本刊記者 谷 雨

：飛機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法往往難以得到最優(yōu)的匹配，為提升飛機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能，需將二者作為一個(gè)整體開展設(shè)計(jì)。在飛/發(fā)一體化設(shè)計(jì)中，需要重點(diǎn)開展哪些領(lǐng)域的研究工作？存在哪些技術(shù)難點(diǎn)？未來(lái)的關(guān)注點(diǎn)是什么？

熊躍熙：飛機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)為兩個(gè)龐大的系統(tǒng)，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)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(jī)公司和發(fā)動(dòng)機(jī)公司商討決定，小的問題只要對(duì)飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)沒有大的影響一般不會(huì)去修正。這在某種程度上導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)延遲并很難取得系統(tǒng)的最優(yōu)匹配方案，特別是當(dāng)兩類系統(tǒng)緊密地耦合在一起的時(shí)候。從2006年起，中國(guó)政府將飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)都作為重大專項(xiàng)，進(jìn)行了很大的投入，并相繼成立了“中國(guó)商飛”及“中航商發(fā)”，但是我認(rèn)為飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的連接部位應(yīng)該引起政府及各有關(guān)單位的足夠重視，以提高飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能。

在飛/發(fā)一體化設(shè)計(jì)中首先要考慮的是發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛結(jié)構(gòu)，它是飛機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)相連接的關(guān)鍵部件，在保證其滿足氣動(dòng)外形和結(jié)構(gòu)表現(xiàn)的設(shè)計(jì)要求下，最大程度地實(shí)現(xiàn)輕量化是我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，吊掛的氣動(dòng)彈性計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證是首先要攻克的難關(guān)，其安全性直接影響到飛機(jī)的安全。如美國(guó)航空（American Airlines）191號(hào)航班于1979年5月25日在芝加哥奧黑爾國(guó)際機(jī)場(chǎng)上空時(shí)，因其中一發(fā)動(dòng)機(jī)的吊掛系統(tǒng)出現(xiàn)故障而導(dǎo)致整架飛機(jī)墜落，使機(jī)上271人遇難。

其次，發(fā)動(dòng)機(jī)的短艙系統(tǒng)是包含推進(jìn)系統(tǒng)的主要部件，它由進(jìn)氣道、風(fēng)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(lái)越大，其氣動(dòng)設(shè)計(jì)直接影響到推進(jìn)系統(tǒng)的特性。同時(shí)，要進(jìn)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(yīng)注意。在設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙各組成部件時(shí)，適航部門會(huì)對(duì)飛機(jī)飛行中所承受的主要載荷作出規(guī)定，以方便其設(shè)計(jì)，但所規(guī)定的載荷條件也會(huì)隨時(shí)間的推移而改變。例如短艙的進(jìn)氣道、唇口的防冰設(shè)計(jì)很重要，不然脫落的冰塊有可能打壞發(fā)動(dòng)機(jī)的零件。同時(shí)，進(jìn)氣道又包圍了發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇，其降噪設(shè)計(jì)愈來(lái)愈受到關(guān)注。

第三，短艙系統(tǒng)的風(fēng)扇罩（Fan Cowl）是連接進(jìn)氣道和后面的反推裝置的部件，其形狀應(yīng)盡可能光滑以便飛機(jī)巡航時(shí)有較長(zhǎng)的層流。同時(shí)風(fēng)扇罩應(yīng)有足夠的剛度以保證飛機(jī)飛行過程中不會(huì)發(fā)生舀狀變形，另外還要保證風(fēng)扇罩有合理的減壓裝置，以避免發(fā)動(dòng)機(jī)在管道破裂時(shí)，短艙系統(tǒng)能承受發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境的高溫高壓。

第四，發(fā)動(dòng)機(jī)的反推裝置能使飛機(jī)在降落時(shí)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(dòng)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(shuō)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(dòng)和維修方面各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要進(jìn)行比較分析，以在發(fā)動(dòng)機(jī)的選型上作出合理的選擇。

