氢能源民用飞机技术路线与总体概念设计方法研究

本文以实现民用飞机净零碳排放为目标,寻找可以在未来投入大规模应用的新能源动力形式。从能量密度、功率密度、减碳以及能源经济性等维度开展对比评估,结合通勤飞机、窄体干线、宽体客机等典型座级航程的各级别民机产品的能源动力系统的质量对比,本研究认为“氢能源+涡轮机”将是未来新能源民用飞机最具可行性的能源动力组合。建立了适用于氢能飞机的总体设计流程,针对窄体干线氢能客机开展总体设计,采用阻力分解方法估算气动效率,多种分类质量计算方法估算空重,经过设计迭代形成可行的氢能飞机总体参数和初步概念方案。分析结果表明,对于窄体干线级别民机,采用“氢能源+涡轮机”的动力架构使该级别飞机起飞质量比传统燃油飞机增加不到10%。考虑到未来10~20年氢能动力系统和机载氢燃料存储技术可预见的突破,氢能飞机是实现航空运输净零碳排放的非常具有潜力的解决方案。

面向民用飞机需求验证的自动化测试技术研究

在商用飞机全生命周期的研制过程中,需求与概念论证环节作为商用飞机研制的早期环节,将极大地影响整个商用飞机的全生命周期成本。其中功能定义作为需求与概念论证阶段的核心产物之一,以一种统一化、标准化的描述了目标产品一系列的预期行为表达。功能性需求作为功能定义的重点输出产物,决定了商用飞机的核心产品竞争力。基于功能仿真的需求验证作为一种常用的需求质量评价手段,通过建立飞机的测试模型,仿真模拟特定场景下飞机的运行行为,以结果为评判依据确认早期方案设计是否满足需求。然而,在实际面向需求的仿真测试过程中,碍于场景外部环境的多变性,往往会出现“组合爆炸式”的测试用例,极大地增加了测试的规模和成本。为解决上述问题,提出基于模型的测试(MBT)方法,通过基于系统建模语言(SysML)模型自动化生成测试用例,缩短验证过程的周期并保证需求验证的可追溯性。

基于系统工程的民用飞机系统接口设计与控制方法研究

民用飞机系统的接口承接了功能、性能和物理空间的需求。系统接口的设计与控制是民用飞机机载系统、子系统和设备的重要设计工作之一。基于系统工程思想,以机载系统、子系统及设备接口定义和设计的相关需求为输入,以机载系统研制阶段为基础,提出了一种基于接口设计需求、层级化的接口定义与设计方法,以及同层级、上下层级间接口的控制策略。结合某民用大气数据子系统,以电气接口的设计及控制为典型案例,介绍了接口设计与控制的具体实践,为民用飞机机载系统、子系统及设备多种类型接口的设计与控制提供了工程实践性参考。

民用飞机科研项目后评价方法研究

科研项目后评价有助于提高科研经费使用效益、优化科研资源配置,可作为后续相关科研项目立项的参考依据。本文通过对科研项目评价方法及理论的梳理,构建民用飞机领域科研项目后评价方法体系,并以航空企业技术类科研项目为例,提出了具体实施方法,为航空企业提高科研管理水平提供了理论基础。

民用飞机使用空机重量估算方法研究

使用空机重量是飞机概念方案设计中的重要参数之一,其相对大小直接体现了飞机的设计效率,表征飞机在材料应用、结构设计、系统架构等方面的先进性。本文对目前使用空机重量估算常用的几种方法进行了研究,分析对比了传统线性拟合方法以及非线性拟合方法在实际应用中的适用性,并以宽体客机为例进行了估算分析。在此基础上,考虑样本数量较少和神经网络方法的优点的情况下,基于径向基(RBF)神经网络建立了一种新的估算模型,并将其应用于飞机使用空机重量估算,结果显示新方法大大提高了估算精度,对民用飞机概念设计阶段的使用空机重量估算具有直接参考价值。

民用飞机侧滑角传感器安装位置数值研究

侧滑角传感器的安装位置会影响当地侧滑角测量的准确性,并且其尾迹涡可能会影响到布置在机头两侧其他传感器,因而研究侧滑角传感器的安装定位对民用飞机的操控特性和安全性有着重要意义。采用基于非结构网格的计算流体力学(computational fluid dynamic,简称CFD)数值模拟方法研究了侧滑角传感器安装位置对机头附近当地侧滑角和对当地攻角的影响。计算构型分别为全机干净机身构型和全机干净机身加上安装在机头上两组不同位置分布的侧滑角传感器构型。计算工况为来流马赫数0.85,来流攻角±2°,干净构型的来流侧滑角为0°~20°,传感器构型来流侧滑角0°和10°。对三种构型的流场、机头偏移面处当地侧滑角、当地攻角分布和无量纲涡量分布进行了分析比较,得到侧滑角传感器处当地侧滑角随来流侧滑角的变化规律,以及侧滑角传感器的尾迹影响区域及其对机头两侧当地攻角分布的影响,并给出了侧滑角传感器尾迹影响下机头两侧攻角传感器的合理布置区域。

