淺析民用飛機研制總體參數優化

吳玲琳 李海濤 / WU Linglin LI Haitao

(上海飛機設計研究院，上海201210)

0 引言

民用飛機總體設計工作貫穿于整個飛機的全壽命周期中，是民機研制程序的主干線。總體設計工作是將各專業技術集成到一起，形成整體性能最優的設計方案。在概念定義階段，根據商載、航程、飛行性能及場域特性等有限指標和技術要求確定最優的最大起飛重量、推重比和翼載荷、機翼安裝位置、機翼面積及展弦比、尾翼、總載油量、機身尺寸等至關重要的總體參數，為后續設計工作確定準確的工作目標。

1 國內外總體參數優化程序發展現狀

為了加快民機總體設計工作概念設計階段的進度，國內外對飛機總體參數優化展開了一系列研究，形成了多個具有自身特色的飛機總體參數優化程序。

國內的航空主機研究所引進或開發了一些適于特定機型的飛機總體參數優化程序，但在公開出版的文獻中很少見到詳細的報告。原上海飛機設計研究所在20世紀70年代后期就開始研究民機總體參數優化技術，并開發了相關計算機程序，對于我國飛機總體綜合優化技術的發展起到了促進作用。國內一些具有航空特色的高校也對飛機總體參數優化開展過一些研究，譬如南京航空航天大學針對輕型飛機開發了一個帶圖形顯示的軟件[1]，其中圖形部分是利用OpenGL圖形庫自己開發的一套系統，并將軟件應用于AD系列輕型飛機總體參數設計；南京航空航天大學研究過計算機輔助概念設計軟件，該軟件具有一定的總體參數優化功能，集成了飛機主要參數初步估算模塊、氣動分析模塊、重量計算模塊、推力系統模塊、性能分析模塊以及飛機三維外形生成模塊等。北京航空航天大學開發過一個稱之為EDRIPS的設計環境[2]，在這個設計環境中，設計人員可通過用戶界面，進行總體參數的初步確定。西北工業大學在他們編寫的飛機總體設計教材基礎上，開發了輔助課程教學的總體參數評估軟件[3]。在民機研制總體參數優化方面，國內技術研究還不夠深入，還沒有成熟的研究軟件。

國外在開發民機總體設計分析和優化軟件方面已經較為成熟，并形成了商用軟件。以美國航空航天局(NASA)阿姆斯研究中心為首開發了ACSYNT(AirCraft SYNThesis)[4-5]，該系統自20世紀70年代開始研發，經過多年的發展，目前已具有較強大的功能；ACSYNT可以通過幾何建模界面，快速地構建飛機幾何模型，然后用氣動分析模塊、推力分析模塊和性能分析模塊，對設計方案進行分析和評估，現已經被成功地應用于民用運輸機和戰斗機的總體設計。Roskam教授在其系列教材基礎上，開發了面向飛機概念設計的AAA軟件(Advanced Aircraft Analysis，簡稱AAA)[6]；該軟件可以快速地實現對設計方案進行初期的重量估算、氣動特性初步計算、性能初步分析和操穩初步分析，但該軟件沒有參數優化功能。美國的AVID公司曾開發過一個適用于無人飛行器的總體初步設計系統[7-8]。美國NASA 蘭利研究中心在20世紀80年代曾開發出面向飛機總體參數分析和優化系統的FLOPS(Flight Optimization System，以下簡稱FLOPS)，它包括重量分析、氣動分析、推進系統分析、航線性能分析、起飛著陸性能分析、噪聲評估和成本分析等模塊，具有總體參數優化功能，該系統一直在持續改進和完善中，已被工業界和飛機設計研究者所應用，但該軟件的應用范圍有限，主要在美國和歐洲的一些國家可以應用。Raymer在其教材AircraftDesign：AConceptualApproach基礎上，開發了一個面向飛機總體初步設計的快速設計系統RDS軟件[9]，該軟件主要用于飛機設計教學，但參數優化的功能較弱。PIANO(Project Interactive Analysis and Optimisation，以下簡稱PIANO)軟件是一款商用飛機總體初步方案分析和優化軟件，該軟件具有良好的用戶界面，計算分析功能較強，具有一定的參數優化功能，能對機翼主要參數進行優化，但沒有操穩分析功能。