最后，是發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴口，其形狀對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)尾部的熱氣，同時(shí)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(fēng)扇葉片脫落（FBO）所引起的載荷準(zhǔn)確性對(duì)短艙和吊掛的設(shè)計(jì)起到很重要的作用。因此，在評(píng)估飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)連接部件的設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)風(fēng)扇葉片脫落模型的合理性以及獲得載荷的準(zhǔn)確性要加以考慮。

：復(fù)雜系統(tǒng)建模是飛行器多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化（MDO）方法的主要研究?jī)?nèi)容之一。在復(fù)雜系統(tǒng)建模中，應(yīng)該如何實(shí)現(xiàn)學(xué)科級(jí)分析模型的數(shù)據(jù)交互問題？

熊躍熙：發(fā)動(dòng)機(jī)短艙與吊掛的每一部件所承受的載荷都與多個(gè)學(xué)科有關(guān)，目前所考慮的學(xué)科有氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、傳熱、聲學(xué)、控制等。對(duì)于涉及多學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)，MDO算法是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分解、優(yōu)化、協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科并行設(shè)計(jì)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(duì)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(diǎn)在于計(jì)算方面的負(fù)重及組織的復(fù)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(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)將系統(tǒng)一級(jí)的耦合及其與子系統(tǒng)（各學(xué)科）之間的關(guān)系考慮進(jìn)來(lái)。飛機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接部件屬于系統(tǒng)一級(jí)，其優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jí)優(yōu)化問題。系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化全局設(shè)計(jì)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(biāo)；各子系統(tǒng)獨(dú)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案，為各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提出新的目標(biāo)要求，直到整個(gè)過程收斂。并行子空間優(yōu)化算法將系統(tǒng)設(shè)計(jì)變量分配到各個(gè)子系統(tǒng)，使每個(gè)學(xué)科進(jìn)行獨(dú)立優(yōu)化，各學(xué)科的優(yōu)化變量互不重疊，學(xué)科分析需要和已分配給其他學(xué)科的系統(tǒng)全局變量通過耦合函數(shù)的形式傳遞。每個(gè)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(biāo)函數(shù)由子系統(tǒng)分析進(jìn)行計(jì)算，涉及來(lái)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(jì)算。對(duì)于包含各種設(shè)計(jì)變量的復(fù)雜MDO問題，該方法難以處理。

在同時(shí)滿足各學(xué)科分析的可行性和各學(xué)科間耦合量的一致性的前提下，求解系統(tǒng)平衡點(diǎn)的過程稱為耦合系統(tǒng)的系統(tǒng)分析。將復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化問題進(jìn)行某種程度的分解，將其轉(zhuǎn)化為多個(gè)易于處理的子問題進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)對(duì)各子系統(tǒng)的優(yōu)化進(jìn)行有效協(xié)調(diào)。在子系統(tǒng)一級(jí)上，盡量采用簡(jiǎn)化的代理模型技術(shù)，如多項(xiàng)式響應(yīng)面模型、徑向基函數(shù)模型，Kriging模型或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等。： 為縮短飛行器的設(shè)計(jì)研制周期，多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化研究中應(yīng)逐步考慮制造過程的影響，從這個(gè)角度出發(fā)，您認(rèn)為飛行器優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中需要加強(qiáng)哪些方面的研究工作？

熊躍熙：任何部件設(shè)計(jì)都是以制造為目的的，飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)也不例外，特別是當(dāng)前及未來(lái)在航空結(jié)構(gòu)上使用了愈來(lái)愈多的復(fù)合材料。另外，要將制造納入設(shè)計(jì)的初始階段，以保證制造商對(duì)設(shè)計(jì)師的作品做到心中有數(shù)，因?yàn)樵俸玫牟考O(shè)計(jì)，如果制造不出來(lái)將是一句空話。因此，所謂的以制造為目的的設(shè)計(jì)（Design for Manufacturing）應(yīng)引起國(guó)內(nèi)業(yè)界的足夠重視。