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    本期专栏:虚拟仿真在民用飞机设计研制中的应用
    摘要:
    为提升民机设计质量以及设计评估效率,提出一种以民机仿真数据可视化引擎为基础,有效融合民机CAD数模的多学科数据融合可视化方法。首先,依靠主流CAD系统对STEP国际标准协议文件格式的支持,在通用的工程仿真数据可视化引擎上搭建解析读取STEP文件的接口,读入的设计数据与相关的仿真数据共同存放在可视化平台场景树结构内,显示于统一的场景;然后,凭借计算机集群并行渲染提高交互可视化帧率,便于工程人员与民机多学科数据实时交互。平台融合了CAD/CAE数据剖切、测量、流线提取等交互可视化分析功能,支持全尺寸立体VR显示,可在多通道沉浸式显示系统开展协同评估。通过相关案例展示与分析了民机多学科数据融合效果,验证了CAD/CAE数据融合可视化平台的可行性和有效性。
    摘要:
    蜂窝夹层在航空器结构尤其是直升机结构中有着广泛的应用,其中边缘闭合是夹层结构设计的特有问题,采用斜削结构过渡并与其它结构实现连接是一种典型的形式,考虑到蜂窝夹层结构在成型中斜削区施加压力的不均匀性,在斜削区与蜂窝芯子通过膨胀胶膜胶接从而避免结构脱粘,但在高温影响下膨胀胶膜的力学性能出现降低,导致蜂窝夹层边缘斜削区位置粘接强度受到影响,从而影响到整个蜂窝夹层结构边缘的传力,利用静强度分析了在常温使用条件下斜削区膨胀胶膜完全起作用下蜂窝夹层边缘的应力分布,考虑到胶膜在120℃使用环境下管剪切性能降低的情况,利用热力耦合的方法分析了在120℃使用环境下蜂窝夹层边缘的应力情况,计算结果表明在高温状态膨胀胶膜不起作用的情况下蜂窝夹层结构边缘斜削区仍满足强度要求。
    摘要:
    为了满足民机驾驶舱设计早期多方案对比和快速优化迭代的需求,研发了面向民机驾驶舱的混合现实仿真平台。以实体场景模块、可视化模块和运行逻辑模块为依托, 构建了仿真平台的系统框架; 在此基础上, 研究了高精度动态虚实融合技术, 解决了混合现实平台中操控部件和人的数字孪生问题; 为了验证混合现实仿真平台的可行性和有效性, 在物理驾驶舱仿真平台和混合现实驾驶舱仿真平台开展相同的试验,采用主观评估和客观测量相结合的方法对驾驶舱操纵部件可达性、布局合理性、仪表显示可视性和可读性方面进行人机工效分析, 并将两组试验的试验数据进行对比。试验结果表明,混合现实平台与物理平台的测试效果基本一致,能够为驾驶舱设计早期多方案对比评估提供有效的测试平台。
    摘要:
    虚拟现实技术是20世纪兴起的一项综合性技术,随着科学技术的发展,该技术得到了快速的发展及广泛的应用。针对传统民机培训中存在的课程枯燥、培训效率低下以及成本高昂等问题,虚拟现实技术被逐步应用到民机培训中,并得到长足的发展。对某民机培训中心搭建的虚拟现实培训系统进行了介绍,包括大型沉浸式、头盔式及桌面式三种虚拟现实培训平台,详细介绍了以上三种虚拟现实培训系统的软、硬件组成,包括显示系统、交互设备及开发软件等;并对三种虚拟现实培训系统的优缺点进行了简要总结。针对培训内容在开发过程中存在的复杂、繁琐问题,介绍了基于Unity 3D开发引擎且适用于三种虚拟现实培训系统的无编程课件开发流程。最后对虚拟现实技术在民机培训中的发展方向进行了展望。
    总体气动
    摘要:
