优化飞行器结构设计 推动航空发展——访国家“千人计划”专家、北京航空航天大学熊跃熙教授

本刊记者 谷 雨

：飞机与发动机之间用传统的设计方法往往难以得到最优的匹配，为提升飞机与发动机的综合性能，需将二者作为一个整体开展设计。在飞/发一体化设计中，需要重点开展哪些领域的研究工作？存在哪些技术难点？未来的关注点是什么？

熊跃熙：飞机与发动机为两个庞大的系统，现有的设计方法是将两者分开考虑，其相互间的关系由后续的飞机公司和发动机公司商讨决定，小的问题只要对飞机和发动机没有大的影响一般不会去修正。这在某种程度上导致整个系统的设计延迟并很难取得系统的最优匹配方案，特别是当两类系统紧密地耦合在一起的时候。从2006年起，中国政府将飞机和发动机都作为重大专项，进行了很大的投入，并相继成立了“中国商飞”及“中航商发”，但是我认为飞机和发动机的连接部位应该引起政府及各有关单位的足够重视，以提高飞机和发动机的综合性能。

在飞/发一体化设计中首先要考虑的是发动机吊挂结构，它是飞机与发动机相连接的关键部件，在保证其满足气动外形和结构表现的设计要求下，最大程度地实现轻量化是我们的设计目标。根据以往经验，吊挂的气动弹性计算与试验验证是首先要攻克的难关，其安全性直接影响到飞机的安全。如美国航空（American Airlines）191号航班于1979年5月25日在芝加哥奥黑尔国际机场上空时，因其中一发动机的吊挂系统出现故障而导致整架飞机坠落，使机上271人遇难。

其次，发动机的短舱系统是包含推进系统的主要部件，它由进气道、风扇罩、内部固定装置、反推装置及尾喷口等组成。目前短舱的几何形状越来越大，其气动设计直接影响到推进系统的特性。同时，要进行有效的热分析以考虑有些部件所在的热环境，特别是在气管破裂的情形下更应注意。在设计发动机短舱各组成部件时，适航部门会对飞机飞行中所承受的主要载荷作出规定，以方便其设计，但所规定的载荷条件也会随时间的推移而改变。例如短舱的进气道、唇口的防冰设计很重要，不然脱落的冰块有可能打坏发动机的零件。同时，进气道又包围了发动机的风扇，其降噪设计愈来愈受到关注。

第三，短舱系统的风扇罩（Fan Cowl）是连接进气道和后面的反推装置的部件，其形状应尽可能光滑以便飞机巡航时有较长的层流。同时风扇罩应有足够的刚度以保证飞机飞行过程中不会发生舀状变形，另外还要保证风扇罩有合理的减压装置，以避免发动机在管道破裂时，短舱系统能承受发动机环境的高温高压。

第四，发动机的反推装置能使飞机在降落时迅速减速并在较短的跑道上停下而不冲出跑道。反推装置由移动罩、叶删及内固定结构组成，而它们的形状又有所不同。目前除常规的由两块半圆形组成的反推构型（即常说的D-Duct）外，最近CFM又推出一种由一整块组成的反推构型，即所谓的O-Duct。这两种反推装置在结构、气动和维修方面各有优缺点，需要进行比较分析，以在发动机的选型上作出合理的选择。

最后，是发动机的尾喷口，其形状对发动机的推力起到很重要的作用。要考虑其材料组成以保证能承受发动机尾部的热气，同时还要保证它与前面部件的连接满足刚度要求。

在短舱和吊挂各部件所承受的载荷中，风扇叶片脱落（FBO）所引起的载荷准确性对短舱和吊挂的设计起到很重要的作用。因此，在评估飞机发动机连接部件的设计时，对风扇叶片脱落模型的合理性以及获得载荷的准确性要加以考虑。

：复杂系统建模是飞行器多学科设计优化（MDO）方法的主要研究内容之一。在复杂系统建模中，应该如何实现学科级分析模型的数据交互问题？

熊跃熙：发动机短舱与吊挂的每一部件所承受的载荷都与多个学科有关，目前所考虑的学科有气动、结构、传热、声学、控制等。对于涉及多学科的复杂系统，MDO算法是对系统进行分解、优化、协调，实现多学科并行设计优化，搜索系统最优解的方法、策略与过程。其主要内容是对问题的分解和组织，并采用高逼真度的近似和修正及灵敏度分析；主要难点在于计算方面的负重及组织的复杂性，解决的方法是在系统和子系统中提高优化算法的速度，在子系统中探讨代理模型技术的发展。

多学科优化设计将系统一级的耦合及其与子系统（各学科）之间的关系考虑进来。飞机与发动机的连接部件属于系统一级，其优化设计的方法有协同优化算法与并行子空间优化算法。协同优化算法将MDO问题划分为系统和子系统两级优化问题。系统级优化全局设计关注变量和各子系统间的耦合变量，并为各子系统的优化提出目标；各子系统独立优化自己的优化变量，调用相关分析，满足约束，使设计与系统提出的方案差异最小，只与系统优化交换数据；系统根据方案差异，修改系统设计方案，为各子系统的设计优化提出新的目标要求，直到整个过程收敛。并行子空间优化算法将系统设计变量分配到各个子系统，使每个学科进行独立优化，各学科的优化变量互不重叠，学科分析需要和已分配给其他学科的系统全局变量通过耦合函数的形式传递。每个子系统的优化需满足子系统的约束，也可以包含其他子系统的约束。优化过程中，子系统的约束和目标函数由子系统分析进行计算，涉及来自其他子系统的耦合变量和约束则用全局灵敏度方程近似计算。对于包含各种设计变量的复杂MDO问题，该方法难以处理。

在同时满足各学科分析的可行性和各学科间耦合量的一致性的前提下，求解系统平衡点的过程称为耦合系统的系统分析。将复杂系统的设计优化问题进行某种程度的分解，将其转化为多个易于处理的子问题进行优化，同时对各子系统的优化进行有效协调。在子系统一级上，尽量采用简化的代理模型技术，如多项式响应面模型、径向基函数模型，Kriging模型或人工神经网络模型等。： 为缩短飞行器的设计研制周期，多学科设计优化研究中应逐步考虑制造过程的影响，从这个角度出发，您认为飞行器优化设计过程中需要加强哪些方面的研究工作？

熊跃熙：任何部件设计都是以制造为目的的，飞机和发动机也不例外，特别是当前及未来在航空结构上使用了愈来愈多的复合材料。另外，要将制造纳入设计的初始阶段，以保证制造商对设计师的作品做到心中有数，因为再好的部件设计，如果制造不出来将是一句空话。因此，所谓的以制造为目的的设计（Design for Manufacturing）应引起国内业界的足够重视。