倪先平, 朱清華
1. 中國航空工業(yè)集團(tuán)公司, 北京 100028
2. 南京航空航天大學(xué) 直升機(jī)旋翼動(dòng)力學(xué)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210016
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直升機(jī)總體設(shè)計(jì)思路和方法發(fā)展分析
倪先平1,2,*, 朱清華2
1. 中國航空工業(yè)集團(tuán)公司, 北京100028
2. 南京航空航天大學(xué) 直升機(jī)旋翼動(dòng)力學(xué)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京210016
摘要:直升機(jī)總體設(shè)計(jì)對于型號(hào)研制成功與否有著極為重要的影響。隨著直升機(jī)相關(guān)學(xué)科以及信息化技術(shù)的發(fā)展,直升機(jī)總體設(shè)計(jì)亦從傳統(tǒng)的原準(zhǔn)機(jī)設(shè)計(jì)法、參數(shù)統(tǒng)計(jì)法等發(fā)展到現(xiàn)代的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化法。特別是系統(tǒng)工程和并行工程思想以及現(xiàn)代項(xiàng)目管理理念在航空產(chǎn)品研制中的應(yīng)用,對直升機(jī)的總體設(shè)計(jì)思想產(chǎn)生了重大影響,推動(dòng)著直升機(jī)總體設(shè)計(jì)向智能化、綜合化和系統(tǒng)化方向發(fā)展。首先,簡要回顧了直升機(jī)總體設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展歷程,介紹了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在型號(hào)中的應(yīng)用及其相互之間的差異;然后,重點(diǎn)分析了系統(tǒng)工程和并行工程思想、現(xiàn)代項(xiàng)目管理理念、直升機(jī)新構(gòu)型以及數(shù)字化技術(shù)對直升機(jī)總體設(shè)計(jì)思想和方法的影響;最后,展望了直升機(jī)總體設(shè)計(jì)方法的未來發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞:直升機(jī); 總體設(shè)計(jì); 設(shè)計(jì)綜合; 原準(zhǔn)機(jī)法; 多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化
直升機(jī)由于其特有的前向、側(cè)向、后向以及懸停和垂直飛行等低空高機(jī)動(dòng)飛行特性,在國防、國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)公益事業(yè)等各方面發(fā)揮著不可替代的重要作用。為了滿足日益提高的使用要求,直升機(jī)構(gòu)型和技術(shù)在持續(xù)不斷地創(chuàng)新和發(fā)展。在使用需求拉動(dòng)下,現(xiàn)代直升機(jī)設(shè)計(jì)不斷綜合采用最新的科學(xué)技術(shù)和項(xiàng)目管理方法,牽引總體設(shè)計(jì)理念和思路不斷創(chuàng)新,使總體設(shè)計(jì)方法不斷改進(jìn)和發(fā)展。隨著技術(shù)復(fù)雜程度的不斷提高,研制一種新的直升機(jī),從設(shè)計(jì)方案的提出,到試制、試驗(yàn)、生產(chǎn)和投入使用,仍然需要長達(dá)若干年的周期。在直升機(jī)的整個(gè)研制周期內(nèi),需要進(jìn)行大量的使用需求論證、概念構(gòu)型分析、理論模型計(jì)算、設(shè)計(jì)圖紙編繪、試制總裝生產(chǎn)和試驗(yàn)試飛驗(yàn)證等工作。直升機(jī)總體設(shè)計(jì)貫穿和影響項(xiàng)目的整個(gè)研制過程,總體設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣決定了項(xiàng)目的研制能否成功。因此,總體設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法始終是直升機(jī)技術(shù)研究的重點(diǎn),并且隨著直升機(jī)型號(hào)和技術(shù)的發(fā)展也在同步地改進(jìn)和發(fā)展[1-6]。
不同的應(yīng)用場景其復(fù)雜程度以及碰撞模擬量均是不同的,針對本文的研究對象,如若用一般的包圍盒,其精確度不符合要求,不能準(zhǔn)確地描述對象,基于這點(diǎn),考慮針對混合層次包圍盒[6]的改進(jìn)。
直升機(jī)總體設(shè)計(jì),前端直接對接用戶使用要求;后端承擔(dān)著分解設(shè)計(jì)要求,對全機(jī)結(jié)構(gòu)及各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和制造成功并使全機(jī)具有最佳綜合效能的重大責(zé)任。在直升機(jī)發(fā)展歷程中,隨著直升機(jī)型號(hào)、相關(guān)學(xué)科專業(yè)理論和技術(shù)的發(fā)展,直升機(jī)總體設(shè)計(jì)先后發(fā)展和使用了原準(zhǔn)機(jī)設(shè)計(jì)法、參數(shù)統(tǒng)計(jì)法、優(yōu)化設(shè)計(jì)法和現(xiàn)代多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化(MDO)法等多種方法,對直升機(jī)的型號(hào)發(fā)展起到了極為重要的作用。隨著直升機(jī)新構(gòu)型的不斷出現(xiàn),新的項(xiàng)目管理理念和方法的應(yīng)用,直升機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)、飛行力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、聲學(xué)等學(xué)科以及數(shù)值分析和仿真技術(shù)等支持技術(shù)的不斷發(fā)展,新的直升機(jī)總體設(shè)計(jì)技術(shù)將不斷持續(xù)改進(jìn)和完善。
1直升機(jī)總體設(shè)計(jì)的基本思路
按照中國飛行器研制程序,直升機(jī)研制劃分為論證、方案、工程研制、設(shè)計(jì)定型和生產(chǎn)定型5個(gè)階段[7-9],如圖1所示。按美國和歐洲等國的習(xí)慣,直升機(jī)設(shè)計(jì)過程劃分為概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)3個(gè)階段,基本和圖1中前3個(gè)階段的工作內(nèi)容相對應(yīng)[6],如圖2所示??傮w設(shè)計(jì)是直升機(jī)研制過程中承上啟下的關(guān)鍵環(huán)節(jié),具有全局性影響的重大決策基本上都要在總體設(shè)計(jì)中做出。
據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,在直升機(jī)的整個(gè)研發(fā)過程中,總體設(shè)計(jì)所用時(shí)間至多占總工作時(shí)間的20%~25%,所耗資金占總資金的5%~10%,但是卻決定了直升機(jī)全壽命周期費(fèi)用的75%~85%;飛行器設(shè)計(jì)成本與時(shí)間的關(guān)系如圖3所示[6]。而在飛行性能、飛行品質(zhì)、生存力、對環(huán)境的影響以及安全性、可靠性、維修性、可測試性、保障性和適用性等方面,總體設(shè)計(jì)均起著非常關(guān)鍵的作用[1,8-9]。圖4通過雷達(dá)示意圖顯示了總體設(shè)計(jì)方法在綜合效能、研制成本、研制周期和研制風(fēng)險(xiǎn)等方面對直升機(jī)型號(hào)研制產(chǎn)生影響的比重,由圖可見,總體設(shè)計(jì)基本決定了直升機(jī)的綜合效能和成本周期,是直升機(jī)型號(hào)研制的關(guān)鍵技術(shù)。
圖1直升機(jī)研制過程