大型民用飞机涡扇发动机采购成本研究

通过查阅大量国内外相关文献资料和报道,并结合作者的工作经验,首先探索了大型民用飞机发动机的研制和批生产成本的分析方法和计算模型,估算了市场上新型发动机的研制成本和批生产成本。然后提出了大型民用飞机发动机的基本价格计算方法,利用市场上新型涡扇发动机的参数进行计算分析,并结合飞机的基本价格进行了比较分析。在分析发动机成本、基本价格和市场竞争情况的基础上,分析了实际采购价格策略。研究表明,在市场经济条件下,发动机采购成本估算应采用"市场定价"准则。提出的方法合理,计算简便易用,精度能满足实际需要。可以为中国研制大飞机项目提供参考,同时也可以为航空公司在选择和采购发动机时提供参考,以便合理估算大型民用飞机涡扇发动机的采购成本。

大型民用飞机概念方案气动弹性综合分析方法研究

现代大型民用飞机在概念设计阶段需要对机体弹性的影响进行充分考虑。本文利用气动和结构各自学科的工程方法对大型民用飞机概念方案进行气动弹性建模与计算,利用全速势方法进行初步气动载荷分析,利用亚声速偶极子格网法进行非定常气动力的计算,利用梁架模型和刚度缩比方法对结构进行初步建模,利用统计方法计算得到各结构部件的分类重量并在结构模型中完成质量分配,形成可用于概念方案阶段静气弹载荷分析、颤振分析的气动弹性模型,并以大型民用飞机为算例进行分析研究,得到结构弹性对于全机气动特性、变形以及颤振特性的影响。

民用航空运输业低碳化发展战略研究

碳达峰、碳中和战略目标进入了实施阶段,给处于快速发展期的民用航空(民航)运输业带来了新的压力与挑战,相应碳减排策略研究获得国内外高度关注。本文梳理了国际民航(主要指商用飞机)运输业低碳化发展的形势与要求,研判了我国民航运输业低碳化发展的宏观形势、发展现状和面临问题,提出了相应发展目标和基本思路。通过行业规划、产品创新、低碳能源、航空公司运营等方面的共同努力,到2060年我国民航运输业将如期实现碳中和,全面形成绿色低碳的发展格局。技术创新是推动民航运输业低碳化转型的核心驱动力,建议布局低碳商用飞机产品研发和关键技术攻关、加快推进可持续航空燃料的市场化应用、发展智慧航空以促进低碳运营,从而促成我国民航运输业高质量发展。

商用飞机新能源动力发展路径分析与展望

围绕全球航空运输业碳减排背景,初步探讨了新能源商用飞机发展路径的问题,以期为我国未来商用飞机低碳化发展提供参考。分析世界航空产业碳减排形势,总结了欧美等商用飞机新能源发展现状与趋势;从可持续航空燃料(SAF)应用、混合动力推进技术、氢动力推进技术三个方向分析了新能源动力发展路径及相关探索工作;针对未来新能源商用飞机产品研究,提出了新能源动力及主要关键技术等需求;总结了商用飞机新能源产品发展方向和重点技术发展方向,提出了系统策划商用飞机减排体系等初步思考。

民用飞机增材制造技术应用发展趋势

增材制造(AM)在复杂结构一体化成形、缩短生产周期和提高材料利用率方面优势显著,已成为实现民用飞机结构快速设计验证、减重降本增效、敏捷航材支援及维修维护应用的重要技术。基于增材制造技术的发展历程,深入剖析了增材制造在民用飞机领域的应用优势及现状,对材料工艺、质量控制、适航要求和经济性等方面的关键挑战进行了详细阐述,并结合增材制造材料供给能力、工艺装备及软件系统性能的提升、产业政策的支持和产业链条的逐渐完善讨论了增材制造技术应用机遇;基于未来发展需求,展望了民用飞机增材制造技术创新应用的发展趋势。

民用飞机概念方案翼盒结构总体有限元快速建模

针对民用飞机概念方案结构设计,以自然网格方法为基础提出一种翼盒结构总体有限元快速建模方法。采用CATIA二次开发实现结构布置参数化并获取翼梁、长桁和翼肋的结构交点,根据翼盒结构实际传力路径建立结构交点间的拓扑关系模型,快速完成翼盒结构总体有限元建模。以某民用飞机的机翼建模实例验证了方法的适用性和有效性。