2 民用飛機研制總體參數優化

飛機總體設計過程需要進行大量循環和迭代設計，尤其在初步方案設計階段，信息量較少、各專業學科之間耦合關系高度復雜，設計迭代更加密集。總體參數設計優化技術是通過集成各學科的分析模型，將各種設計要求提煉為約束條件，定義一個或多個優化目標，應用優化算法自動尋找出最佳總體參數。參數優化基本原理[10]如圖1所示。

圖1 總體參數優化基本原理

2.1 總體參數優化的意義

總體參數的選擇有兩種不同的方法，一種是用計算機進行參數優化，為此必須采用參數優化程序；第二種是經驗設計法(統計法)，即憑借已有飛機的工程經驗，從統計中得到各參數之間的統計關系，據此確定新飛機的各項參數。

總體方案設計涵蓋眾多學科，要滿足多方面的設計要求和目標，每個設計參數的變化都會影響多個性能指標，僅靠設計人員的經驗或人工調整參數的辦法，因其參數多、計算量大，計算周期長，設計過程強烈非線性、非唯一性，分析過程不可逆性等特點，很難獲得最佳總體設計參數。

隨著民機研制進程的快速發展及總體設計參數優化方法的日趨完善，程序化發展是趨勢，國外各主制造商均有自己的優化工具。應用總體參數優化程序化的優勢主要有：

1) 可以快速進行迭代設計，縮短總體參數優化時間，對方案的分析比較完整和精確，可以達到所需的詳盡程度；

2) 優化得到的是“最優設計”，即在當前技術水平上滿足要求的諸方案中最好的一個；

3) 當設計任務要求在某方面性能超過一般已有飛機的情況時，用傳統的人工設計方法，已有的可供參考的經驗較少，但使用參數優化程序仍然可以很快確定飛機的總體規模，可以快速地分析出不同設計要求和先進技術(如先進氣動技術、先進推進技術、先進材料和結構技術)應用的影響。

因此，總體參數優化技術是民機研制總體方案設計的必備關鍵技術。

在實際的飛機設計中，一般會結合使用上述兩種方法，一方面利用計算機的強大性能，另一方面可使用設計者的判斷并充分參考一切可以借鑒的經驗。

2.2 總體參數優化原則

根據概念設計階段總體設計工作內容和工作流程，考慮傳統飛機設計技術手段的缺陷和現有商業軟件的不足之處，取長補短，制定了總體參數優化方法，總體參數優化程序建立流程如圖2所示。

圖2 總體參數優化程序建立流程

2.3 聯合概念定義階段總體設計工作內容

飛機聯合概念定義階段總體設計工作過程可概括為三個環節(初步設計方案的形成、方案分析和方案優化)，如圖3 所示。

圖3 飛機概念定義階段總體設計工作過程

飛機聯合概念定義設計階段是整個飛機設計過程的初始階段，其任務主要是根據飛機的設計要求，對所要設計的飛機進行全面的構思，形成飛機基本總體技術方案。主要內容包括[10]：

1)初步選定飛機的構型和氣動布局；

2)初步選擇飛機的主要參數；

3)選定發動機和主要的機載設備；

4)初步選擇各部件的主要幾何參數；

5)繪制飛機的三面草圖；

6)初步考慮飛機的總體布置方案；

7)初步估算性能，檢查是否符合飛機設計要求給定的性能指標，然后修改整理所擬定的初步方案。

總體設計工作內容輸入輸出關系如圖4所示。

圖4 總體設計主要工作輸入輸出關系

2.4 總體參數優化框架

目前，國內使用的國外商業優化軟件主要有AAA、PIANO、Pacelab APD等軟件，在使用過程中發現了一些不足和限制，基于這些不足和限制，經過綜合分析并取長補短，研究者制定了總體參數優化的框架。國外主要的總體參數優化商業軟件優缺點見表1。

表1 主要的商業總體參數優化軟件對比

結合現有商業軟件的優缺點，基于系統工程的理念統籌全局，建立各專業分析模型并集成；采用統一的數據庫，保證各專業設計過程中數據保持一致，實現了數據協同；所有工程師采用同一平臺進行計算分析，確保了過程協同；采用模塊化設計，既可以進行全機綜合分析，也可以獨立進行分析；同時，整個架構保持開放式，可以根據不同需求進行擴展。利用ISIGHT平臺提供的設計優化工具，包括優化算法庫、實驗設計方法、敏感分析、代理模型等；同時也應充分利用該平臺前、后處理功能，使本系統具有良好的用戶界面。優化設計架構如圖5所示。