Fig. 1Development process of a helicopter
圖2傳統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)研究方法[6]
Fig. 2Traditional general design and development approach[6]
圖3飛行器設(shè)計(jì)成本與時(shí)間的關(guān)系[6]
Fig. 3Relationship between aircraft design cost and time[6]
現(xiàn)代直升機(jī)總體設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)綜合[28]。喬治亞理工學(xué)院的綜合產(chǎn)品/過程研發(fā)模型(IPPD)是一個(gè)典型的直升機(jī)設(shè)計(jì)綜合模型。在計(jì)算機(jī)綜合環(huán)境下,按照從頂層向下的設(shè)計(jì)決策過程、綜合產(chǎn)品的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工程方法和設(shè)計(jì)過程驅(qū)動(dòng)的質(zhì)量工程方法,結(jié)合多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法,可以同時(shí)從系統(tǒng)全壽命周期過程和多學(xué)科并行分析綜合進(jìn)行直升機(jī)總體設(shè)計(jì),其流程如圖8所示[29]。該模型涵蓋了從概念設(shè)計(jì)到制造工藝的整個(gè)過程(如圖9所示)[27],綜合了各主要學(xué)科的計(jì)算分析(見圖7)。
美國陸軍AFDD Advanced Design Office從20世紀(jì)70年代就致力于開發(fā)PSDE軟件用于常規(guī)構(gòu)型直升機(jī)總體方案設(shè)計(jì)。在PSDE基礎(chǔ)上形成了RASH優(yōu)化軟件,并先后開發(fā)了適用于復(fù)合直升機(jī)的HELO軟件、適用于傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的TR軟件以及適用于ABC旋翼直升機(jī)構(gòu)型的PDABC軟件等直升機(jī)總體設(shè)計(jì)軟件,并最終開發(fā)出適用于多種構(gòu)型直升機(jī)總體設(shè)計(jì)的RC軟件。21世紀(jì)以來,綜合直升機(jī)分析和設(shè)計(jì)的最新成果,開發(fā)了NDARC(NASA Design and Analysis of Rotorcraft)旋翼飛行器綜合分析設(shè)計(jì)系統(tǒng),如圖10所示[30]。該模型的主要功能是設(shè)計(jì)直升機(jī)的總體技術(shù)方案,并評估設(shè)計(jì)方案的綜合性能。其主要特點(diǎn)是可以適用于單旋翼帶尾槳構(gòu)型、傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)構(gòu)型、雙旋翼縱列式構(gòu)型、剛性雙旋翼共軸式構(gòu)型和帶輔助推力(拉力)裝置的復(fù)合式以及由旋翼、機(jī)翼、尾面和起落架等各種部件組合構(gòu)型的各類旋翼飛行器。NDARC模型的另一特點(diǎn)是集成飛行性能、氣動(dòng)特性、飛行力學(xué)和結(jié)構(gòu)等高精度分析模型,采用代理模型來計(jì)算旋翼的誘導(dǎo)功率和型阻功率等特性數(shù)據(jù),和CAMRADⅡ這樣的綜合分析模型相比較,可以極大地縮短設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)間和降低設(shè)計(jì)成本。
直升機(jī)總體設(shè)計(jì)思路的發(fā)展和直升機(jī)型號(hào)研制的項(xiàng)目管理思路、直升機(jī)相關(guān)學(xué)科技術(shù)和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展緊密關(guān)聯(lián)。早期的直升機(jī)研制實(shí)踐,和直升機(jī)主要學(xué)科專業(yè)理論及計(jì)算技術(shù)發(fā)展相適應(yīng),直升機(jī)總體設(shè)計(jì)的思路基本上是采用參考原準(zhǔn)機(jī)設(shè)計(jì)以及參數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析的方法。隨著系統(tǒng)工程、項(xiàng)目管理方法、相關(guān)學(xué)科專業(yè)理論以及計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,直升機(jī)系統(tǒng)綜合和優(yōu)化設(shè)計(jì)思路逐步得到發(fā)展和應(yīng)用,不僅在直升機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)、飛行力學(xué)、旋翼及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用了優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)和初步系統(tǒng)集成的方法;而且在總體設(shè)計(jì)中,以滿足主要設(shè)計(jì)要求為目標(biāo),以滿足性能、成本和重量等各方面要求為約束條件的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法也不斷發(fā)展,并在型號(hào)設(shè)計(jì)實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。為了同步獲得最優(yōu)綜合效能和主要學(xué)科專業(yè)、關(guān)鍵部件和系統(tǒng)的滿意性能,在直升機(jī)總體設(shè)計(jì)中,分層次優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路逐漸獲得業(yè)界的重視。特別是并行工程技術(shù)管理思想的出現(xiàn)和在飛行器研制中取得的明顯成效,使得直升機(jī)總體設(shè)計(jì)理念和思路有了跨越性的發(fā)展。按照系統(tǒng)工程流程和并行工程思路,縱向前端向使用要求分析論證延伸,后端向詳細(xì)設(shè)計(jì)、工程制造和試驗(yàn)試飛甚至使用保障延伸;橫向,同步考慮空氣動(dòng)力學(xué)、飛行力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、聲學(xué)、主要系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、重量成本以及“六性”等各方面因素來開展直升機(jī)總體設(shè)計(jì),使總體設(shè)計(jì)能夠更全面地考慮用戶的需求、詳細(xì)設(shè)計(jì)、制造生產(chǎn)和使用保障的可行性、有效性和經(jīng)濟(jì)性,獲得更滿意的直升機(jī)綜合效能。
圖4總體設(shè)計(jì)方法影響性所占比重
Fig. 4Influence proportion of general design technology
2直升機(jī)總體設(shè)計(jì)傳統(tǒng)方法
按照業(yè)內(nèi)公認(rèn)的劃代標(biāo)準(zhǔn),直升機(jī)目前已經(jīng)發(fā)展到了第四代[10]。實(shí)用型直升機(jī)出現(xiàn)在20世紀(jì)30年代末,第一代直升機(jī)的技術(shù)還不很成熟,除了安全性問題,總體設(shè)計(jì)主要關(guān)注于直升機(jī)的基本飛行性能;總體設(shè)計(jì)方法基本上是借鑒固定翼飛機(jī)和旋翼機(jī)的設(shè)計(jì)方法。自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的發(fā)展比直升機(jī)起步早約15年,其旋翼技術(shù)為直升機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[11]。
