優(yōu)化飛行器結(jié)構(gòu)設計 推動航空發(fā)展
——訪國家“千人計劃”專家、北京航空航天大學熊躍熙教授

本刊記者 谷 雨

：飛機與發(fā)動機之間用傳統(tǒng)的設計方法往往難以得到最優(yōu)的匹配，為提升飛機與發(fā)動機的綜合性能，需將二者作為一個整體開展設計。在飛/發(fā)一體化設計中，需要重點開展哪些領(lǐng)域的研究工作？存在哪些技術(shù)難點？未來的關(guān)注點是什么？

熊躍熙：飛機與發(fā)動機為兩個龐大的系統(tǒng)，現(xiàn)有的設計方法是將兩者分開考慮，其相互間的關(guān)系由后續(xù)的飛機公司和發(fā)動機公司商討決定，小的問題只要對飛機和發(fā)動機沒有大的影響一般不會去修正。這在某種程度上導致整個系統(tǒng)的設計延遲并很難取得系統(tǒng)的最優(yōu)匹配方案，特別是當兩類系統(tǒng)緊密地耦合在一起的時候。從2006年起，中國政府將飛機和發(fā)動機都作為重大專項，進行了很大的投入，并相繼成立了“中國商飛”及“中航商發(fā)”，但是我認為飛機和發(fā)動機的連接部位應該引起政府及各有關(guān)單位的足夠重視，以提高飛機和發(fā)動機的綜合性能。

在飛/發(fā)一體化設計中首先要考慮的是發(fā)動機吊掛結(jié)構(gòu)，它是飛機與發(fā)動機相連接的關(guān)鍵部件，在保證其滿足氣動外形和結(jié)構(gòu)表現(xiàn)的設計要求下，最大程度地實現(xiàn)輕量化是我們的設計目標。根據(jù)以往經(jīng)驗，吊掛的氣動彈性計算與試驗驗證是首先要攻克的難關(guān)，其安全性直接影響到飛機的安全。如美國航空（American Airlines）191號航班于1979年5月25日在芝加哥奧黑爾國際機場上空時，因其中一發(fā)動機的吊掛系統(tǒng)出現(xiàn)故障而導致整架飛機墜落，使機上271人遇難。

其次，發(fā)動機的短艙系統(tǒng)是包含推進系統(tǒng)的主要部件，它由進氣道、風扇罩、內(nèi)部固定裝置、反推裝置及尾噴口等組成。目前短艙的幾何形狀越來越大，其氣動設計直接影響到推進系統(tǒng)的特性。同時，要進行有效的熱分析以考慮有些部件所在的熱環(huán)境，特別是在氣管破裂的情形下更應注意。在設計發(fā)動機短艙各組成部件時，適航部門會對飛機飛行中所承受的主要載荷作出規(guī)定，以方便其設計，但所規(guī)定的載荷條件也會隨時間的推移而改變。例如短艙的進氣道、唇口的防冰設計很重要，不然脫落的冰塊有可能打壞發(fā)動機的零件。同時，進氣道又包圍了發(fā)動機的風扇，其降噪設計愈來愈受到關(guān)注。

第三，短艙系統(tǒng)的風扇罩（Fan Cowl）是連接進氣道和后面的反推裝置的部件，其形狀應盡可能光滑以便飛機巡航時有較長的層流。同時風扇罩應有足夠的剛度以保證飛機飛行過程中不會發(fā)生舀狀變形，另外還要保證風扇罩有合理的減壓裝置，以避免發(fā)動機在管道破裂時，短艙系統(tǒng)能承受發(fā)動機環(huán)境的高溫高壓。

第四，發(fā)動機的反推裝置能使飛機在降落時迅速減速并在較短的跑道上停下而不沖出跑道。反推裝置由移動罩、葉刪及內(nèi)固定結(jié)構(gòu)組成，而它們的形狀又有所不同。目前除常規(guī)的由兩塊半圓形組成的反推構(gòu)型（即常說的D-Duct）外，最近CFM又推出一種由一整塊組成的反推構(gòu)型，即所謂的O-Duct。這兩種反推裝置在結(jié)構(gòu)、氣動和維修方面各有優(yōu)缺點，需要進行比較分析，以在發(fā)動機的選型上作出合理的選擇。

最后，是發(fā)動機的尾噴口，其形狀對發(fā)動機的推力起到很重要的作用。要考慮其材料組成以保證能承受發(fā)動機尾部的熱氣，同時還要保證它與前面部件的連接滿足剛度要求。

