冲轮廓数据与通过硬件模块处理后得到的数据结果存在误差,在单个时间窗口内误差最大值为2个光子数,误差平均值占光子数统计平均值的0.084%;两组统计的脉冲轮廓数据中不同数据占总数据个数的9.481%,这样的误差不影响后端模拟导航模块的导航。利用硬件实现的历元叠加及其数据整合模块具有处理速度快、设备紧凑、功耗低的特点,为航天器利用X射线脉冲星导航提供了一种可行的硬件数据处理技术上的支持。     

民用飞机客舱地板横梁结构研究

客舱地板梁结构是民用飞机机身结构的重要组成部分,其中地板横梁承担着旅客及座椅的载荷,需要分别与地板纵梁、支柱和机身框连接,是比较关键的结构。对典型机型的地板横梁结构形式和材料进行了介绍,并分析优缺点,最后对民用飞机地板横梁结构方案进行了总结。为民用飞机客舱地板梁概念设计提供参考和借鉴。     

APU进气系统安装典型设计细节的研究

辅助动力装置(Auxiliary Power Unit,以下简称APU)是民用飞机的重要系统,其安装设计对于APU 的功能、性能、安全性、可靠性、可维修性等具有很大的影响。重点研究APU 的进气系统安装设计,对设计细节导致的典型问题进行分析,并给出推荐性解决方案,对于民机APU 的安装设计具有一定的指导作用和实用价值。     

级负荷系数为0.42的小流量轴流压气机 设计与试验验证

由于受限于“尺寸效应”,负荷增大使中小航空发动机压气机性能降低的特征较为明显,这对高负荷压气机设计提出了更大挑战.为深入研究小流量、高负荷轴流压气机,提出了2级高负荷轴流压气机的设计原则和总体要求.针对平均级负荷系数为0.42的高负荷特点,采用强根部、大反力度、低展弦比、叶片端弯和悬臂静子等气动设计方法以提高压气机性能.用全3D数值模拟方法对设计结果进行了校核,分析了其性能和流场结构.为了对设计、计算结果进行验证确认,对压气机进行了试验测量,计算与试验结果吻合良好.结果表明:高负荷轴流压气机设计点的压比为2.73,绝热效率为0.865,综合裕度为15.3％,达到了设计指标要求.     

基于代理模型的二元收扩喷管流道型面优化设计

在二元收扩（2D-CD）喷管设计参数对喷管气动性能影响研究的基础上,以获得尽可能高的喷管推力系数为目标,以喉道宽高比、喉道型面半径比、收敛半角和扩张半角为设计变量,对二元收扩喷管的流道型面进行了优化设计。设计过程中,利用正交试验设计方法确定初始样本点,建立喷管推力系数与设计参数间的Kriging代理模型,采用自适应模拟退火算法（ASA）对代理模型进行分析求解。结果表明,二元收扩喷管的优化型面参数为:喉道宽高比为6,喉道型面半径比为0.3,收敛半角为15°,扩张半角为5.64°,此时最大推力系数为0.97847,流量系数为0.98778.      

基于BP人工神经网络的离心压气机叶轮多目标优化设计方法

利用Concept NREC软件建立离心压气机叶轮设计样本库,借助BP（back propagation）人工神经网络建立样本库中各设计参数与压气机性能之间的关系,接下来以多目标遗传算法寻找Pareto解,从而获得离心压气机叶轮最佳设计参数.将该方法应用于Krain叶轮设计工况,所得叶轮的效率、压比较Krain叶轮原型分别提高1.4%和10.9%.通过对人工神经网络模型可靠性的讨论、多目标优化模型的主成分分析和所设计叶轮性能的CFD验证,证明了所构建的目标函数与所获得的Pareto解集的合理性,说明本方法可以有效应用于在离心压气机设计、选型.      

C频段宽带线／圆极化器小型化设计

为适应C频段卫星测控通信车栽天线机动布站功能,须研制一种轴向尺寸小于1．2m的小型化天馈系统,针对该问题,对关键组件线／圆极化器进行小型化设计。在理论分析极化器原理的基础上,采用在聚四氟乙烯基材上打孔的方法使一种介质实现多种相对介电常数,设计了C频段收、发均覆盖575MHz带宽的小型化宽带极化器,在56％相对带宽内实现小型化,轴向尺寸缩短至常规极化器的1／a,经HFSS（HighFrequencySimulationSoftware,高频仿真软件）仿真计算,并与同频段常规极化器性能进行分析比较,结果表明：该极化器移相量与匹配性能良好,满足指标与使用要求。