伴隨著系統(tǒng)工程方法論和計(jì)算機(jī)技術(shù)及優(yōu)化理論的迅速發(fā)展,直升機(jī)總體設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)逐漸發(fā)展并成熟起來[16],注重直升機(jī)系統(tǒng)綜合效費(fèi)比的直升機(jī)方案評估被逐步引入到直升機(jī)研制過程中,從而形成了輸入輸出設(shè)計(jì)閉環(huán)?;趦?yōu)化設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)方法在第三代直升機(jī)研制中得到廣泛應(yīng)用,對直升機(jī)型號(hào)的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用。
1) 原準(zhǔn)機(jī)設(shè)計(jì)法。參考現(xiàn)有的相近成熟機(jī)型,確定直升機(jī)總體參數(shù)初始值、總體氣動(dòng)初步布局、系統(tǒng)初步方案和重量估算,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行飛行性能分析和成本效能分析等,并與使用要求比較,經(jīng)逐步調(diào)整得到最終總體設(shè)計(jì)方案。
2) 統(tǒng)計(jì)分析設(shè)計(jì)法。建立已有直升機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫,對大量設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析,采用多元回歸等方法,建立起直升機(jī)主要參數(shù)和統(tǒng)計(jì)參數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系函數(shù)表達(dá)式。這樣,設(shè)計(jì)者可根據(jù)使用要求,依據(jù)統(tǒng)計(jì)關(guān)系式對直升機(jī)的總體設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行初步選擇[14]。
3) 參數(shù)分析法。根據(jù)使用要求中的某項(xiàng)主要要求初步確定直升機(jī)的主要總體參數(shù),然后根據(jù)其他任務(wù)要求逐步確定其余總體參數(shù)。這種總體設(shè)計(jì)方法通常采用直升機(jī)起飛重量或燃油重量作為平衡參數(shù),應(yīng)用部件和系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)重量公式和直升機(jī)性能分析模型作為設(shè)計(jì)和分析工具[15]。
直升機(jī)型號(hào)和技術(shù)的發(fā)展,是一個(gè)不斷創(chuàng)新的過程。直升機(jī)總體設(shè)計(jì)的理念、思路和方法也必須要不斷創(chuàng)新,在將成熟的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于型號(hào)設(shè)計(jì)的同時(shí),還必須持續(xù)不斷地采用新理念、新思路、新技術(shù)、新方法來改進(jìn)、完善和發(fā)展直升機(jī)總體設(shè)計(jì)方法。
3直升機(jī)總體設(shè)計(jì)優(yōu)化方法
20世紀(jì)60年代初至70年代末,第二代直升機(jī)發(fā)展很快[10],直升機(jī)型號(hào)大量增加,在各領(lǐng)域得到了廣泛使用,積累了豐富的直升機(jī)研制和使用經(jīng)驗(yàn),直升機(jī)總體設(shè)計(jì)方法逐步完善和系統(tǒng)化。這一階段的總體設(shè)計(jì)重點(diǎn)從功能設(shè)計(jì)開始轉(zhuǎn)向性能設(shè)計(jì),主要采用以下幾種方法[12-13]:
在直升機(jī)總體設(shè)計(jì)應(yīng)用的初步階段,優(yōu)化技術(shù)在總體參數(shù)優(yōu)化選擇和在空氣動(dòng)力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、旋翼、結(jié)構(gòu)等主要學(xué)科、主要系統(tǒng)部件的性能參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化上的應(yīng)用幾乎同步開展[17]。早期的直升機(jī)總體優(yōu)化設(shè)計(jì)思路大體上沿襲了傳統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的思路,但是學(xué)科專業(yè)的覆蓋面和包含的設(shè)計(jì)信息量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。最重要的是,由于采用了先進(jìn)的計(jì)算技術(shù),得益于計(jì)算機(jī)計(jì)算速度的快速提高,在設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)和約束條件下,可以快速形成多個(gè)設(shè)計(jì)方案以進(jìn)行綜合效能評估,從中選出滿足使用要求的最佳設(shè)計(jì)方案 ,從而更有效地提高總體設(shè)計(jì)質(zhì)量和縮短設(shè)計(jì)周期[18]。國外以VASCOMP[19], HESCOMP[20]和GTPDP[21]為基礎(chǔ),結(jié)合優(yōu)化算法分別形成了比較成熟的直升機(jī)總體設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件,喬治亞理工學(xué)院還開發(fā)了適合單旋翼帶尾槳式和包括傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)在內(nèi)的多種新構(gòu)型直升機(jī)概念設(shè)計(jì)的CIRADS軟件系統(tǒng)。國內(nèi)南京航空航天大學(xué)和中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所也比較系統(tǒng)地開展了這方面的研究和應(yīng)用工作[12-13,19]。
為了更好地發(fā)揮總體設(shè)計(jì)在對接、分解使用要求、協(xié)調(diào)相關(guān)學(xué)科專業(yè)和各系統(tǒng)部件尺寸、性能要求的功能,使設(shè)計(jì)方案能夠在總體和主要學(xué)科專業(yè)、主要系統(tǒng)部件兩方面同步獲得滿意的結(jié)果,美國麥道公司將直升機(jī)總體參數(shù)優(yōu)化和部件參數(shù)優(yōu)化結(jié)合起來,探索開展了直升機(jī)總體多層次優(yōu)化設(shè)計(jì)。頂層上對直升機(jī)型式、總體參數(shù)及主要尺寸進(jìn)行優(yōu)化選擇;在局部優(yōu)化部分,對直升機(jī)的關(guān)鍵特性和關(guān)鍵部件性能進(jìn)行優(yōu)化,其流程如圖5所示[22]。在部件優(yōu)化模塊中,包含了旋翼槳葉翼型優(yōu)化、直升機(jī)性能優(yōu)化、氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等內(nèi)容。在該設(shè)計(jì)方法中,明顯體現(xiàn)了并行工程的指導(dǎo)思想。
4直升機(jī)總體參數(shù)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化
多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化是總體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在近年來的最新發(fā)展[22-24]。20世紀(jì)80年代以來,在飛行器研制中逐步推行并行工程的管理方法,多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化是并行工程管理思想在飛行器總體設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化用于解決直升機(jī)設(shè)計(jì)中各學(xué)科專業(yè)之間的相互耦合、計(jì)算以及信息組織的復(fù)雜性等問題,通過協(xié)調(diào)各學(xué)科專業(yè)之間的矛盾和沖突,利用各學(xué)科專業(yè)之間的相互作用和協(xié)調(diào)效應(yīng),集成有關(guān)設(shè)計(jì)和計(jì)算分析工具,將直升機(jī)的設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)方法的孤立、串行的過程,轉(zhuǎn)化為并行和協(xié)同的過程。將各學(xué)科專業(yè)、系統(tǒng)部件的設(shè)計(jì)優(yōu)化和直升機(jī)總體設(shè)計(jì)優(yōu)化并行開展。在第三代和第四代直升機(jī)的總體設(shè)計(jì)中,多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法得到了普遍應(yīng)用。
