基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的超聲速民機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘要：目前對超聲速民機(jī)機(jī)翼的研究主要側(cè)重于低聲爆設(shè)計(jì)技術(shù)和超聲速減阻技術(shù)，針對機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究相對較少。因此，提出了一種面向超聲速民機(jī)初步設(shè)計(jì)階段機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多級優(yōu)化方法，包括機(jī)翼結(jié)構(gòu)布局參數(shù)化建模、結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化有限元模型的自動生成、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代理模型的搭建與訓(xùn)練，以及基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代理模型進(jìn)行優(yōu)化求解。分析結(jié)果表明，提出的優(yōu)化策略能夠?qū)Τ曀倜駲C(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行良好的快速設(shè)計(jì)，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相比于傳統(tǒng)代理模型具有更高的預(yù)測精度，提高了機(jī)翼結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)的效率。

關(guān)鍵詞：超聲速民機(jī)；參數(shù)化；深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；代理模型；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號：V221 DOI： 10. 16579/j. issn. 1001. 9669. 2025. 04. 015

0 引言

世界現(xiàn)役民機(jī)的主流仍為高亞聲速民機(jī)，其在遠(yuǎn)程航線飛行，尤其是在洲際旅行上花費(fèi)時間過長，這使得其乘坐舒適度以及經(jīng)濟(jì)效益大大降低，難以滿足未來人們對快速旅行的需求。因此，超聲速民機(jī)已成為世界民機(jī)未來發(fā)展的主要方向之一。世界主要航空強(qiáng)國為了搶占世界民機(jī)技術(shù)的制高點(diǎn)，也一直在加速發(fā)展超聲速民機(jī)［1］。

歷史上，對超聲速民用飛行的研究始終是民航界乃至全人類的追求。20世紀(jì)60年代，英法啟動了“協(xié)和”式［2］研制計(jì)劃，同一時間，蘇聯(lián)開啟了Tu-144［3］研制項(xiàng)目。當(dāng)時美國的知名航空公司也啟動了多個超聲速民機(jī)型號項(xiàng)目［4］。最終只有“協(xié)和”式和Tu-144研制成功并投入運(yùn)營。但該兩種機(jī)型自問世以來備受成本效益、環(huán)境破壞以及聲爆等因素困擾，并未大規(guī)模推廣使用。進(jìn)入21世紀(jì)后，各研究機(jī)構(gòu)吸取前面研制的教訓(xùn)，新的超聲速民機(jī)研究計(jì)劃中許多指標(biāo)如巡航馬赫數(shù)、最大起飛質(zhì)量比前代大幅降低。影響力較大的超聲速民機(jī)布局方案有日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)推出的S4［5］、洛克希德·馬丁公司推出的QSTA［6］等。另外，美國國家航空航天局（NASA）研制了一款代號為X-59 QueSST的低聲爆驗(yàn)證機(jī)，其縮比模型已經(jīng)進(jìn)行了低聲爆風(fēng)洞測試，并計(jì)劃于后續(xù)展開飛行試驗(yàn)［7］。

近年來隨著高精度數(shù)值仿真技術(shù)、新型飛機(jī)設(shè)計(jì)流程、先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種多學(xué)科分析和先進(jìn)布局理念開始應(yīng)用于超聲速民機(jī)機(jī)翼設(shè)計(jì)，對此國內(nèi)外進(jìn)行了很多研究。丁玉臨等［8］對超聲速民機(jī)的發(fā)展歷史以及國內(nèi)外在超聲速民機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)上的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行了闡述和分析。袁吉森等［9］針對各種阻力在超聲速巡航狀態(tài)下產(chǎn)生的影響，分析了超聲速層流氣動外形設(shè)計(jì)與優(yōu)化技術(shù)的研究歷程與進(jìn)展。SERAJ等［10］通過參數(shù)化進(jìn)行氣動外形優(yōu)化的方法權(quán)衡考慮了超聲速機(jī)翼在高速和低速條件下的性能和穩(wěn)定性。LI 等［11］ 基于計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics， CFD）建立了多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化（Multidisciplinary Design Optimization， MDO）框架，用于設(shè)計(jì)低聲爆等多個任務(wù)約束的機(jī)翼構(gòu)型。ESPINAL等［12］采用新型超聲速雙向飛翼概念設(shè)計(jì)了一款滿足低聲爆、低波阻和高性能的全新布局形式。MELLQUIST等［13］利用直接歐拉-拉格朗日耦合方法對三維超聲速機(jī)翼風(fēng)洞模型進(jìn)行了氣動彈性計(jì)算模擬。由上述介紹可以看出，針對大型超聲速民機(jī)機(jī)翼的氣動設(shè)計(jì)及聲爆問題的研究較多，但在結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化和質(zhì)量估算方面的研究相對較少。

目前，隨著有限元仿真技術(shù)的快速發(fā)展，基于有限元的質(zhì)量估算方法廣泛應(yīng)用于飛機(jī)的概念設(shè)計(jì)過程。然而，機(jī)翼結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中大量的有限元分析會消耗許多時間，不利于工程實(shí)踐。為了提高優(yōu)化效率，構(gòu)造代理模型通常是有效的方法。常見的代理模型包括多項(xiàng)式響應(yīng)面模型、徑向基函數(shù)模型以及Kriging模型等。但是，由于多學(xué)科及多層次參數(shù)在飛機(jī)概念設(shè)計(jì)中的使用，傳統(tǒng)代理模型的預(yù)測精度已不能滿足當(dāng)前的優(yōu)化需求。近年來，深度學(xué)習(xí)技術(shù)憑借其優(yōu)秀的學(xué)習(xí)預(yù)測能力逐漸融入各個學(xué)科領(lǐng)域。唐佳棟等［14］利用一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代理模型，針對大展弦比機(jī)翼的結(jié)構(gòu)輕量化進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。屈經(jīng)國等［15］建立了一種基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)了任意翼型的結(jié)冰預(yù)測。DENG等［16］構(gòu)建深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來識別流場中的渦流。SáNCHEZSáNCHEZ等［17］通過深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來驅(qū)動部分機(jī)載決策系統(tǒng)來獲取最佳著陸控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

相比于傳統(tǒng)代理模型，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以將特征學(xué)習(xí)和預(yù)測學(xué)習(xí)有機(jī)地整合到一個模型中，十分適合應(yīng)用于多參數(shù)、多層次、高復(fù)雜度的機(jī)翼結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。本文將采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為代理模型，對超聲速民機(jī)機(jī)翼的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練，完成機(jī)翼結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化、尺寸優(yōu)化的工作。