    采用计算流体力学方法,针对伴随扰流板下偏铰链襟翼典型二维多段翼进行数值模拟,研究了扰流板下偏对小襟翼起飞构型多段翼气动升阻特性的影响。结果表明:在所研究范围内,1)固定扰流板偏度及缝道,增大襟翼偏度,可明显提升多段翼升力,并增加1.13VSR-1.25VSR升力范围内的阻力;2)固定襟翼位置,增加扰流板偏度,可产生机翼弯度增大与缝隙量减小两个效果;3)机翼弯度增大,可提升多段翼小迎角下的升力,但最大升力影响有限,弯度增加效应可明显降低1.13VSR ~1.25VSR升力范围内的阻力;4)在0.3%c~1.3%c范围内,减小缝隙量,各迎角下升力均随之下降,但减小缝隙量也可明显降低1.13VSR~1.25VSR升力范围内的阻力;5)固定襟翼,随着扰流板下偏,升力在小迎角下有所提升,进失速段呈现下降现象,而阻力在1.13VSR~1.25VSR升力范围内可明显降低。
    摘要:
    主要研究了民用货机的载重平衡控制方法。过去二十年,国内民航客改货机队规模大幅增加。由于货机的结构限制多、装载舱位多等特点,货机的载重平衡控制显得尤为重要。目前国内货机广泛使用基于EXCEL单机版电子舱单,为此对宽体货机电子舱单也进行了调查研究。基于航司日常运行实践,并结合民航规章的要求,介绍了货机的载重平衡控制方法。对于飞机重心包线削减需要考虑的因素进行了研究分析,包括货物装载的误差,机组的移动,燃油的重量与重心波动曲线等。给出了典型货机的燃油系统、纸质平衡图、电子舱单样例、操作限制以及发动机对飞机重心的影响等实际案例。文中末尾从装卸顺序,飞机重量文件管理,发动机等方面还研究了对飞机重心影响的其它因素。通过研究调查,增进对民航载重平衡相关领域业务的了解,并给相关专业人员提供一定价值的参考。
    结构强度
    摘要:
    尾橇装置是飞机最小离地速度科目试飞中的核心装置,在做科目试飞滑跑过程中,尾橇装置可以吸收飞机尾部与地面撞击产生的冲击能量。尾橇装置的收放系统性能需要满足两个设计指标:一是在飞机离地起飞后尾橇装置能够达到完全收起状态,以减小该装置暴露在蒙皮外的部分对飞机气动外形的影响;二是在飞机地面停机状态下,尾橇装置能够达到完全伸长状态,以保证下一次最小离地速度科目试飞时有足够大的缓冲行程用以吸收冲击能量。针对该尾橇装置设计了一套收放系统,分析了其收放原理,并通过MSC.ADAMS软件和AMEsim系统控制模型联合仿真计算其收放性能,研究了气囊初始充压对收放性能的影响。结果表明:该收放系统设计合理、性能可靠,在气囊初始充压4 bar时可以同时满足两个收放设计指标的要求。
    摘要:
    飞机在进行地面转弯过程中,机场道面不平、侧风等环境因素可能导致主起落架转向轮的实际转角与理论转角不符,引起前轮转角和两侧主轮转角关系不匹配,增大轮胎侧向力,主起落架受到的扭矩增加。针对上述问题,提出两侧主轮独立控制的飞机地面转弯控制策略和基于内侧主起落架转向轮为主导对象,外侧主起落架转向轮为从动对象的主从控制策略以及实时转弯角度控制算法。建立基于弹性轮胎的飞机地面转弯模型,计算飞机地面转弯时的主起落架总扭矩。通过MATLAB设置不同主轮转角偏差,对两侧主轮的独立控制策略和主从控制策略下的主起落架总扭矩进行对比,发现前者能更有效降低飞机主起落架扭矩,增加飞机地面转弯安全性以及减小起落架设计难度。
    摘要:
    民用飞机起落架作为飞机唯一的支撑结构,是不可或缺的飞机部件,其中主起落架通常安装在机翼上,而飞机油箱往往也是机翼结构的一部分,当主起落架系统在飞机起飞和着陆过程中因超载而损坏,其损坏模式可能会导致飞机油箱损坏,导致燃油系统溢出足够量的燃油构成起火危险,从而威胁乘客的生命财产安全,所以主起落架需要设计成应急断离结构,使得主起落架能够有序脱离机体,从而保护油箱安全。对民用飞机主起落架保险销的设计与验证进行了研究,包含保险销的结构设计,强度校核和试验验证。通过设计一种区别于起落架连接形式的试验台架并进行仿真分析得到试验台架的修正系数,来进行保险销的试验验证,然后根据试验结果对试验台架模型进行修正,最终确定保险销的结构尺寸。