隨著各國關(guān)稅水平的持續(xù)降低,經(jīng)濟(jì)全球化的不斷深入,尤其是國際投資在全球經(jīng)貿(mào)合作中的分量與貢獻(xiàn)越來越大,自由貿(mào)易園區(qū)的優(yōu)惠政策開始由關(guān)稅政策向投資政策、外匯政策以及人員流動(dòng)政策變遷。以中國香港為典范,其已經(jīng)發(fā)展為全面實(shí)施自由貿(mào)易制度、自由投資制度、自由外匯制度以及自由出入境制度的高水平自由貿(mào)易港??偟膩砜?,全球自由貿(mào)易園區(qū)的基本功能包括轉(zhuǎn)口貿(mào)易、出口加工、離岸金融服務(wù)、商品展示、零售業(yè)務(wù)等(見圖1)。有些自由貿(mào)易園區(qū)功能較為單一,有些則相對綜合。
CREATION是目前最新的直升機(jī)總體設(shè)計(jì)模型,具有以下4個(gè)主要特點(diǎn):
圖5直升機(jī)設(shè)計(jì)中的多層次優(yōu)化方法[22]
Fig. 5Multilevel optimization approach in helicopter design[22]
圖6直升機(jī)總體多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化模型數(shù)據(jù)流程圖[25]
Fig. 6Data and process flowchart for a helicopter preliminary multidisciplinary design optimization[25]
文獻(xiàn)[25-26]的直升機(jī)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化模型,包括了飛行性能、重量、操穩(wěn)特性和經(jīng)濟(jì)性4個(gè)學(xué)科專業(yè),利用iSIGHT多學(xué)科優(yōu)化集成軟件平臺(tái)建立計(jì)算環(huán)境,集成直升機(jī)分析性能、重量、操穩(wěn)特性和經(jīng)濟(jì)性分析程序,建立起基于多學(xué)科可行性方法(MDF)直升機(jī)總體多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化系統(tǒng)。采用UH-60A直升機(jī)作為算例,優(yōu)化后的直升機(jī)綜合效能得到明顯提高,其模型數(shù)據(jù)流程圖如圖6所示[25]。圖中:We為直升機(jī)空機(jī)重量;W1~W9為直升機(jī)采購成本分析所需的各部件重量;Vcr為巡航速度;WMR為任務(wù)載荷;Q為巡航飛行時(shí)每小時(shí)耗油量;Mb為槳葉繞揮舞鉸質(zhì)量矩;Ib為槳葉繞揮舞鉸慣性矩;Ixx、Iyy、Izz和Ixy分別為直升機(jī)繞各軸的慣性矩和慣性積;k為直升機(jī)重量效率;PS為直升機(jī)單位總重飛行生產(chǎn)率;FQI為直升機(jī)操縱穩(wěn)定性指數(shù);DOC為直升機(jī)單位小時(shí)飛行費(fèi)用。
喬治亞理工學(xué)院采用響應(yīng)面代理模型集成多學(xué)科精確分析模型,形成分布式直升機(jī)總體多學(xué)科綜合設(shè)計(jì)系統(tǒng),如圖7所示[19,27]。
圖7多學(xué)科綜合與物基模型的關(guān)系[19, 27]
Fig .7Relationships between multidisciplinary synthesis and sizing and physics-based models[19, 27]
5現(xiàn)代直升機(jī)總體設(shè)計(jì)方法
除多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)外,眾多學(xué)科專業(yè)分析模型、數(shù)值計(jì)算方法以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算工具(CAD、CFD和ANSYS等)在直升機(jī)總體設(shè)計(jì)中得到了綜合應(yīng)用。隨著第四代直升機(jī)和新構(gòu)型直升機(jī)的發(fā)展與使用,直升機(jī)總體設(shè)計(jì)方法日益體現(xiàn)出系統(tǒng)工程思想和并行工程思想耦合的特點(diǎn)。從縱向來說,總體設(shè)計(jì)要采用面向用戶、面向需求、面向全壽命周期的設(shè)計(jì)理念;從橫向來說,總體設(shè)計(jì)要同步綜合協(xié)調(diào)各主要學(xué)科專業(yè)以及主要系統(tǒng)部件特性,融合多學(xué)科設(shè)計(jì)、大規(guī)模并行計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)于一體,不斷提升直升機(jī)總體設(shè)計(jì)的綜合化、智能化和系統(tǒng)化水平。
基于需求的酒店管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),必須結(jié)合實(shí)際進(jìn)行相應(yīng)方案分析設(shè)計(jì)工作,這個(gè)過程中先根據(jù)酒店自身規(guī)模、特色、市場定位等對其系統(tǒng)需求做全方位劃分,可采用例視圖法對酒店做初步需求展示分析,發(fā)掘酒店自身需求特性,按照關(guān)系分解法、合成法、整合酒店管理系統(tǒng)需求以此使整個(gè)方案完善特性得到有效體現(xiàn)。
現(xiàn)代直升機(jī)使用要求高、技術(shù)難度大、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)復(fù)雜,各分系統(tǒng)不僅自身技術(shù)復(fù)雜而且相互耦合,從而對總體設(shè)計(jì)提出了更高的要求。如何在概念設(shè)計(jì)階段合理確定優(yōu)選的總體初步方案,怎樣在初步設(shè)計(jì)階段獲得合理的設(shè)計(jì)綜合,在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段能夠按期保質(zhì)完成設(shè)計(jì)分析、確定設(shè)計(jì)圖樣和工藝方案等,都取決于所采用的先進(jìn)的總體設(shè)計(jì)理念和科學(xué)合理的總體設(shè)計(jì)方法。綜合權(quán)衡空氣動(dòng)力學(xué)、飛行力學(xué)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、振動(dòng)聲學(xué)、動(dòng)力裝置、飛行控制、綜合航電、材料工藝等多學(xué)科專業(yè),最終可獲得滿足使用要求并具有最佳綜合效能的直升機(jī)總體設(shè)計(jì)方案。實(shí)踐證明,總體設(shè)計(jì)思路正確、總體設(shè)計(jì)方法科學(xué),不僅可以獲得滿意的直升機(jī)設(shè)計(jì)方案,使直升機(jī)具有很高的使用效能,而且能夠有效地提高直升機(jī)的研制質(zhì)量、縮短型號(hào)研制周期、降低型號(hào)研制成本。
圖8喬治亞理工學(xué)院的綜合產(chǎn)品/過程研發(fā)模型(IPPD)過程[29]
Fig. 8Integrated product and process development (IPPD) process of Georgia Institute of Technology[29]
圖9分層的IPPD流程[27]
Fig. 9Hierarchical IPPD process flow[27]
