航空宇航学科综合课(博) 课程总结

宇航学院

讲座总结

航空宇航学科综合课（博）（2017 年1月2日）

一、气动弹性技术发展方向

杨超教授2016.9.23第一次的航空宇航综合课是由我们航空科学与工程学院院长杨超教授给我们带来的关于气动弹性方面的讲座，虽然之前的学习过程中也听说过一些气动弹性的理论，但是并没有太多的了解，这一次的讲座加深了我们对于气动弹性这门学科的认识与理解。

气动弹性是研究弹性物体在气流中的力学行为的学科，其任务是研究气动力与弹性体的相互影响。气动弹性问题是所有飞行器都存在的问题，只是程度不同主要矛盾不同。

气动弹性问题普遍的存在于古往今来所有飞行器当中。1903年12月，莱特兄弟试飞前9天，兰利的“空中旅行者”号有动力试飞失败，就是因机翼扭转变形发散造成的；一战中发生过多起颤振和发散的事故，而二战过后，随着飞行速度的不断增加，颤振问题渐渐显现，成为许多飞行事故的元凶；而离我们比较近的一次是1998年F-117颤振事故。因此我们必须对气动弹性问题加以重视，并且随着科技的进步，尤其是对气动弹性技术、喷气发动机和后掠翼技术的突破，人类飞行突破“音障”已成为可能。

目前气动弹性问题的研究热点是复合材料气动弹性剪裁优化和主动气动弹性机翼（Active Aeroelastic Wing）。众所周知，复合材料有许多独特的优点。例如质量轻、比强度和比刚度高、抗疲劳和抗振性能好、结构可设计性好等，特别是它所具有的显著的各向异性力学特性。而气动弹性剪裁是指通过复合材料的刚度方向性及其变形耦合来控制翼面结构的静力和动力气动弹性变形，从而提高飞机性能的一种结构优化设计方法。该气动弹性优化算法适用于飞行器设计的初始阶段。主动气动弹性机翼的设计思想是通过全权限、快速响应的数字式主动控制系统来主动且有效地利用机翼的柔性。美国从1985年开始，就逐步对该方法进行了研究，已经进入了飞行测试阶段。

随着导弹、高性能巡航导弹、高超音速巡航导弹、无人机的发展，要求质量轻、速度高，气动弹性问题更加突出，气动弹性的研究在工程实践中发挥着越来越重要的作用。

二、航空器适航设计技术

曹义华教授2016.9.30适航性（Air Worthiness）是指航空器在预期的运行环境中在经审明并被核准的使用限制下运行时，应具备的安全性和物理完整性品质。这种品质使航空器始终处于符合其型号设计及安全运行的状态。适航性标准是为了保证实现民用航空器的适航性而制定的最低安全标准。

目前的航空器适航标准主要包括：美国联邦航空管理局FAA的《联邦航空条例》（FAR）、英国民用航空管理局CAA的《英国民用适航性要求》（BCAR）、西欧国家的《联合适航性要求》（JAR）、俄罗斯的《民用航空条例》以及中国民用航空局的CCAR。

另外，还存在适航审定标准。70部联邦航空条例中的大多数是属于管理性质的，但其中有八部则是从最低安全要求出发，对航空器、发动机或螺旋桨的设计提出了具体的技术要求，FAA将其进一步定名为“标准”，其中包括7部适航标准和一部噪声标准。

航空器飞行的空间称空域。空域的概念包括三种属性，分别为法律属性、自然属性和技术属性。法律属性的意义在于空域是国家的重要资源，由国家实行统一管理，各国对于空域管理都有自己相应的严密机构，并有法律条款对各项活动进行约束。自然属性容易理解，空域有下确界即地表、海面等，也受天气情况的影响。技术属性是指空域也与许多科学技术有关，如需要在空域建立用于通信的通信场，实现导航的导航场，实现监视功能的监视场等。

空域管理是为了适应航空事业的发展而提出的。航空事业的发展是伴随着飞行器的发展而发展的。1783年作为历史上第一个真正意义上的航空器热气球诞生，在之后的100多年里，随着科技的进步以及人类对于航空器研究的不断深入，1903年莱特兄弟成功进行了真正意义上的飞机的首飞，1943年直升机的发明让世界航空事业不断完善与发展，到如今，各式各样的飞行器翱翔天穹。近十几年来，航空事业发展日新月异。因此要保证飞行器飞行的安全和有序，就要加强管理。空域管理是这种管理的一个重要方面，它有效的提高了空域利用率，增加了空域的容量和整体流量。空域管理凸显了其重要性。

三、复杂产品集成的多学科设计优化研究

徐元铭教授2016.10.14这是本学期的第三次课，本次讲座是由航空科学与工程学院的徐元铭教授为我们介绍的复杂产品集成的多学科设计优化研究，在当前学术界领域，多学科优化研究应该说是我们作为博士研究生必须要了解甚至需要我们深入探究的一门学科。多学科优化设计是目前十分热门的新生学科，国内有很多学者在从事这方面的理论研究，在国外这项技术已经有很多工程应用。

多学科优化设计（Multidisciplinary Design Optimization，MDO）解决复杂工程系统的设计优化的一种有效方法和工具。其主要设计思想为：在复杂系统的整个设计过程中，充分利用分布式计算机网络技术来集成各学科的知识，按照面向设计的思想来集成各个学科的模型和分析工具，通过有效的设计和优化策略组织和管理设计过程，充分利用各学科相互作用产生的协调效应来获得系统整体最优解，缩短设计周期，节约成本。

复杂工程系统（航空航天系统）的设计往往涉及多门学科，如气动、结构、控制、发动机等很多学科，传统的串行设计方式的最大弊端在于它人为的割裂了各学科之间的相互作用，并没有利用各学科之间相互影响产生的协同效应。这种设计方法只能获得局部的最优解，很有可能失去全局最优解，而且设计周期长，成本高。这些特点显然不能适应越来越多，且越来越苛刻的设计要求的发展趋势。多学科优化设计正是为解决这一问题的新的设计方法。

目前，国内外飞行器总体设计的研究领域是多学科优化设计（MDO），即全局考虑飞行器设计中多子系统之间相互耦合的跨学科、跨专业的系统优化，以实现飞行器的全寿命周期设计。

MDO的主要目的是为了加快设计进程和降低复杂系统的设计制造费用，同时使产品效率、重量、寿命、可靠性和可维护性得以提高。随着今年来大量应用到产品设计和开发过程中，MDO将对未来科技和工程领域产生巨大作用。MDO 在总体设计过程中，尤其是在方案论证阶段具有实用价值。其中，MDO最直观的作用就是可以根据用户选定的优化目标自动进行参数的合理选择。