    机载系统
    摘要:
    飞行员操作程序(pilot operational procedures,简称POP)定义了航电系统的显控界面及操作逻辑,是航电综合设计最重要的顶层设计文件,其仿真对支持总体设计具有不可替代的作用。航电系统的显示控制界面是飞行员的主要人机交互界面,优化便捷的显控界面可以显著提高飞行员的操作效率,降低飞行员的工作负荷。搭建的航电台架体积过大,在与一线飞行员交流、优化和对空勤地勤人员进行培训时就变的比较困难。便携式的设备具有便于携带和直观展示等特点,为设计人员提供便利。首先从某机型的综合航电系统角度阐述POP的组成及任务操作,之后介绍POP仿真模型建立的步骤。最后对综合航电系统POP进行了仿真实现,搭建完成了便携式POP仿真平台。其结果可用于支持系统设计过程中的显示界面设计以及与飞行员交流。
    摘要:
    飞机空地逻辑判定和飞行派遣状态判定的重要依据是轮载信号,当前民用飞机飞控系统轮载信号多采用余度表决监控器进行处理,其中余度表决监控器触发时间对飞机的空地状态和派遣状态具有重要影响。空地转换延迟会导致部分系统对当前飞机状态做出错误判断,影响飞机安全,飞机不派遣状态判断的过分严厉会降低航线中飞机的签派率,影响飞机市场竞争力。为了得到轮载信号监控器触发时间的最佳门限值,通过设计一种试验分析方法,得到了飞机轮载信号比较不一致持续时间的范围,再通过分析轮载信号对飞机着陆状态和派遣状态的影响,得到一种选择最佳轮载信号门限值的设计方法。此外,该方法可以进一步推广到其它具有比较监控器处理的信号上,通过试验与分析的方法,得到比较监控器的最佳门限值。
    摘要:
    基于双余度襟缝翼计算机架构,首先提出和值监控算法确认襟缝翼控制手柄信号本身的有效性,然后提出交叉匹配表决算法表决出最终有效的手柄卡位信号。但该算法受手柄精度、信号传输时间等影响较大,容易导致襟缝翼系统出现半速运动。为提高算法鲁棒性,进一步提出一种改进的襟缝翼手柄信号表决算法:当一路和其他三路通道信号不一致时,以多数通道一致卡位为准;当两两通道信号不一致时,以发生改变的通道一致卡位为准;当发生以上两种不一致现象超过三次时,故障锁存,不一致的卡位指令将会触发半速告警,避免出现隐藏故障。以上几种场景在MATLAB & Simulink环境下,进行建模仿真验证,结果符合预期,可为襟缝翼计算机的设计提供参考。
    摘要:
    预冷器是民用飞机气源系统温度调节的重要部件,若发生超温将导致系统自动关闭,影响下游机翼防冰系统和空调等系统用气需求,对飞机安全性有重要影响,因此研究预冷器设计点满足温度调节需求对气源系统设计有着重要意义。首先分析了预冷器换热性能影响关系,进而对其性能影响因素进行分析,主要包括环境条件信息,飞机状态信息,气源系统引气构型。然后根据经验公式对某机型不同工况条件下预冷器换热功率因子进行计算。计算结果表明在严酷引气构型双发单引气条件下,极热天巡航或待机状态下,低高度、低马赫数、低重量条件为预冷器设计点。通过计算严酷工况下预冷器热边出口温度,对预冷器设计点进行校核,计算结果表明预冷器热边出口温度均满足预冷器预期温度,说明预冷器设计点选取满足设计需求。
    摘要:
