捷报 | 团队成员在商飞“未来民用飞机减阻创新设计”大赛中获一等奖

2019 年 4 月 16 日 无人机

比赛简介

民机的商业成功需要确保安全性，突出经济性，改善舒适性，强调环保性，其中经济性是决定航空公司飞机选购的主要因素，而环保性可能成为未来航空市场的准入条件。飞机的阻力直接影响上述两个特性，同样与安全性、舒适性密不可分。因此，减阻研究对于商业飞机的成功与否至关重要。

本次大赛由上海飞机设计研究院主办，清华、同济、复旦、北航、西工大、北理工、南航等多所高校积极参与，以“未来民用飞机减阻创新设计”为主题，侧重对未来民用飞机的总体设计和关键技术创新设计，重点在于研究分析未来民用飞机减阻的构型和措施，完成民用飞机的总体概念设计；或者针对民用飞机减阻中的某项关键技术，提出具有创新性的技术解决方案。

我们的团队

李立

李立，1992年生，西北工业大学飞行器设计专业在读博士，主要研究方向为飞行器总体设计、气动布局设计，机翼气动外形设计及优化，空气动力学及计算流体力学。发表各类论文6篇，并有4项国家发明专利，参与的主要课题与项目包括某型飞翼无人机、宽体客机、某型超声速客机等。曾获得教育部国家公派生资格，于2015年赴德国宇航院汉堡航空运输系统研究所进行学习并参与空客公司Strut-Braced Wing Configuration Research的总体布局概念设计。

何小龙

何小龙，1989年生人，飞行器设计博士，自本科开始在西北工业大学习至今，主要研究方向是基于计算流体力学的气动外形优化方法和应用，发表SCI\EI索引学术论文10篇和一项国家发明专利，并参与了大型客机、宽体客机等若干重大型号的机翼、增升装置外形设计。

2015-2017年，本人有幸获得国家公派资格，跟随美国密西根大学安娜堡分校的Martins教授进行优化方法研究。

杨一雄

杨一雄，1995年生，西北工业大学飞行器设计专业在读博士，主要研究方向是气动外形优化设计、柔性飞机设计、深度学习等，发表各类论文6篇，并有3项国家发明专利，参与的项目包括宽体客机的气动外形设计、变弯度机翼研究以及混合层流减阻研究等。

马世伟

马世伟，1994年生，西北工业大学飞行器设计专业在读硕士，主要研究方向是气动外形优化设计、高超声速飞行器飞发一体化设计，先后参与宽体客机机翼气动外形设计、层流机翼翼套气动力飞行试验技术、某型超音速靶机气动外形设计及风洞试验等多个重大型号工程项目。

孙逸轩

孙逸轩，1993年生人，西北工业大学航空工程专业在读硕士，主要研究方向为气动弹性、气动伺服弹性设计。参与的项目包括某重点型号飞机进气道设计、巡飞弹总体设计以及某类飞翼无人机总体设计等。

研究背景

近几十年以来，对于航空界的探索研究和技术创新来说，如何有效减小对大气环境的不利影响已经成为了发展的关键导向。

此外，在过去的几十年间，跨音速客机的设计基本是在常规布局上进行改进，很少在整体布局方面有重大的突破。这样做能够很好地避免未知的风险，但难以完成N+3计划提出的目标。结合已有研究成果，其中支撑翼布局式的民用客机设计无论是从经济角度还是环境保护角度，都具有很大的吸引力。其相较于常规布局飞机，不仅具有较高气动效率的潜在优势，而且有潜力通过耦合结构设计，动力系统设计以及层流技术等，加以合理设计实现更大的综合性能改善，对于未来航空运输和大气环境都有积极的影响。

总体思路

由空气动力学的知识可知，机翼的展弦比与其诱导阻力的大小有直接关系，支撑翼布局飞机的灵感就来源于此。通过增大机翼的展弦比可以产生明显的减阻效果，从而提高巡航阶段的升阻比。然而，在传统的悬臂梁机翼上，机翼的展弦比不能做的很大，其原因在于结构重量的限制。但与传统机翼布局相反，支撑翼布局能够在付出较小结构重量的代价下，实现展长的明显增加，或者说，在展弦比相同的情况下，它在降低结构重量方面有着明显的优势。同时，对于相同座级的客机来说，在付出较小结构重量的代价下，气动效率的明显提升能够减小机翼面积和飞机的自身重量，并在此基础上，降低对动力系统的要求，从而实现潜在的降噪能力。

由于布局形式的变化，支撑翼布局客机的气动设计与传统客机有着较大的区别，主要的设计难点不仅包括主翼的设计，还包括撑杆的设计，以及撑杆与主翼、机身连接处的复杂干扰设计，对气动设计提出了新的要求。本方案对撑杆和连接处的整流进行了精心的设计，并使用基于伴随求解器的高精度优化手段对支撑翼布局的客机进行了优化，有效改善机翼上表面的激波，各个连接处的分离和激波基本消除，获得了具有一定工程实用参考价值的设计方案。

