西华大学 四川成都 610039
摘要：随着经济和科技水平的快速发展，航空是人类拓展生存空间的产物。莱特兄弟飞机的成功是现代航空的起点，100多年来，航空技术和飞机性能得到了巨大的提升，今天飞机在世界各国的国防和国民经济建设中发挥着非常重要的作用，已经成为现代运输体系中不可缺少的组成部分。作为飞机的动力装置，活塞式和喷气式燃气涡轮发动机是绝大多数在役和在产飞机的基本配置，飞机飞行过程中，这些燃烧石油燃料的发动机会产生大量的碳排放和其它不利于环境的颗粒物，为保护人类赖以生存的地球村，若干年来世界各国都在采取行动，共同遏阻全球变暖趋势。
关键词：新概念结构；设计与制造一体化；增材制造；工程化验证
引言
先进制造技术为飞机结构创新提供了契机。基于先进制造“量身定做”，即设计制造一体化来创造飞机新概念结构。所谓新概念结构是指通过设计与制造高度融合构造出的全新结构形式，包括大型整体化、构型拓扑化、梯度复合化和结构功能一体化。新概念结构具有高减重、长寿命、多功能、低成本、快速响应研制等显著优势，有望突破传统结构“天花板”，为新机研制提供技术支撑。但既要设计得出，也要造得出，并保障使用安全，是前所未有的挑战。
1飞机优势与不足
（1）尺度独立性，电推进没有尺度效应；（2）推进效率达95%-97%，比先进的涡扇发动机高出20%；（3）电机功率重量比可达其它发动机的6倍；（4）小负荷时效率高，功率范围30%-100%；（5）冷却阻力低；（6）功率不因高海拔或炎热天气而衰减；（7）极高紧凑性；（8）高可靠性；（9）通过冗余提升安全性；（10）大幅度降低社区噪音水平15dB以上；（11）不因推进器数量多而增大发动机尺寸；（12）通过有效的推进-气动耦合设计，可获得更大的最大升力系数；（13）纯电飞机运行全过程零排放；（14）通过翼尖安装的螺旋桨可降低了诱导阻力，提高升力，并改善巡航中的机翼结构载荷。电动飞机可同时满足排放、噪声等未来飞机设计要求，近年来受到全世界的广泛重视，美国、欧洲、中国都在研发电动飞机。从飞机运行特点考虑，目前电动飞机的主要能源来自电动汽车用的锂离子（聚合物）电池。虽然“阳光动力号”实现了环球飞行，但是包括太阳能在内的能源在载人电动飞机上的实用化仍有较长的路要走。我国“锐翔-1E”双座轻型运动飞机在增程改进设计后，续航时间达到2小时，已经在面向飞行员入门培训、消遣、观光等基于本场的运营方面投入使用，由于航程有限，还不能担当转场飞行训练任务，根本原因是电池能量密度低。
2无设计分离面连接的机翼-机身整体结构
基于该协同设计方法建立无接头连接的翼身整体大部件。传统机翼与机身是分开的，采用很强的接头连接，质量大、应力集中严重，是全机的关键部位，需要采用钛合金或高强钢来保障安全。通过弱化应力集中，使非承载的参与区最小化、消除接头连接，构建翼身整体大部件。它具有零件少、重量轻、应力分布均匀、工艺性好等诸多优势，采用铝合金即可满足要求。但存在可制造性、裂纹扩展如何抑制等问题。针对整体结构裂纹扩展抑制难点，提出了钛合金层合结构设计方法，发现裂纹扩展“平台特征”，发明钛合金层合梁肋长寿命结构，通过主动调控，可延长裂纹扩展寿命三倍以上。传统中机身油箱开口较多。针对油箱维护开口破坏整体性难点，提出了啮合密封结构设计方法，通过密封库伦摩擦最大、黏弹性界面啮合匹配，基于密封临界比压最小、双层匹配柔度最大，创建整体油箱密封与开启维护双功能啮合密封结构。机油箱壁板可整体反复开启，关闭时密封，开启时维护。
通过上述设计，机身整体油箱维护口盖可减少2/3，规避了大量口盖破坏结构整体的矛盾，并减少缝隙结差，改善隐身性能。
3总体方案设计
方案设计是飞机总体设计过程最根本的工作，并从概念方案、初步方案到总体方案逐步迭代和进化。在未来大型电动飞机方面，克兰菲尔德大学高级讲师LASKARIDISP利用不同飞机构型对分布式推进系统进行了评估，考虑了翼身融合布局大型客机、先进常规布局客机和高空长航时无人机3种不同飞机构型，进行了分布式推进概念的顶层评估。对支线飞机以常规燃气轮机和电池驱动电机为动力的混合推进运行策略与飞机概念设计进行了研究，强调了根据飞行任务选择正确的电池功率能量比的重要性。NASA兰利研究中心以保持航空器性能所需的气流功率最小为目标，在飞机性能和推力约束下，对在机翼和机尾分布推进器的飞机方案进行了基于伴随的设计优化。对包括动力系统架构和分布式推进的飞机进行了概念设计，指出了DEP的优势。代尔夫特理工大学的HOOGREEFMFM对带分布式推进和增压涡轮风扇的混合电动飞机进行了概念评估，以150座客机为例，探讨了不同动力布置方案的能耗问题。同一大学的VRIESR对分布式混合电推进飞机的初步参数设计方法进行了研究，表明分布式推进在改善飞机气动特性的同时可降低能耗，还对机翼上分布推进器的混合电动客机进行了总体参数选择，指出了分布式推进飞机面临的挑战。我国西北工业大学研究团队对DEP无人机总体参数设计方法及敏感度分析进行了研究，建立了垂直起降和短距起降无人机的分析模型，分析了模型的灵敏度和设计参数，讨论了关键设计参数对起飞总重和续航时间的影响，梳理了DEP无人机的主要设计参数。乔治亚理工学院的PATTERSONMD针对小型纯电飞机，研究了分布式螺旋桨电动飞机的概念设计，鉴于螺旋桨和机翼之间的协同作用可实现较传统设计更高的空气动力效率，建立了能够分析螺旋桨对机翼的影响以及机翼对螺旋桨影响的涡格模型，实现了对这种相互影响的捕捉，可作为多学科设计、分析和优化框架的基础。
4优化机翼目标函数的设计
实际的机翼改良工作中，往往会遇到多目标的优化工作，会使计算、模拟等工作变得更为复杂，各变量间的复杂联系约束着各自改良目标的参数优化，因此需要科学的选择目标函数的同时，优化结构的模型设计工作。在多目标的机翼优化过程中，设计目标函数设计时需要充分考虑不同参数的权重，使各种参数的权重达到一定的平衡，符合改良的要求。同时，设计的目标函数需要有较强的敏感度，使算法搜索方向明确、快速准确的计算。一般而言，设计目标函数时需多次反复的试算和验算，以确保目标函数的合理性和正确性。在此基础上，对扰动函数等进行科学的设计，确保在充分搜索时，机翼在优化迭代时能保持合理的几何形态，以提高机翼优化后的整体性能。
结语
随着科学技术的发展和国力的增强，我国航空装备的发展日新月异。基于设计/制造一体化，可开拓飞机新概念结构技术领域，突破传统结构重量和寿命“天花板”，打破飞机传统结构70多年的僵局，推动飞机结构技术创新发展，为新型战机机体平台研制提供技术支撑。
参考文献
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