    为研究飞机复材机身曲板的声学特性,用VA One建立的统计能量复材曲板模型计算了在三种不同工况下复材曲板的隔声量,并将仿真结果同试验数据进行比较,以此验证其有效性;随后用该统计能量模型分析了铺设不同厚度、密度的隔音棉对复材曲板隔声量的影响,并以模型中接收室的声压级为对象,将隔音棉厚度、密度两个参数进行优化分析,得到了二者在飞机工程应用中的最佳组合方式;最后研究了铺设不同面积隔音棉对复材曲板隔声性能的影响。结果表明:铺设的隔音棉厚度对复材曲板隔声量影响较大,而在目前可选的航空声学材料范围内,铺设的隔音棉密度对复材曲板隔声量影响较小,且二者在飞机工程应用中的最佳组合为厚度5 in,密度9.6 kg/m3;复材机身曲板上的隔音棉铺设面积建议在80%以上,以在飞机工程应用中达到较好的隔声效果。
    试验试飞
    摘要:
    为验证在高寒环境下能够安全运行,民用飞机需开展整机级高寒专项试验。总结了民用飞机高寒专项试验地点的环境条件,包括国内机场气象分析、国外机场气象分析、气候实验室环境条件,针对气候实验室及海拉尔东山机场论证了试验窗口期选取建议,梳理了试验期间环境温度测量、机上数据读取、系统参数测量相关测量内容及注意事项,并对民用飞机在气候实验室和海拉尔东山机场的冷浸透前检查、冷浸透期间检查、冷浸透后检查和海拉尔东山机场的航前检查、飞行检查、航后检查的试验现场实施方法及要点进行了研究,给出了在海拉尔东山机场进行冷浸透检查的时间建议,从而系统论证了民用飞机开展高寒专项试验相关的试验实施方法,对民用飞机高寒专项试验的策划与实施具有一定的指导意义。
    摘要:
    我国西部地区修建了很多高原机场,飞机在高原机场会出现性能衰减,对飞行安全有影响。为提高高原机场起飞的安全性,首先,在分析影响高原机场飞机起飞性能因素的基础上,从外界环境的变化和飞机故障两个方面研究飞机性能降级对飞机在高原机场起飞的影响。其次,梳理性能降级后飞机在高原机场起飞的风险,总结高原机场起飞风险管控流程。最后,结合高原机场运行实际,制定风险管控措施,研究可知:1)飞机性能降级在高原机场安全起飞的影响更明显;2)当叠加恶劣天气后,会加深飞机性能降级的影响;3)起飞性能计算是解决飞机性能降级的重要措施;4)航空公司应制定完善的风险管控流程和措施,应对飞机性能降级后能在高原机场安全飞起,并根据实际情况持续优化流程和措施;5)做好相关运行控制团队的管理是提高工作效率的重要举措。
    应用与实践
    摘要:
    民用飞机进行可靠的空地、空空通信,对飞行安全尤为重要。甚高频(very high frequency,简称VHF)通信系统是目前应用最为广泛的航空通信方式,VHF通信系统通过与机上音频系统交联实现飞机与外部的语音通信,通过与机上数据链系统交联实现飞机与地面的数据链通信。甚高频通信系统与民用飞机的安全运行密切相关,也是适航规章和运行规章要求的内容。结合甚高频通信系统功能要求和设计架构,针对适用于甚高频通信系统的中国民用航空规章第25部:运输类飞机适航标准(CCAR-25-R4-2011)条款,分析并给出甚高频通信系统可接受的符合性方法,同时根据型号工作经验给出甚高频通信系统在适航审查中的审定要素。针对甚高频通信系统所涉及的各项条款,为局方提供了适航审查工作需要关注的审定要素和评审要求。研究有助于民机甚高频通信系统的安全设计与适航验证。
    摘要:
