张再欣
沈阳飞机工业（集团）有限公司 辽宁 沈阳 110850
摘要：在飞机设计的初始阶段，为了快速、高效地达到飞机与发动机两者一体化的设计目标,不仅需要一套针对性且系统性的性能匹配分析方法和流程，而且还应当开发相关的计算程序，以达到针对不同型号的飞机进行新研发动机的选择与匹配的目的。根据所制定的发动机选择方案,围绕飞机与发动机本身及其原喷管的性能匹配进行分析。分析结果不仅可为发动机的研发设计提供相关的设计指标参考,如发动机的循环参数等,也是为后续设计的迭代与升级提供参考。
关键字：飞机 发动机 性能匹配
一、引言
纵览飞机的变革历程，发现飞机性能的提升很大程度取决于发动机性能的升级。不同航运需求的飞机对发动机的要求也有所不同。因此，应选择符合飞机性能需求的发动机，而非单纯以发动机自身的性能好坏为选择依据。在很长一段时间内，飞机与发动机的匹配设计主要依靠设计师的经验和专业能力，或是采用冗长且反复的传统逼近法来完成计算分析工作。但随着飞机的设计任务逐渐复杂，设计周期也在不断变长，这种设计模式也难以满足新的设计需求。故而，为了适应我国现阶段的飞机设计需求，研究飞机与发动机之间的性能匹配确有必要。这不但可辅助设计人员选择与飞机性能匹配的发动机，不仅能使发动机的设计研发人员可以更时刻地理解发动机与飞机两者性能关系，也能够使双方在相关设计中能进行更好地配合，以满足飞机的不同需求。
二、匹配方法
为飞机与发动机两者进行性能匹配的关键在飞机的功能和性能的双重驱动下，再从一体化的角度出发，结合飞机的任务和约束、发动机本身的主要设计参数（如涵道比、总增压比、涡轮前温度等)的多目标进行分析和优化选择以及迭代升级，以确定两者的最优匹配方案。
2.1相关分析以及参数选定
（1）约束分析。为了确定满足不通风飞行技术需求的可行域，需要进行约束分析，以便能够从中选定符合要求的翼载和起飞推重比。这两个参数的确定可以通过对飞机进行受力分析，并结合动压、阻力系数、飞行速度及飞行高度等进行计算得到。
（2）任务分析在完成约束分析后，通过对飞行剖面进行计算（飞机经典任务剖面如图2.1所示），则可以算定飞机的起飞总质量、机翼面积以及发动机所需的最大推力,从而可以对飞机与发动机的量级有所了解。在计算过程中，需要关注飞机的空质量、负载质量以及等燃油质量等。
图2.1经典剖面图
（3）循环分析。此步骤不仅是为了对发动机的耗油率和推力等重要性能参数完成估算，还要估算出极限流量、最大转速等设计极限，也要厘清飞行状态的高度、马赫等指标与相关涡轮前温度、涵道比等参数设计之间的相关性。从发动机本身的性能指标出发，可分析计算出符合需求的参数的取值范围。而其余非设计点的循环分析则需要利用给定的相关设计点参数,再结合全部重要航段的航行需求来计算飞行性能,以确定发动机需要满足的飞机所有工作状态的性能要求。
2.2性能计算与综合评价
在选定发动机的循环参数及设计点后，应当对飞机性能进行计算，估算飞机当前性能并与任务预定目标相比较，以评估所选发动机能否达到飞机设计的标准。若符合标准则可推进具体设计环节,若不符合则需要重新进行前文所述的分析环节，直至符合标准要求。
而综合评估则是指对已产出的具有可行性的设计方案做整体性的评估与分析，以进一步对设计方案能否满足性能方面的特定需求进行判断。最后，应该在综合各方面的需求限制因素的考量下得到最优且最适宜的设计方案，作为飞机与发动机细节设计环的参考
三、匹配流程
3.1确定飞机翼载和起飞推重比
为使发动机可匹配不同飞机，不仅需要依据飞机航运需求以及发展趋势来对设计进行任务和约束条件分析，而相关细节要求，则必须利用一体化计算方可获得。
其中，翼载和起飞推重比作为飞机总体概要设计时需要首先确定的参数,也作为选择发动机方案的主要参考指标。笔者将结合仿真平台作完成约束条件分析以及任务分析的任务，以确定飞机在使用所选发动机后的最大起飞速度、质量及其组成。
根据飞机的任务剖面，计算出飞机位于各航段时的瞬时质量比以及燃油因子。再对飞机作受力分析，并结合如图3.1所示的约束航段的经典约束条件，方可计算出对应条件下飞机的翼载和起飞推重比。
图3.1约束航段的经典约束条件
3.2选定发动机循环参数
巡航性能方面的指标，主要包括巡航推力、耗油率、单位推力等。
首先，巡航推力的计算需要结合在巡航段内飞机质量、升阻比等数据，考虑到受未来负载需求的增加以及发动机引气和提取推力功率损耗的影响，应当将安装推力增大至15%，可计算出需要发动机提供的推力的目标值。
其次，航程对耗油率的依赖极强，因此，需要在发动机原装的耗油率降低五个百分点。
再者，考虑到发动机后续可能会有的机器的迭代升级，需要尽可能减少因换装而增加的成本，以及与排气系统各个原装接口间尺寸的兼容性，根据进口流量可计算出巡航状态下的单位推力。
3.3其他性能匹配
在前文所述中，可知如何确定循环参数，也得到符合飞机在概念和性能上的基本需求的发动机方案。在作综合评估时，需要考虑飞机的原装排气系统与发动机间性能匹配度。
在推进系统中，排气系统相当重要的组成部件，可以说对不仅是对发动机的性能，还是对飞机和发动机的共同工作线都有很大影响。因此，需要考虑喷管进口压对推力、耗油率的影响。
四、结束语
通过对飞机和发动机两者进行性能匹配与分析，使得在设计方案的初始阶段即可有效解决两者的匹配问题，也使得两者的性能匹配程度大幅度提高，此外，还能够对发动机的相关指标标准和要求进行优化与升级，为飞机的整体设计方案提供了不少参考依据意见。
而本文所述的两者间的性能匹配技术，也是本次活动才展开了深人研究,创立了本文整套的方法与匹配流程。并利用相关仿真平台完成匹配分析。再将分析所得的相关设计指标和循环参数，再进一步分析发动机以及原装喷管等性能匹配情况，综合评估对两者的匹配方案，也是为后续系统优化打下基础。
参考文献：
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