第三,某些選修課程設(shè)置的初期忽視了學(xué)生的呼聲和意見。某些選修課程的設(shè)置不但要圍繞某種理念進(jìn)行,對學(xué)生的興趣也要加以兼顧,以利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
文獻(xiàn)[31]將NASA開發(fā)的多目標(biāo)設(shè)計(jì)分析和優(yōu)化工具OpenMDAO和NDARC模型進(jìn)行了結(jié)合。其中,OpenMDAO能夠提供開放的計(jì)算環(huán)境,可以綜合多學(xué)科分析模型進(jìn)行自動(dòng)分析,在各計(jì)算分析模型之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,并分別以串行方式或并行方式進(jìn)行各學(xué)科計(jì)算分析;同時(shí),OpenMDAO還綜合了一組優(yōu)化程序,可用于進(jìn)行直升機(jī)總體頂層分析。除多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)外,可以利用直升機(jī)總體設(shè)計(jì)工具、旋翼氣動(dòng)分析和結(jié)構(gòu)分析工具、聲學(xué)分析工具以及參數(shù)幾何工具來開展直升機(jī)總體設(shè)計(jì)和進(jìn)行各學(xué)科特性分析。OpenMDAO多學(xué)科設(shè)計(jì)環(huán)境如圖11所示[31]。
法國的ONERA目前正在開發(fā)一種新的直升機(jī)總體設(shè)計(jì)軟件CREATION[32],該軟件的核心是稱之為目標(biāo)單元的飛行性能和環(huán)境影響(聲學(xué)和大氣污染等)。圍繞這兩個(gè)核心模塊,建立了直升機(jī)任務(wù)和規(guī)范、構(gòu)架和幾何、重量和結(jié)構(gòu)(氣動(dòng)彈性)、空氣動(dòng)力學(xué)和動(dòng)力裝置等5個(gè)功能單元,用于分析評估直升機(jī)的飛行性能和對環(huán)境的影響。這7個(gè)單元分別分為3個(gè)層級:在“零”級單元中,采用簡單的統(tǒng)計(jì)和分析模型;在一級單元中,采用封閉的分析模型;在二級單元中則〗采用了數(shù)值計(jì)算模型。CREATION的構(gòu)架在平面上由不同學(xué)科模塊、在垂直方向由3個(gè)不同層級單元的不同復(fù)雜程度的分析模型構(gòu)成。在垂直方向,低層級單元對應(yīng)初步概念設(shè)計(jì),高層級單元對應(yīng)詳細(xì)總體設(shè)計(jì),低層級單元為高層級單元的深入分析提供必要參數(shù)。在平面構(gòu)架內(nèi),在同一層級內(nèi)的分析模型,分別對應(yīng)初步概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)總體設(shè)計(jì)或?qū)Ψ桨傅娜嬖u估。
電池在過充到一定階段,電池內(nèi)壓過大超過電池蓋板與殼體之間的焊接強(qiáng)度時(shí)就會(huì)發(fā)生破裂,隨后電池內(nèi)部的高壓氣液混合物就會(huì)噴出,在噴射過程中遇到氧氣,并與空氣、電池測試支架摩擦,就會(huì)發(fā)生爆炸。圖2是電池2C過充致爆過程中噴射物的紅外熱像圖片。
1) 綜合了多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。
圖10美軍AFDD開發(fā)的NDARC系統(tǒng)組成[30]
Fig. 10Components of NDARC developed by US AFDD[30]
圖11多學(xué)科OpenMDAO旋翼飛行器分析環(huán)境示例[31]
Fig. 11Example of multidisciplinary OpenMDAO rotorcraft analysis environment[31]
2) 體現(xiàn)了多層次優(yōu)化思想。
3) 根據(jù)實(shí)際需要或掌握的數(shù)據(jù)的多少,既可以進(jìn)行初步概念設(shè)計(jì),也可以進(jìn)行復(fù)雜的總體設(shè)計(jì)方案評估。
4) 除了常規(guī)直升機(jī)性能特性,針對現(xiàn)代直升機(jī)使用要求,還包含了對環(huán)境影響的分析評估。
6直升機(jī)總體設(shè)計(jì)方法發(fā)展展望
直升機(jī)型號(hào)正處于由第四代向第五代發(fā)展的過程,無論是軍用還是民用直升機(jī),使用要求都在不斷提高。軍用方面,隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭對抗手段的快速發(fā)展,軍用直升機(jī)使用環(huán)境日趨嚴(yán)酷,研發(fā)飛行速度更快、機(jī)動(dòng)性能更好、生存能力更強(qiáng)、航電武器更先進(jìn)、可適應(yīng)全天候惡劣環(huán)境作戰(zhàn)的型號(hào)是軍用直升機(jī)型號(hào)和技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。民用方面,隨著對經(jīng)濟(jì)型、安全性、可靠性、舒適性和環(huán)保性等要求越來越高,市場競爭越來越激烈,開發(fā)全壽命周期成本低、安全可靠、低噪聲、低振動(dòng)、低污染的型號(hào)以及技術(shù),是民用直升機(jī)領(lǐng)域的基本方向。這些對直升機(jī)總體設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。
進(jìn)入21世紀(jì)以來,基于模型的復(fù)雜系統(tǒng)工程管理思想為直升機(jī)總體設(shè)計(jì)注入了新的理念,與直升機(jī)相關(guān)的各學(xué)科專業(yè)的理論和分析模型發(fā)展也很快,新的學(xué)科不斷出現(xiàn),計(jì)算精度、置信度和復(fù)雜度越來越高,相互之間的耦合關(guān)聯(lián)越來越緊密。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)、有限元分析等數(shù)值計(jì)算技術(shù)、各種優(yōu)化計(jì)算技術(shù)、數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)(如CATIA、UG和SOLIDWORKS等)以及各種商用軟件(如FLUENT、ANSYS、ABAQUS等),為直升機(jī)總體設(shè)計(jì)提供了更好的基礎(chǔ)。新時(shí)期直升機(jī)總體設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展將呈現(xiàn)以下幾方面特點(diǎn):
1) 在設(shè)計(jì)理念上,將進(jìn)一步綜合并行工程和基于模型的復(fù)雜系統(tǒng)工程管理思想。橫向?qū)⒈M可能同步計(jì)入各傳統(tǒng)學(xué)科和新興學(xué)科的影響,完整地分析和評估直升機(jī)的綜合使用效能;縱向?qū)⒈M可能地從設(shè)計(jì)階段向前后延伸,前端按照面向需求的基于模型的復(fù)雜系統(tǒng)工程理念和使用要求無縫對接,后端盡可能提早計(jì)入詳細(xì)設(shè)計(jì)、工程制造、試驗(yàn)試飛和使用維護(hù)對總體設(shè)計(jì)的影響,使得到的直升機(jī)總體方案在全面滿足使用要求的同時(shí),具有很高的質(zhì)量和置信度。
“在雪夜曬月亮,我們都快凍成四根凌冰掛樹上了,你們兩位就披一件葛布的袍子,不冷嗎?烏有先生你還搖著你的紙扇子,會(huì)傷風(fēng)的?。 鄙瞎傩怯暾f。
2) 從具體設(shè)計(jì)方法來說,充分利用多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化、全過程設(shè)計(jì)綜合、分階段分層次進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)和評估,充分采用各種理論物理模型、數(shù)值計(jì)算技術(shù)、數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)、優(yōu)化計(jì)算技術(shù)以及各種成熟商用軟件作為設(shè)計(jì)工具和手段,并采用更高效的代理模型來替代復(fù)雜的理論分析模型,完善直升機(jī)總體設(shè)計(jì)手段,提高總體設(shè)計(jì)效率[33-34]。