    复合材料已在现代飞机舱内装饰中大量使用,而大量复合材料的使用会增加飞机的火灾风险性,因此对复合材料的阻燃验证进行讨论探究具有重要意义。梳理了CCAR 25部《运输类飞机适航标准》中复合材料阻燃验证相关的条款要求,包括25.603条款材料要求,25.605条款工艺要求和25.853(a)条款的阻燃要求;介绍了当前国内民用航空产业复合材料的使用情况,包括两种主要结构形式复合材料蜂窝芯板和复合材料层压板,两种主要原材料酚醛树脂玻璃纤维织物预浸料和芳纶纸蜂窝芯,两种主要加工工艺中温模压机成型工艺和中温热压罐成型工艺;根据对PS-ANM-25.853-01-R2的解读,结合客舱内饰适航验证经验和阻燃试验数据,讨论了一种符合当前国内民机内饰发展阶段和形势的复合材料阻燃适航验证的方法。
    摘要:
    国内很多航空公司多基地间存在机组人员和航班任务数量不匹配的情况,导致各基地生成的任务环在机组派遣阶段难以被很好地执行,因此需在任务环生成阶段生成适量的可满足机组人员跨基地支援的任务半环,而传统的生成完整任务环的方案难以适用于该情况。在该问题中,通过顺序方法找到全局最优解是不可能的,因为在配对问题中做出的决策减少了机组分配问题的决策域。对此,创新性地提出了任务半环生成方案,并且创建基于时空网络的集合划分模型,分析任务半环生成总量约束的子问题目标函数项对列生成求解框架的影响,提出可以有效消除该影响的分治策略,采用实际数据验证算法可行性和有效性。与传统的方法相比,可显著节省成本并更好地满足机组人员分配不平衡问题。
    摘要:
    针对A320系列飞机不同机型燃油系统构型存在差异,不便于签派放行处置的问题,提出了A320系列各机型常见故障的签派放行处置方法。首先,系统总结了A320系列飞机各机型燃油系统的布局、供油部件和供油逻辑,指出了各机型可能出现的故障类型和引起故障的机理。其次,分析了可能影响航空公司运行的常见故障,以供油的原理和逻辑为基础,根据构型不同指出对运行影响最大的两个部件为中央燃油泵和传输活门。再次,提出了不同故障条件下签派员的处置方法。最后,以飞机处于签派放行阶段、起飞阶段、中央油箱燃油部分消耗阶段和中央油箱无油阶段为例分别进行分析,进行算例分析说明。结果表明,所提方法能够有效指引签派员处置中央燃油泵或传输活门出现常见故障。
    摘要:
    针对新冠疫情下座舱内乘客因气流组织分布而产生交叉感染问题,以宽体客机座舱为对象,研究了座舱内COVID-19病毒的传播特性,并提出了人体微环境控制方法来抑制病毒在座舱内的传播。采用拉格朗日方法模拟了座舱旅客呼出带病毒飞沫,揭示了座舱内病毒传播轨迹和分布特性,分析了不同送风方式、送风速度以及人体微环境控制技术对座舱内病毒颗粒传播特性的影响。提出了相对暴露值量化不同位置乘客被病毒飞沫污染程度。结果表明:送风速度对座舱内病毒飞沫传播的影响相对较小,顶/侧送风的组合送风方式可有效降低病毒飞沫的扩散范围;在座舱上方增加气幕带送风式的人体微环境控制方法,有效降低了舱内病毒飞沫浓度,减小了人员交叉感染风险,相邻位置乘客感染的相对暴露值降低了65%,其他位置乘客相对暴露值降低约90%。
    摘要:
    由于环境保护的需要,寻找适合民用飞机的哈龙替代灭火剂是急需解决的问题,在可选择的多种灭火剂或灭火系统中,水雾灭火系统由于其环保、清洁、高效、稳定且无毒害等优点而成为目前最有希望的哈龙替代灭火剂。首先介绍了水雾灭火系统的灭火机理及其独特优势,以及国际航空火灾防护工作组(IASFPWG)制定的最低性能标准(minimum performance standard,简称 MPS)和测试结果,研究显示水雾灭火系统很好地通过了MPS要求。然后对影响水雾灭火系统性能的因素进行研究分析:提高工作压力和流量系数可有效提高水雾灭火系统灭火能力,通过调节喷雾锥角和雾滴粒径可改善水雾灭火系统灭火性能;添加一定浓度的盐类化合物、表面活性剂也可提高水雾灭火系统的灭火能力,且不同添加剂具有不同的最佳浓度比例。