先进复合材料在航空发动机外部管路中的研究进展

航空发动机外部管路系统是保证发动机正常运转的必要结构,目前外部管路主要使用的原材料有不锈钢、钛合金和镍基高温合金等金属材料。近年来,随着树脂基复合材料的不断发展,复合材料结构的耐温性、成型性、可靠性等性能均有了明显提升,在一些民用客机和发动机上逐渐替代原有的金属异形管路,极大限度地满足了管路系统在高性能、轻量化、一体化成型等方面的需求,展现出了良好的应用前景。本文针对航空发动机外部管路现状、复材管路应用前景、复材管路的选材和成型工艺的选择、以及复材管路适航符合性验证等方面进行了分析、综述和展望。

现代民用飞机中央翼盒后梁框的设计思路

翼根连接是飞机结构设计的重要环节之一,后梁框是翼根连接后梁的主要承力构件。本文通过介绍翼根连接主要载荷传递、材料和工艺选用原则以及三种典型的翼根连接后梁框结构方案,为后续民用飞机翼根连接后梁框的设计提供参考。

氢能航空运行场景研究

氢能是实现航空业“低碳”运行的重要路径,氢能飞机设计及氢能航空的体系级应用成为研究焦点。本文分析了民航运输体系为保障氢能飞机运行的新场景,从氢能供应链条和终端使用保障出发,对不同预期目标下的机场基础建设和运营提出了要求;进一步对体系级场景下的飞机运行场景开展了研究,识别了氢能飞机因使用氢燃料替代航空煤油而在各运行阶段引发的新场景,分析了各场景对飞机设计的影响。最后以氢能支线飞机设计为例,基于已识别的飞机运行新场景,初步定义了飞机在使用氢燃料时应满足的部分顶层研制需求。通过研究,初步捕获了氢能航空从供应链条至终端使用的运行要求和基础保障,为氢能飞机和氢能机场方案设计提供输入。

变刚度复合材料加筋壁板的压缩试验及仿真研究

受益于自动铺丝等自动化制造技术,曲线纤维复合材料的工程应用已经成为现实,但曲线纤维复合材料在加筋壁板上的性能优势仍缺乏相应的试验数据验证。本文对比分析了直线纤维与优化后的曲线纤维复合材料加筋壁板的压缩性能,采用了自动铺丝工艺分别制造了直线纤维面板和曲线纤维面板,并与固化好的工形长桁进行二次固化,然后对两种类型的试验件进行压缩性能测试。试验结果表明,直线加筋壁板复合材料的压缩载荷为116.27kN,而优化后曲线纤维加筋壁板的压缩载荷为151.62kN。对两种形式的加筋壁板进行了有限元仿真,并与试验结果进行对比。仿真结果表明,直线纤维加筋壁板因为较早地出现了面板屈曲并随之与工形长桁脱黏,最后长桁被压溃而导致整个结构失效。而曲线纤维加筋壁板因为屈曲强度较高,在临近失效时才发生脱黏,并导致最终的压溃。

飞机变频供电系统多通道数据测试技术研究

针对变频供电系统,提出了一种电能质量检测分析测试方法。采用数字滤波技术实现变频条件下的基波滤除,并通过FFT算法分析计算出畸变频谱;通过多块不同类型板卡间同步采集技术,使得不同板卡间的所有采集通道实现同步采集;利用开关信号状态变换实时存储技术,可以真实反映某一时间电网中所有接触器的通断情况,为电能质量分析提供参考依据。

大学生方程式赛车过弯非稳态气动问题的数值与试验研究

以大学生方程式赛车为研究对象,采用非稳态来流仿真方法对其过弯时的气动性能展开了研究。采用非稳态来流方法,将仿真来流速度设置为随时间变化的场函数以精准模拟入弯情形,并与稳态来流的弯道仿真结果进行了对比;配合仿真结果,在道路试验中使用表面压力测量对扩散器和尾翼的局部流场进行了量化。结果表明:赛车前轮以及前翼在非稳态过弯时会对下游底部流场产生较大影响,底部扩散器的非稳态气动鲁棒性将是整车气动设计的重点。

舰载机尾喷流降噪技术研究进展

为了防止舰载机的强大噪声严重危害航空母舰甲板上工作人员以及海军基地周边社区人群的健康,降低舰载机噪声始终是舰载机技术领域的重要研究课题之一。从舰载机噪声带来的影响和危害出发,阐述了尾喷流噪声在舰载机噪声中的核心地位,总结了舰载机尾喷流降噪技术的最新研究进展,提出了只有结合多种技术手段才能解决舰载机噪声问题。

运输类飞机复合材料结构适航专用条件应用研究

相比于传统金属材料,复合材料在飞机结构上的大量使用不仅给飞机设计和制造带来了挑战,也给飞机的适航取证带来了诸多难题。从运输类飞机复合材料结构五个重点适航专用条件入手,对相关专用条件建立的原因、要求以及符合性验证的要点进行应用研究。本文的研究工作可为未来国产复合材料飞机适航审定和进口复合材料航空器型号认可提供参考和借鉴。