方案三视图

方案表面及空间网格

优化设计

对支撑翼布局飞机初始构型进行基于离散伴随方法的梯度优化设计。优化框架包括优化算法模块、外形参数化模块、网格变形模块、CFD流场求解模块和梯度信息求解模块等。

采用FFD外形参数化技术对整个TBW构型气动外形进行“机身-机翼-主撑杆-辅助撑杆-平尾-垂尾”一体参数化

机翼和主撑杆经过优化设计后，全机升阻比可达22.76

Model	Ma	CL	CD(counts)	Cmy	L/D
Initial	0.7	0.77	559.46	-0.021	13.76
Opt	0.7	0.77	338.38	-0.013	22.76
delta	/	/	-221.08	0.008	9

优化后机翼扭转角分布如下图所示

初始构型机翼整个上表面及机翼撑杆交接处都有较强的激波区，而优化之后，机翼以及和撑杆干扰部分激波区域得到有效抑制，且其激波强度显著弱化。下图中红色为激波区。

Initial opt

优化前后的典型截面压力系数分布如下图所示。六个站位的压力分布呈现的特征基本一致，均表现出头部吸力峰值降低；上翼面弦向20%左右的强逆压梯度有效减弱；整个弦向的压力分布更加饱满，压力恢复更加缓和。

剖面a 剖面b

剖面c 剖面d

剖面e 剖面f

对于主撑杆和副撑杆，优化构型均有很明显的局部特性改善。这进一步说明了本文进行的优化研究对于这种非常规布局构型的复杂部件间相互干扰可以进行有效的气动设计和性能改善。

Initial opt

机翼与主撑杆在空间流场下的局部特性提升。优化前后机翼展向5.7m处剖面机翼主撑杆区域压力云图对比如下图所示。

Initial opt

优化前后机翼展向5.7m处剖面机翼主撑杆区域压力云图对比如下图所示。

Initial opt

与国内外技术水平的综合比较

支撑翼布局式的民用客机受到众多研究机构的广泛关注并开展相关研究工作：美国诺斯洛普公司上世纪五十年代进行了开创性的研究，Werner Pfenninger第一次提出了支撑翼布局式飞机作为长航程跨音速民用运输机的概念；波音公司和洛克希德公司在上世纪七十年代合作针对支撑翼布局民用客机进行了设计验证研究；美国宇航局在上世纪八十年代高空科研项目中分析了该布局大展弦比高升力系数下的气动特性并从飞机重量方面讨论了其优势和不足; 美国宇航局和波音公司联合开展的亚音速超环保飞机研究项目详细论证了该布局结合新型技术在未来减少油耗和噪声控制的优势；美国宇航局开展的N+4计划，在之前SUGAR项目的基础上继续探索研究该布局可应用的未来概念和新技术；国际航空运输协会联合德国宇航局和美国佐治亚理工学院开展的TERESA项目，从对环境影响和飞行效率方面进行了相关论证。过去大量的针对这种非常规布局飞机的研究，多是利用低精度求解器甚至是经验公式估算，而且对这种复杂构型很少采用大规模设计变量进行较为精细的优化设计探索其相关飞行性能问题。然而对于这种非常规布局的飞机，高精度的求解和精细的气动优化设计是探究其气动特性不可缺少的环节，目前进行相关应用研究较少。本方案开展了基于伴随方法的气动优化设计研究，优化结果明显改善了其气动性能。

创新点

下图展示了典型支撑翼布局飞机的支撑翼结构，它由三部分组成，即机翼、主撑杆和副撑杆。主撑杆的存在首先能够通过承担一部分机翼的重量从而有效减缓机翼翼根弯矩，这就为增大机翼展长提供了条件，较大的展弦比机翼能够有效减小全机的诱导阻力；其次应用主撑杆也能使得机翼采用相对厚度较小的翼型，这能有效降低跨音速的激波阻力；总的来说，全机减阻一方面可以促进飞机降低油耗，符合清洁飞行；另一方面可以提升全机升阻比从而改善全机的气动效率。另外，上述减阻潜力也为支撑翼布局飞机减小机翼后掠角提供了余量，较小的后掠角加上厚度较小的机翼可以使得机翼应用层流技术的可能性增加，这可以有效减低全机的零升阻力继而进一步减小全机阻力。

本方案搭建了一套基于伴随方程的高可行度的梯度优化框架，能够高效可靠地处理大规模设计变量和约束的复杂三维问题。优化设计构型相较于初始构型，全机总阻力减幅达到了39.52%，设计构型升阻比可达22.76，气动性能有了很明显的提升，证明优化系统的可靠性和有效性。

应用情况和前景

在国外最新的概念设计中，相比传统悬臂梁布局形式，支撑翼布局能够降低20%的起飞空重和29%的燃油消耗。这种巨大的巡航效率的改进能够大大减小客机的燃油消耗和污染排放。而且，这种提升仅仅是布局形式上的提升，一些合适的先进技术还能整合到支撑翼布局飞机中，带来更大的收益。比如，混合层流控制技术，支撑翼布局飞机展弦比较大、后掠角较小，更易于层流技术的实现。一般来说，支撑翼布局的客机具有非常大的展长，可能会超过机场停放的限制（80m），可引入折叠翼技术解决这一问题。支撑翼布局所带来的气动效率和结构重量上的优势，使它可广泛应用于未来的大中小型客机以及公务机中。

往期热文（点击文章标题即可直接阅读）：