    摘要:
    航线可维护件划分是民用飞机维修性设计的重要工作之一,航线可维护件划分是经济性、维修性、可靠性综合权衡的结果,是客户需求的最直接体现。航线可维护件的合理划分能够提高飞机利用率,降低维修成本,提高航空公司的盈利水平。国产民用飞机的航线可维护件划分一般基于相似机型的经验,缺少科学系统的划分方法。航线可维护件的划分问题是近年来RMS领域亟待解决的问题之一。根据实际需要,提出了航线可维护件划分原则,并以初步定性分析、定量权衡为基础,综合考虑航线可更换项限制、相似机型经验、经济性、可靠性和维修性指标,提出一种航线可维护件划分的综合权衡方法,实现民用飞机航线可维护件的科学划分,为民用飞机可靠性、维修性设计分析工作提供支持。
    摘要:
    维修性是产品质量的一种特性,良好的维修性是民机快速、经济维修的基础和前提。在民用飞机研制过程中,正确、完整的捕获维修性需求是维修性设计的核心。场景分析是一种传统的、常用的需求捕获技术,在研究利用场景分析的手段开展民用飞机维修性需求捕获时,充分考虑了民机的全寿命周期,构建完善的维修场景层级框架体系,同时引用质量管理中“人”、“机”、“料”、“法”、“环”五个概念,结合实际维修活动,形成了五个基本维修维度。建立维修场景分析流程,通过不同的维修场景下维修人员一系列的维修操作,与各维修维度的交互关系,捕获飞机的维修性需求。最后,结合前面的捕获方法及流程,以某型民用飞机为例,系统阐述了维修场景框架系统及基于场景的维修性需求捕获过程。
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    优先出版日期:  2022-11-24 , DOI: 10.19416/j.issn.1674-9804.XXXX.XX.201803004
    摘要:
    针对带有中央翼盒的某型飞机的机身,数值研究了不同水平速度、垂向速度、姿态角和尾翘角对强迫下滑入水过程中机身水平力、垂向力和俯仰力矩的影响规律。数值模拟中,控制方程选为非定常可压缩流动的雷诺时均Navier–Stokes方程(RANS)和realizable k-ε湍流模型,使用流体体积法捕捉水气交界面的变化,采用整体动网格技术来模拟机身相对于水面的运动。结果分析表明:机身的垂向力系数和俯仰力矩系数是由垂向速度引起的冲击效应和水平速度引起的流动效应共同决定的。水平速度增大,水平流动效应增加,使得机身所受的水平力和垂向力系数减小,抬头力矩系数增大。垂向速度增大,冲击效应增大,导致机身所受的水平力和垂向力系数增大,抬头力矩减小。姿态角和尾翘角对于水平力系数的影响较小。姿态角减小会使得中央翼盒较早触碰水面导致垂向力系数和抬头力矩系数增大;而尾翘角增大会使得冲击效应增大导致垂向力系数和抬头力矩系数增大。
    优先出版日期:  2022-08-05 , DOI: 10.19416/j.issn.1674-9804.XXXX.XX.n201406005
    摘要:
    轮载信号是飞机相关系统进行空地状态判断的重要信号,轮载信号触发时间对飞机各系统工作状态具有重要影响。本文依据动力学方法,初步建立了飞机从机轮接地至触发轮载信号的动力学模型,分析了飞机着陆状态对轮载信号触发时间的影响,对于飞机相关系统设计工作具有一定参考价值。

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