2.5 分析模型

總體參數分析優化由基本性能分析和操穩特性分析兩部分組成，包括幾何模塊、氣動模塊、重量模塊、推進模塊、性能分析模型、操穩分析模塊、經濟性分析模塊等。各模塊主要功能如下：

1)推進模塊：給出發動機總體參數和外部特性；

2)幾何模塊：計算可容最大燃油量的體積和各部件的外露面積幾何信息；

3)氣動模塊：估算大型客機的高速氣動特性和低速氣動特性，計算縱向、橫側向氣動導數，在氣動模型中考慮翼尖裝置對氣動特性的影響；

4)重量模塊：估算設計方案的各部件重量、制造空機重量、使用空重、零燃油重量、最大起飛重量等重量特性，預測全機重心及變化范圍；

5)性能分析模型：計算起降性能、爬升性能、商載航程等；

6)操穩分析模塊：確定靜穩定裕度，評估起飛、巡航、著陸各階段的操穩特性；

7)經濟性分析模塊：根據設計方案提供的重量、商載、性能等數據，計算該設計方案飛機的直接運營成本。

各分析模型采用經驗數據和經驗公式組成估算模型，對于所選擇的計算模型均采用現役飛機進行分析和驗證，并結合工程經驗進行修正，確保分析模型誤差最小。

幾何模型是最重要的基礎分析模型，為后續模型提供計算所需的各類幾何數據；推進系統分析模型主要有三部分組成，即發動機外部特性(包括推力特性和油耗特性)、發動機主要尺寸(長度、最大直徑等)以及發動機裸機重量等，外特性主要提供給性能和操穩模型使用，尺寸和重量數據分別供幾何和重量模型使用；性能和操穩以推進、氣動和重量等核心模型分析的結果為基礎，設計目標和約束主要來自于這兩個模型的分析結果。各模型間數據傳遞關系如圖6所示。

圖6 各模型間數據傳遞關系

2.6 優化算法

ISIGHT平臺是一個通用的工程系統設計優化環境，它提供了強大的用戶界面，通過圖形化工作界面，用戶可以進行產品設計的過程集成、參數分析、優化等設計工作。

優化計算方法主要有數值型和探索型兩類，數值型算法主要有外點懲罰函數法、修正可行方向法、序列線性規劃、廣義簡約梯度法、序列二次規劃法、逐次逼近法等；探索型算法主要有遺傳算法、批處理遺傳算法、模擬退火算法等。

通過對優化算法的研究，采用混合搜索策略最優，先用探索型(遺傳算法)搜索到全局最優解附近，再用數值型(序列二次規劃算法)快速地搜索到精確的全局最優解，如圖7所示。采用多步優化策略，一方面可以加快收斂，縮短計算時間；另一方面，可以防止陷入局部最優解，獲得全局最優解，即設計要求范圍內的最優設計方案。

圖7 混合型搜索策略

2.7 計算機輔助設計程序化

整個總體參數分析程序由基本性能分析和操穩特性分析兩部分程序組成，各部分程序的組成關系如圖8所示。

圖8 總體參數分析程序的組成

在總體參數分析程序的基礎上，對分析結果進行解析，指定優化目標和設計約束；對輸入參數進行解析，指定設計變量；結合一定的優化方法，就可以實現總體參數的優化設計。整個優化設計的過程如圖9所示。

圖9 總體參數優化過程

通過對比分析，采用MATLAB(Matrix Laboratory，以下簡稱MATLAB)進行程序化。MATLAB具有科學計算能力強大、語言簡單易用、繪圖功能方便、數據庫功能便捷、能與文字處理軟件無縫鏈接等優點，已成為計算機輔助設計和分析、算法研究和應用開發的基本工具。MATLAB主要程序采用MATLAB m-file 編寫，并編譯為EXE格式的可執行文件；采用ISIGHT軟件對EXE文件實現集成，在ISIGHT軟件環境下可以實現集成分析和優化。

圖10 各部分程序組成關系

總體參數分析程序一般包括ADSYS_in、SCANA和ADSYS_out三個主要的流程控制和分析程序，還包括Analyse和Digdat兩個回調程序。各部分程序組成關系如圖10所示。

3 總結與展望

本文建立了總體參數綜合分析和優化計算的技術方案，包括分析模型和優化策略，為建立具有自主知識產權優化工具、突破國外技術封鎖打下基礎，為民機系列化發展和新型號研制積累了總體參數綜合分析和優化的經驗，以期能進一步提高國內民機研制的技術抓總能力和集成能力。