在短艙和吊掛各部件所承受的載荷中，風扇葉片脫落（FBO）所引起的載荷準確性對短艙和吊掛的設計起到很重要的作用。因此，在評估飛機發(fā)動機連接部件的設計時，對風扇葉片脫落模型的合理性以及獲得載荷的準確性要加以考慮。

：復雜系統(tǒng)建模是飛行器多學科設計優(yōu)化（MDO）方法的主要研究內(nèi)容之一。在復雜系統(tǒng)建模中，應該如何實現(xiàn)學科級分析模型的數(shù)據(jù)交互問題？

熊躍熙：發(fā)動機短艙與吊掛的每一部件所承受的載荷都與多個學科有關(guān)，目前所考慮的學科有氣動、結(jié)構(gòu)、傳熱、聲學、控制等。對于涉及多學科的復雜系統(tǒng)，MDO算法是對系統(tǒng)進行分解、優(yōu)化、協(xié)調(diào)，實現(xiàn)多學科并行設計優(yōu)化，搜索系統(tǒng)最優(yōu)解的方法、策略與過程。其主要內(nèi)容是對問題的分解和組織，并采用高逼真度的近似和修正及靈敏度分析；主要難點在于計算方面的負重及組織的復雜性，解決的方法是在系統(tǒng)和子系統(tǒng)中提高優(yōu)化算法的速度，在子系統(tǒng)中探討代理模型技術(shù)的發(fā)展。

多學科優(yōu)化設計將系統(tǒng)一級的耦合及其與子系統(tǒng)（各學科）之間的關(guān)系考慮進來。飛機與發(fā)動機的連接部件屬于系統(tǒng)一級，其優(yōu)化設計的方法有協(xié)同優(yōu)化算法與并行子空間優(yōu)化算法。協(xié)同優(yōu)化算法將MDO問題劃分為系統(tǒng)和子系統(tǒng)兩級優(yōu)化問題。系統(tǒng)級優(yōu)化全局設計關(guān)注變量和各子系統(tǒng)間的耦合變量，并為各子系統(tǒng)的優(yōu)化提出目標；各子系統(tǒng)獨立優(yōu)化自己的優(yōu)化變量，調(diào)用相關(guān)分析，滿足約束，使設計與系統(tǒng)提出的方案差異最小，只與系統(tǒng)優(yōu)化交換數(shù)據(jù)；系統(tǒng)根據(jù)方案差異，修改系統(tǒng)設計方案，為各子系統(tǒng)的設計優(yōu)化提出新的目標要求，直到整個過程收斂。并行子空間優(yōu)化算法將系統(tǒng)設計變量分配到各個子系統(tǒng)，使每個學科進行獨立優(yōu)化，各學科的優(yōu)化變量互不重疊，學科分析需要和已分配給其他學科的系統(tǒng)全局變量通過耦合函數(shù)的形式傳遞。每個子系統(tǒng)的優(yōu)化需滿足子系統(tǒng)的約束，也可以包含其他子系統(tǒng)的約束。優(yōu)化過程中，子系統(tǒng)的約束和目標函數(shù)由子系統(tǒng)分析進行計算，涉及來自其他子系統(tǒng)的耦合變量和約束則用全局靈敏度方程近似計算。對于包含各種設計變量的復雜MDO問題，該方法難以處理。

在同時滿足各學科分析的可行性和各學科間耦合量的一致性的前提下，求解系統(tǒng)平衡點的過程稱為耦合系統(tǒng)的系統(tǒng)分析。將復雜系統(tǒng)的設計優(yōu)化問題進行某種程度的分解，將其轉(zhuǎn)化為多個易于處理的子問題進行優(yōu)化，同時對各子系統(tǒng)的優(yōu)化進行有效協(xié)調(diào)。在子系統(tǒng)一級上，盡量采用簡化的代理模型技術(shù)，如多項式響應面模型、徑向基函數(shù)模型，Kriging模型或人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型等。： 為縮短飛行器的設計研制周期，多學科設計優(yōu)化研究中應逐步考慮制造過程的影響，從這個角度出發(fā)，您認為飛行器優(yōu)化設計過程中需要加強哪些方面的研究工作？

熊躍熙：任何部件設計都是以制造為目的的，飛機和發(fā)動機也不例外，特別是當前及未來在航空結(jié)構(gòu)上使用了愈來愈多的復合材料。另外，要將制造納入設計的初始階段，以保證制造商對設計師的作品做到心中有數(shù)，因為再好的部件設計，如果制造不出來將是一句空話。因此，所謂的以制造為目的的設計（Design for Manufacturing）應引起國內(nèi)業(yè)界的足夠重視。