3) 為適應(yīng)新構(gòu)型直升機(jī)發(fā)展的需要,直升機(jī)總體設(shè)計(jì)必須不斷擴(kuò)大分析模型,拓展考慮因素的范圍。目前,除了相對比較成熟的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī),共軸剛性雙旋翼高速直升機(jī)、涵道矢量推力復(fù)合式直升機(jī)和雙螺旋槳旋翼機(jī)翼復(fù)合式構(gòu)型直升機(jī)等新構(gòu)型均已進(jìn)入到驗(yàn)證機(jī)階段。這些新構(gòu)型直升機(jī)具有許多常規(guī)直升機(jī)所沒有的特點(diǎn),構(gòu)造和操縱復(fù)雜,氣動(dòng)干擾和氣彈耦合嚴(yán)重,在直升機(jī)總體設(shè)計(jì)階段必須計(jì)入這些特點(diǎn)。
烏龍磯水庫除險(xiǎn)加固工程生產(chǎn)生活區(qū)現(xiàn)狀為耕地,施工前,對可能受到污染、硬化的混凝土拌和場、機(jī)械維修廠等場地進(jìn)行表土剝離,剝離厚度按0.5 m考慮,先堆放于場地一角,并采取彩條布遮蓋防塵措施。對生產(chǎn)生活區(qū),采取開挖土質(zhì)排水溝等措施,排出場地雨水和生產(chǎn)生活污水,防治水土流失。施工機(jī)械設(shè)備沖洗水等施工用水盡量集中排放,通過環(huán)保工程設(shè)置的沉淀池處理后循環(huán)使用或沉淀處理達(dá)標(biāo)后排入下游河道。生產(chǎn)生活區(qū)在結(jié)束使用后,需要按要求及時(shí)進(jìn)行施工跡地清理,恢復(fù)原有土地功能。
4) 總體設(shè)計(jì)將持續(xù)不斷地吸收直升機(jī)各學(xué)科技術(shù)的最新成果,使直升機(jī)總體設(shè)計(jì)模型能更準(zhǔn)確地描述和反映直升機(jī)的特性。近年來,先進(jìn)旋翼氣動(dòng)外形及新型槳尖設(shè)計(jì),先進(jìn)無軸承旋翼槳轂設(shè)計(jì),高效高精度旋翼空氣動(dòng)力數(shù)值模擬、旋翼多體動(dòng)力學(xué)氣動(dòng)彈性耦合穩(wěn)定性分析,旋翼/機(jī)體耦合動(dòng)力穩(wěn)定性主動(dòng)控制(包含非定常、非線性和可時(shí)變的旋翼自由尾跡大機(jī)動(dòng)飛行動(dòng)力學(xué)),高帶寬權(quán)限飛行控制以及直升機(jī)健康與使用完好性監(jiān)測等新技術(shù),為直升機(jī)總體設(shè)計(jì)提供了新的可精確描述直升機(jī)特性的理論分析和設(shè)計(jì)工具。
7結(jié)束語
傳統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方法主要依賴于參考原準(zhǔn)機(jī)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析,依賴設(shè)計(jì)者的以往經(jīng)驗(yàn)。其特點(diǎn)是物理概念清晰,設(shè)計(jì)過程簡明,設(shè)計(jì)目標(biāo)單一。但因?yàn)槭芨鲗W(xué)科專業(yè)理論模型和計(jì)算條件限制,設(shè)計(jì)考慮的因素比較少;大多數(shù)情況下,只有直升機(jī)飛行性能能夠得到比較系統(tǒng)的分析,難以同步計(jì)入飛行力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、聲學(xué)等學(xué)科的影響,也難以同步分析動(dòng)力裝置等主要系統(tǒng)和部件的設(shè)計(jì)參數(shù),使設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整的范圍非常有限,從而無法在短時(shí)內(nèi)形成多個(gè)可行的總體設(shè)計(jì)方案以進(jìn)行分析比較,并從中選擇最好的方案。在后續(xù)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段對直升機(jī)作全面深入的各學(xué)科專業(yè)特性分析時(shí),往往因?yàn)閭€(gè)別特性不能完全滿足使用要求或設(shè)計(jì)規(guī)范要求而必須對總體設(shè)計(jì)方案作一些必要的調(diào)整,這樣就有可能導(dǎo)致研制周期延長和成本增加。
1) 直升機(jī)總體設(shè)計(jì)必須在改進(jìn)中發(fā)展,在繼承中創(chuàng)新。傳統(tǒng)的原準(zhǔn)機(jī)設(shè)計(jì)法、統(tǒng)計(jì)分析法和參數(shù)分析法不會(huì)完全過時(shí),仍然有其應(yīng)用價(jià)值,在新的設(shè)計(jì)方法中應(yīng)保留傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的精華??傮w設(shè)計(jì)仍然需要不斷完善直升機(jī)數(shù)據(jù)庫,充分利用已有的成果和經(jīng)驗(yàn)。
在2 D培養(yǎng)水平,紫云英苷可明顯抑制糖酵解相關(guān)蛋白Glut1、Glut3、HK2、PDK1和PDK3的表達(dá)(P<0.05)(圖4A)。與此相似,在3 D細(xì)胞培養(yǎng)水平,紫云英苷可明顯降低糖酵解相關(guān)蛋白Glut1、Glut3、HK2、PDK1和PDK3的表達(dá)(P<0.05),且均呈一定劑量依賴效應(yīng)關(guān)系(圖4B)。此外,紫云英苷可明顯降低HK2活性,并呈一定劑量依賴效應(yīng)關(guān)系(圖4C)。
近期,原料價(jià)格高位運(yùn)行,出口市場持續(xù)跟進(jìn),市場供貨偏緊,價(jià)格穩(wěn)中上行。10月22日中國磷酸二銨批發(fā)價(jià)格指數(shù)(CPPI)為2933.17點(diǎn);磷酸二銨零售價(jià)格指數(shù)(CPRI)為 3047.97點(diǎn),環(huán)比上漲58.29點(diǎn),漲幅為1.95%;同比上漲134.12點(diǎn),漲幅為4.60%;比基期下跌173.80點(diǎn),跌幅為5.39%。
2) 在總體設(shè)計(jì)分析模型中,應(yīng)全面反映使用要求,根據(jù)所研制型號(hào)的主要任務(wù)使命,綜合評估使用要求,合理分解使用要求,選擇主要要求作為設(shè)計(jì)目標(biāo),其他重要要求作為約束條件,在設(shè)計(jì)過程中綜合權(quán)衡各項(xiàng)要求,力求得到全面滿足使用要求的最佳方案。
11月26日,來自中國深圳的科學(xué)家賀建奎在第二屆國際人類基因組編輯峰會(huì)召開前一天宣布,一對名為露露和娜娜的基因編輯嬰兒在中國健康誕生。這對雙胞胎的一個(gè)基因經(jīng)過修改,使她們出生后即能天然抵抗艾滋病。消息出來后不久便引起輿論極大爭議,無數(shù)生命科學(xué)學(xué)家對此嚴(yán)厲批判,很多網(wǎng)友也表達(dá)了質(zhì)疑和反對的態(tài)度?;蚓庉嫾夹g(shù)本身存在無法排除的潛在健康風(fēng)險(xiǎn)問題,在技術(shù)上面也有一些問題沒有得到解決,而除了這些,它所面臨的最大的問題則是倫理問題。
我有幸應(yīng)論壇邀請,在此次論壇上第一個(gè)議題,作了題為“走好軍民融合發(fā)展之路”的發(fā)言。2015年,習(xí)近平首次提出把軍民融合發(fā)展上升為中國國家戰(zhàn)略。中共中央政治局2017年1月22日召開會(huì)議,決定設(shè)立中央軍民融合發(fā)展委員會(huì),由習(xí)近平任主任。中央軍民融合發(fā)展委員會(huì)是中央層面軍民融合發(fā)展重大問題的決策和議事協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu),統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)軍民融合深度發(fā)展,向中央政治局、中央政治局常務(wù)委員會(huì)負(fù)責(zé)。實(shí)施的對策是:以政府為先導(dǎo);以法律法規(guī)為保障;以發(fā)展軍民兩用技術(shù)為核心。
