提升通用飞机气动效率的设计策略研究

针对目前通用飞机借鉴大中型运输类飞机常规设计方法造成的气动效率较低、经济性较差的现状,分析通用飞机相对于其他飞机所具有的不同的设计特点;从空气动力学基本原理出发,结合通用飞机的特点,推导并分析其气动效率低下主要是由两个方面的矛盾耦合所造成的;提出可以有效改善通用飞机气动效率的设计策略;通过通用飞机总体参数设计优化实例印证新设计策略的有效性。结果表明:新设计策略可有效改善通用飞机的气动性能,提高其经济性,但相关研究具有较大的挑战性。

跨声速面积律的近场机理研究

面积律过于定性的描述给实际的飞机设计工作带来了一定的困惑和问题,其理论推导采用的小扰动线化假设也不适应未来空气动力学设计越来越精细化的发展方向。针对具有典型高速飞行器外形特征的AGARD-B标模,结合CFD和优化方法,探讨了实现最优减阻效果的机身修形形式,得出了较经典跨声速面积律减阻效果更好的结果,给出了比经典面积律更为细致的减阻修形原则。以此为基础,通过对各部件的减阻贡献情况的分析,通过修形前后机体表面阻力、压强及等压线分布的对比,发现面积律减阻的实质是飞行器外形所造成的相邻部件之间的压力传递而形成的有利干扰。应用这一结论,研究并验证了机身收缩剖面形状对于减阻效果的影响。最后经过不同升力系数条件的对比,证明对于不同升力、不同迎角的飞行条件,面积律减阻的效果是相同的。

无人作战飞机概念方案及主要参数研究

无人作战飞机(UCAV)是未来作战飞机的发展方向。通过分析对地攻击型UCAV的性质和特点,根据各种主流作战飞机的总体重量相关数据,给出对地攻击型UCAV的起飞推重比和起飞重量的确定原则。分析UCAV可能使用的内埋机载武器装备的相关数据,确定有效载荷质量。选定用于方案设计的发动机类型,并且确定UCAV的起飞重量。在若干基本参数和假定的基础上,通过对飞机起飞重量的分解定性计算,分析找出UCAV达到较大续航能力的关键因素是实现中小展弦比构型飞机的高升阻比和足够的机内空间。提出高度一体化融合的飞翼+升力体概念,设计并优化UCAV的总体外形方案,得到了小展弦比、高升阻比、高隐身的UCAV总体外形方案。

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。

基于支持向量回归代理模型的气动力优化设计

目前,气动力优化设计中通常基于经验风险最小化原则构建代理模型,预测精度的提高需要更多的训练样本,计算代价较大,同时盲目降低代理模型的训练误差难以避免过学习问题。针对上述问题,首先提出采用支持向量回归(SVR)方法基于结构风险最小化原则构建代理模型的思路,然后对测试函数和翼型阻力进行预测,最后对某型运输机机翼进行优化设计试验。结果表明:与其他代理模型对比,基于SVR的代理模型在小样本情况下具有较好的泛化能力,并且能够快速准确地预测气动特性,在飞机优化设计中,可以提高工作效率,优化结果可靠、可控。

大型客机总体设计系统的框架与原型研究

为推进航空企业数字化建设进程,满足中国大型客机研制对数字化建设需求,在对已有开放式飞机总体设计系统分析的基础上,梳理和定义了大型客机总体综合设计系统的定位和软硬件架构,设计了大型客机单个设计任务的数据组织逻辑和代码组织逻辑。以此为基础,系统性地研究,并实现了面向大型客机的翼面类部件、机身类部件、客舱、货舱、起落架、机翼结构及整体油箱、风挡等部件的参数化建模方法。考察了大型客机总体设计中分析软件及各类优化框架系统的应用特点及使用现状,设计了大型客机总体设计中各类分析工具的分层次集成与优化应用策略。若干设计实例说明了本文系统及其相关方法是有效的、可靠的。

考虑翼吊发动机推力的机翼颤振分析

分析了带翼吊发动机的大展弦比机翼颤振特性,其中考虑了机翼大变形和发动机推力的作用。采用梁单元对双梁式机翼和发动机吊舱进行了结构建模,采用修正的片条理论计算曲面定常气动力,修正的Theodorsen方法计算曲面非定常气动力,发动机推力始终沿发动机轴线。研究机翼在不同攻角时的定常气动力及发动机推力联合作用下固有振动和颤振特性的变化情况。结果表明,发动机推力对机翼静变形和固有频率改变不大,但对颤振临界速度的变化量不容忽视,有可能成为大型运输机机翼设计的限制因素。

考虑工程约束的高可信度气动外形优化设计

实际气动设计中遇到的工程问题较为复杂,然而能够用于实际工程设计的高可信度气动外形优化设计工具较少。基于飞行器设计工程实际中的各种复杂气动约束和几何约束要求,集成高可信度非结构网格RANS方程求解器、弹簧比拟网格变形技术、FFD外形参数化、RBF代理模型、粒子群优化器,构建多设计点气动外形优化设计工具,并应用于先进低速层流翼型和高亚声速超临界机翼的气动外形优化设计中(包括单设计点和多设计点),进行考虑/不考虑气动约束和几何约束的气动外形优化设计分析。结果表明:多设计点气动外形优化设计工具有效,约束条件和智能优化器自动有效地引导了层流翼型和亚声速机翼外形的有利改变。

高性能计算在多学科大变量飞机优化设计中的应用

波音、空客等公司飞机设计中采用的先进设计手段之一是基于高性能计算的多学科、大规模设计变量优化的应用。目前我国的高性能计算在硬件方面已处于世界领先水平,但在工程应用系统方面还无法满足需求。文章介绍了以工程实际需求为导向,以高性能计算资源为辅助手段,基于飞机设计需求而开发的多学科、大变量的并行计算软件系统及计算平台,以及利用该平台实现的航空应用算例。

从战斗机的发展历程看空气动力学的贡献

战斗机在各种类型的飞机中具有最高的空气动力学要求,其技术水平也最能反映航空科学技术的发展情况。随着空气动力学及其他航空科技的阶段性突飞猛进,战斗机的发展也呈现出阶跃的现象。因此,文章从最早的战斗机直至现代最新投入使用的战斗机,乃至正在研制或未来可能出现的战斗机的性能和特点出发,进行了分代,从中可以看出空气动力学对于战斗机发展具有明显的推动作用。

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。