航空动力系统整机多学科设计优化方法

李伟

单位邮编：611731

摘要：多学科设计优化（multidisciplinarydesignoptimization，MDO）作为一门极具潜力的方向性新兴技术，充分研究工程系统中多学科联系的协调机制，利用与时俱进的计算技术和智能交互算法平台设计复杂的系统和子系统，考虑过程效率和解决方案精度，实现各学科性能之间的平衡。因此，可以发挥设计潜力，提高航空动力系统的综合性能，缩短开发周期，降低整个周期的运营成本。据此，对航空动力系统整机设计的多学科优化方法进行了讨论，可供参考。

关键词：航空动力系统；整机多学科设计；优化方法

引言

现代航空动力以燃气涡轮发动机为主，是典型的大国重器，被誉为现代工业“皇冠上的明珠”。航空动力作为关系国家安全、经济建设和科技发展的战略产业，其发展水平已经成为影响一国军事装备水平、科技实力和综合国力的重要因素。

1航空动力系统MDO工作进展

航空航天MDO系统是在学科设计优化的基础上开发的，遵循简单到复杂的原则，可分为零件级MDO、部件级MDO、通用程序级MDO和整机级MDO四个级别。零件级MDO的研究结果围绕风扇/压缩机叶片、离心叶轮、涡轮叶片和冷却通道，讨论了许多MDO关键技术，包括参数化建模、代理模型、优化算法等。普惠公司，建立了三维轴向风冷涡轮叶片的MDO方法，优化了F100发动机二级涡轮叶片叶栅的内部冷却结构，在满足最高温度、应力、寿命和马赫数分布要求的同时，将平均冷却效率从原来设计的25.9%提高到了29.7%。罗罗公司和德国航空航天中心结合克里金模型和贝叶斯学习代理模型，对某风扇出口导向叶片进行了多学科优化设计。如果强度和噪音满足要求，叶片数量将从42个减少到14个。最大爬升状态、最大起飞状态的气动损失系数分别由2.8%、3.7%、4.4%降到2.3%、2.9%、2.8%。

2航空动力系统整机多学科设计优化方法

2.1科研及管理体系完善，基础设施能力充足

航空产业发达国家建立了完善的航空发动机科研体系，形成了符合航空发动机产品开发规律的管理体系，为产品开发和产业发展奠定了基础。政府与企业的合理分工和有效协同作用说明了这一制度的突出特点：除了从事航空发动机开发和生产的企业外，公共研究机构主要参与各应用领域航空产品开发的规划，代表官方进行标准测试；大学积极开展基础研究和职业培训。例如，就美国而言，航空航天动力装置的主要应用领域由政府或相关机构（如国家航空航天局、国防高级研究计划署）负责制定面向发展的政策；美国科学研究所定期发布航空动力领域的技术报告，预测未来发展、市场和技术趋势；空军研究实验室、阿诺德工程开发中心和其他军事科研部门也深入参与了相关产品的开发过程。此外，这些监管机构管理航空动力研究资源，建立了大规模的研究基础设施，为参与航空动力技术研发的公司、大学和专业机构提供综合测试能力，并代表当局执行测试鉴定任务。这些大型研发基础设施建设周期长，投资量大，政府建设和管理方式提高了效率，减轻了企业负担，确保了国内航空业市场的高效运行和竞争力。

2.2坚持辩证思维，科学统筹

我国航空动力的发展与安全统筹安全与发展，是总体国家安全观辩证思维的一个重要体现。回顾历史可以看到，新中国成立到改革开放之前的30年，国家的客观形势是“安全重于发展”，大规模的“三线”建设、全国性的产业布局调整就是出于这样的理念。改革开放后的30多年间，随着时代主题逐渐演变为和平与发展，整个国家客观形势是“发展重于安全”，百万大裁军以及由此带来军工企业投入的减少体现了这样的理念。进入新时代，国家安全形势发生了深刻变化。如何处理发展与安全的关系？总体国家安全观的回答是：两者不是对立的，而是同步推进的。总体国家安全观时，就强调要“既重视发展问题，又重视安全问题”。此后，多次强调发展和安全并重，以发展促安全、以安全促发展，两手都要抓都要硬。在2021年公布的“十四五”规划中，这一观点被表达为“统筹发展和安全”，作为独立一篇进行重点阐述。

2.3高精度恒转速及变转速控制

垂直起降无人机不断向多模态和高机动方向拓展，对于需要兼顾多模态的旋翼分系统，对转速的变化极为敏感，为保证旋翼在不同模态下均能维持较高效率，需将旋翼恒转速控制的精度维持在极高的水平，否则会导致单个模态下旋翼效率急速下降进而造成飞机控制发散；此外，为适应飞机多模态飞行的需求，旋翼需在不同工作模态下以不同转速工作，而当前涡轴发动机一般为单个恒转速控制输出，因此需通过优化发动机控制律现对多个恒速点的变转速需求。

2.4控制结构

根据特性分析，高压供气控制系统可选用的算法较多，包括PID控制、预测控制和前馈控制等。其中PID算法结构简单，对模型不清楚的系统也能得到比较满意的效果，但抗扰能力相对较差；预测控制对于准确的控制对象模型具有较好的控制作用，但是扰动抑制作用比较迟滞；前馈控制的抗扰性能较好，但是需要精确的扰动对象模型才能具有较好的抗扰效果，并且需要搭配负反馈环节才能获得较好的控制效果。上述算法单独使用都无法满足要求，通过复合控制的方式可以弥补单个算法的缺陷，从而保证供气流量的稳定性与准确性。

2.5系统求解

在运行MDO整机解决方案时，优化策略和多目标优化算法的有效性和效率至关重要。MDO优化策略既有单层优化策略，也有多层优化策略，但对于航空动力系统(包含许多零件和部件和领域特定的非常复杂的优化对象)，通常最好选择多层优化策略，但目前往往有两级优化策略。任务组一般对整个系统进行优化。被称为嵌套协作优化(NCO)，但此方案在技术上不一定是唯一的优化方案。为此，可以在整个操作中打破系统级实践的优化，将相关操作或部分相关操作和参数从系统级分离出来，分别作为下一级的“总体”。

2.6加强保障，助力提升

没有高性能计算环境，就无法支持高级仿真应用，高精度仿真能力必须得到大量可靠数据的支持。目前，航空发动机行业的高性能计算设备在计算速度和存储容量方面严重不足，难以满足高保真数值模拟工程应用的需求，迫切需要扩展和改进。同时，在仿真软件开发过程中，还需要获取大量、完整、精细、可信的测试数据，不断改进和纠正仿真模型、方法等，这是一个需要不断迭代完善的过程，在组织整个行业进行仿真软件验证和推广应用的同时，还应大力推动为软件开发过程构建测试验证条件，全面提高软件开发能力和水平，尽快解决专业软件瓶颈问题。

结束语

面对复杂严峻的国内外形势，我国有必要从国家战略高度综合研判航空动力领域发展的重大价值和国际经验，深入分析该行业的发展状况及其面临的紧迫问题，科学发展2035-2050年航空航天能源发展战略，全面提升科技创新能力和核心竞争力，支持先进航空设备现代化，推动行业持续优化升级，促进中国航空航天动力行业的快速优质发展。

参考文献

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