3) 在直升機(jī)總體設(shè)計(jì)中必須強(qiáng)調(diào)綜合,不管在設(shè)計(jì)模型中包含了多少學(xué)科和部件系統(tǒng),設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想始終要突出提高綜合效能,強(qiáng)調(diào)各學(xué)科的設(shè)計(jì)綜合,不能片面追求單項(xiàng)性能最優(yōu)。
參考文獻(xiàn)
[1]STEPHEN G K. Guide for conceptual helicopter design[D]. Monterey: Naval Postgraduate School, 1983.
[2]ALLEN C H. An analysis of three approaches to the helicopter preliminary design problem[D]. Monterey: NAVAL Postgraduate School, 1984.
[3]RUTHERFORD C J W, STROZIER C J K. Formulation of a helicopter preliminary design course[C]//Proceedings of AIAA Aircraft Design, Systems and Technology Meeting. Reston: AIAA, 1983.
[4]PROUTY R W. Helicopter design technology[M]. 2nd ed. Malabar: Kieger Publishing Company, 1998.
[5]MARAT N T, VENGALATTORE T N, INDERJIT C. Preliminary design of transport helicopters[J]. Journal of the American Helicopter Society, 2003, 48(2): 71-79.
[6]JOHN R B, DONALD J M, BRENDA J, et al. Integrated helicopter design tools[C]//Proceedings of the 52nd AHS Annual Forum. Fairfax, VA: AHS Press, 1996.
[7]張呈林, 郭才根. 直升機(jī)總體設(shè)計(jì)[M]. 北京: 國防科技出版社, 2006: 1-7, 22, 136-150.
ZHAND C L, GUO C G. Helicopter general design[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2006: 1-7, 22, 136-150 (in Chinese).
[8]劉虎, 羅明強(qiáng), 田永亮, 等. 飛機(jī)總體設(shè)計(jì)支持技術(shù)探索與實(shí)踐[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2013: 3-12.
LIU H, LUO M Q, TIAN Y L, et al. Exploration and practice of supporting technology for aircraft conceptual design[M]. Beijing: Beihang University Press, 2013: 3-12 (in Chinese).
[9]顧誦芬. 飛機(jī)總體設(shè)計(jì)[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2001.
GU S F. Aircraft general design[M]. Beijing: Beihang University Press, 2001 (in Chinese).
[10]倪先平, 蔡汝鴻, 曹喜金, 等. 直升機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 航空學(xué)報(bào), 2003, 24(1): 15-20.
NI X P, CAI R H, CAO X J, et al. Present situation and prospects of helicopter technology[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2003, 24(1): 15-20 (in Chinese).
[11]LEISHMAN J G. A chronicle of early British rotorcraft[C] //Proceedings of the 60th Annual Forum and Technology Display of the AHS. Fairfax, VA: AHS Press, 2004.
[12]倪先平. 直升機(jī)參數(shù)選擇方法淺析[C]//第三屆全國直升機(jī)年會(huì)論文集. 北京: 中國航空學(xué)會(huì), 1987: 146-159.
NI X P. Analysis for the selection methods of a helicopter parameters[C]//Proceedings of the 3rd Annual Forum of China Helicopter Society. Beijing: CSAA, 1987: 146-159 (in Chinese).
[13]倪先平. 直升機(jī)總體參數(shù)優(yōu)化選擇[C]//第一屆全國飛機(jī)總體設(shè)計(jì)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集. 北京: 中國航空學(xué)會(huì), 1991.
NI X P. The optimization selection for the general parameters of a helicopter[C]//Proceedings of the 1st Annual Forum of Aircraft General Design. Beijing: CSAA, 1991 (in Chinese).
[14]LIOR M. Statistical methods for helicopter preliminary design and sizing[C]//Proceedings of the 31st European Rotorcraft Forum. Bonn, Germany: ERF Press, 2005.
[15]普勞蒂 R W. 直升機(jī)性能及穩(wěn)定性和操縱性[M]. 高正, 陳文軒, 施永立, 譯. 北京: 航空工業(yè)出版社, 1990.
PROUTY R W. Helicopter performance, stability and control[M]. GAO Z, CHEN W X, SHI Y L, translated. Beijing: Aviation Industry Press, 1990 (in Chinese).
[16]JAEHOON L, SANG J S. Development of an advanced rotorcraft preliminary design framework[J]. International Journal of Aeronautical & Space Sciences, 2009, 10(2): 134-139.
[17]ROCCHETTO A, POLONI C. A hybrid numerical optimization technique based on genetic and feasible direction algorithms for multipoint helicopter rotor blade design[C]//Proceedings of the 1st European Rotorcraft Forum. Bonn, Germany: ERF Press, 1995.
[18]PALASIS D, WAGNER S. Development of a conceptual design method for rotor-wing aircraft using digital computers[C]//Proceedings of the 17th European Rotorcraft Forum. Bonn, Germany: ERF Press, 1991.
[19]張呈林, 彭名華. 直升機(jī)總體設(shè)計(jì)技術(shù)的新進(jìn)展[J]. 航空制造技術(shù), 2010(13): 57-60.
ZHANG C L, PENG M H. New progress of general design technology for helicopter[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2010(13): 57-60 (in Chinese).
[20]ROSENSTEIN HAROLD J, STANZIONE KAYDON A. Computer aided helicopter design[C]//Proceedings of the 37th AHS Annual Forum. Fairfax, VA: AHS Press, 1981: 112-127.
[21]SCHRAGE D P, MAVRIS D N, WASIKOWSKI M. GTPDP: A rotor wing aircraft preliminary design and performance estimation program including optimization and cost[C]//Proceedings of AHS Vertical Lift Aircraft Design Conference. Fairfax, VA: AHS Press, 1986.
[22]BANERJEE D, SHANTHAKUMARAN P. Application of numerical optimization methods in helicopter industry[C]//Proceedings of the 13th European Rotorcraft Forum. Bonn, Germany: ERF Press, 1987: 1-37.
[23]MAVRIS D N, de LAURENTIS D A, BANDTE O, et al. A stochastic approach to multi-disciplinary aircraft analysis and design[C]//Proceedings of AIAA 36th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reston: AIAA, 1998.
[24]STEVENS J M G F, BOER J F, LAMME W F, et al. Helicopter pre-design strategy: Design-to-mass or design-to-cost? NLR-TP-2009-306[R]. Amsterdam: NLR, 2010.
[25]彭名華, 張呈林. 直升機(jī)總體多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 直升機(jī), 2010(3): 11-16.
PENG M H, ZHANG C L. Helicopter conceptual/preliminary multidisciplinary design optimization[J]. Helicopter, 2010(3): 11-16 (in Chinese).
[26]彭名華. 直升機(jī)總體多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化研究[D]. 南京: 南京航空航天大學(xué), 2009.
PENG M H. Research on helicopter conceptual/prelimi-nary multidisciplinary design optimization[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, 2009 (in Chinese).
[27]DANIEL P S. Technology for rotorcraft affordability through integrated product/process development (IPPD)[C]//Proceedings of the 55th AHS Annual Forum. Fairfax, VA: AHS Press, 1999.
[28]HIRSH J E, WILKERSON J B, NARDUCCI R P. An integrated approach to rotorcraft conceptual design[C]//Proceedings of AIAA 45th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reston: AIAA, 2007.
[29]DANIEL P S, WILLIAM M C. Integrated product/ process development approach for balancing technology push and pull between the user and developer[C]//Proceedings of the 68th AHS Annual Forum. Fairfax, VA: AHS Press, 2012.
[30]WAYNE J. NDARC-NASA design and analysis of rotorcraft validation and demonstration[C]//Proceedings of the American Helicopter Society Aeromechanics Specialists’Conference. Fairfax, VA: AHS Press, 2010.
[31]MICHAEL A, RAJNEESH S. OpenMDAO/NDARC framework for assessing performance impact of rotor technology integration[C]//Proceedings of the 70th AHS Annual Forum. Fairfax, VA: AHS Press, 2014.
[32]BASSET P M, TREMOLET A, CUZIEUX F, et al. The CREATION project for rotorcraft concepts evaluation: The first steps[C]//Proceedings of the 37th European Rotorcraft Forum. Bonn, Germany: ERF Press, 2011.
[33]WILLIAM A C, DAVID H L. The genetic algorithm as an automated methodology for helicopter conceptual design[J]. Journal of Engineering Design, 1997, 8(3): 231-250.
[34]EMRE G M, ADEEL K, DANIEL P S. Weight estimation using CAD in the preliminary rotorcraft design[C]//Proceedings of the 33rd European Rotorcraft Forum. Bonn, Germany: ERF Press, 2007.
倪先平男, 博士, 研究員, 博士生導(dǎo)師。主要研究方向: 直升機(jī)總體設(shè)計(jì)。
Tel: 010-58355861
E-mail: nixianp@sohu.com
朱清華男, 博士, 副教授。主要研究方向: 直升機(jī)總體設(shè)計(jì), 新構(gòu)型旋翼飛行器設(shè)計(jì)。
Tel: 025-84892196
E-mail: Zhuqinghua@nuaa.edu.cn
Received: 2015-08-06; Revised: 2015-09-18; Accepted: 2015-10-12; Published online: 2015-10-2616:40
從“殺出一條血路”到“闖出一條新路”,新時(shí)代改革開放的實(shí)踐課題在轉(zhuǎn)換。低垂的果子已經(jīng)摘完。今天的改革,面對的是“發(fā)展起來以后的問題”,面臨的是從“有沒有”轉(zhuǎn)向“好不好”的發(fā)展躍升,必須在深水區(qū)、“無人區(qū)”中闖出新天地;
URL: www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151026.1640.002.html
Development of ideas and methods of helicopter general design
NI Xianping1,2,*, ZHU Qinghua2
1. Aviation Industry Corporation of China, Beijing 100028, China 2. National Laboratory of Science and Technology on Rotorcraft Aeromechanics, Nanjing University of Aeronautics &Astronautics, Nanjing 210016, China
Abstract:The general design has a key influence on the successful development of a helicopter. With the development of the relevant disciplines of helicopter and IT technique, the helicopter general design has developed from traditional prototype design method, parameter statistics method to modern “multidisciplinary design optimization method”. Especially the application of the ideas of system engineering, concurrent engineering and modern program management in the development of aviation products produces great influence on the helicopter general design idea, pushing helicopter general design to develop towards intelligence, synthesis and systematization. Firstly, the development of helicopter general design methods is reviewed briefly, and the application of the traditional and modern design methods in the helicopter development and the differences between those methods are introduced. Then, the influences on the ideas and methods of helicopter general design produced by such aspects as the ideas of system engineering, concurrent engineering and modern program management, the helicopter new configuration and new digital technology are analyzed. Finally the development trends of helicopter general design methods are prospected.
Key words:helicopter; general design; design synthesis; prototype method; multidisciplinary design optimization
*Corresponding author. Tel.: 010-58355861E-mail: nixianp@sohu.com
作者簡介:
中圖分類號(hào):V221; V275+.1
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1000-6893(2016)01-0017-13
DOI:10.7527/S1000-6893.2015.0271
*通訊作者.Tel.: 010-58355861E-mail: nixianp@sohu.com
收稿日期:2015-08-06; 退修日期: 2015-09-18; 錄用日期: 2015-10-12; 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間: 2015-10-2616:40
網(wǎng)絡(luò)出版地址: www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151026.1640.002.html
引用格式: 倪先平, 朱清華. 直升機(jī)總體設(shè)計(jì)思路和方法發(fā)展分析[J]. 航空學(xué)報(bào), 2016, 37(1): 17-29. NI X P, ZHU Q H. Development of ideas and methods of helicopter general design[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(1): 17-29.
http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn