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高超声速飞机翼面布局与任务轨迹一体化设计

北京航空航天大学学报 2024年

作者：叶一樵沈海东刘燕斌高泽鹏孔祥陈金宝南京航空航天大学航天学院

针对传统多学科优化设计模型复杂导致计算量大、收敛困难等问题，以高超声速飞机为研究对象，提出了一种基于贝叶斯优化理论的飞行器翼面布局与任务轨迹一体化设计优化方法。构建了包含翼面特征参数的气动特性代理模型，在此基础上以高... 详细信息

针对传统多学科优化设计模型复杂导致计算量大、收敛困难等问题，以高超声速飞机为研究对象，提出了一种基于贝叶斯优化理论的飞行器翼面布局与任务轨迹一体化设计优化方法。构建了包含翼面特征参数的气动特性代理模型，在此基础上以高超声速飞机机翼特征参数为输入，以hp自适应伪谱法求解得到的最优飞行轨迹燃油消耗量为输出，基于贝叶斯优化方法构建了翼面布局—轨迹一体化迭代设计流程，通过期望提升函数策略更新样本点参数，实现了面向特定飞行任务的高超声速飞机翼面布局与任务一体化优化设计。仿真结果表明：所提方法能够在满足优化结果收敛精度的前提下，显著提升迭代设计效率，具有较强的工程应用价值。

关键词：高超声速飞机一体化设计轨迹优化代理模型贝叶斯优化

直接氨SOFC-GT混合动力系统性能及航空应用

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航空动力学报 2024年第4期39卷 165-179页

作者：徐乐根毛军逵梁凤丽王在兴杨孟林南京航空航天大学能源与动力学院江苏省航空动力系统重点实验室南京210016

建立了基于直接氨燃料的固体氧化物燃料电池-燃气轮机(SOFC-GT)混合动力系统仿真模型,开发了一种架构优化的高功率-质量比的高效发电系统,并研究了燃料利用率和系统燃料分配对系统功率分配、各子部件质量以及其㶲损失等性能的影响。基于... 详细信息

建立了基于直接氨燃料的固体氧化物燃料电池-燃气轮机(SOFC-GT)混合动力系统仿真模型,开发了一种架构优化的高功率-质量比的高效发电系统,并研究了燃料利用率和系统燃料分配对系统功率分配、各子部件质量以及其㶲损失等性能的影响。基于所建立的模型分析了压气机压比、燃料摩尔流量、空气摩尔流量等输入参数对系统性能的影响,在最优性能条件下对系统进行功率-质量比分析。仿真结果表明该系统的净发电效率为56.85%,㶲效率为50.71%,净发电量为213 kW,功率-质量比为0.7303 kW/kg,达到美国能源部太平洋西北国家实验室(PNNL)为SOFC-GT混合动力系统应用于航空航天领域制定的标准。在此基础上,讨论了该系统在商用飞机主动力和辅助动力上的应用,表明SOFC-GT混合动力系统在航空领域具有良好的应用前景。

关键词：氨燃料电池固体氧化物燃料电池-燃气轮机混合动力系统系统效率功率-质量比航空动力

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中高层大气背景红外辐射特性及成像研究

激光与光电子学进展 2024年第8期61卷 314-324页

作者：施杰史波金峰邢世林缑伟隆南京航空航天大学能源与动力学院江苏南京210016

以中高层大气背景的红外辐射特性和红外成像为研究目的,建立中高层大气背景探测模型和红外成像模型,分析中光谱分辨率大气辐射传输模式(MODTRAN)在红外波段的适用范围,利用战略高空辐亮度代码(SHARC)仿真分析3~5μm波段不同观测参数下... 详细信息

以中高层大气背景的红外辐射特性和红外成像为研究目的,建立中高层大气背景探测模型和红外成像模型,分析中光谱分辨率大气辐射传输模式(MODTRAN)在红外波段的适用范围,利用战略高空辐亮度代码(SHARC)仿真分析3~5μm波段不同观测参数下的中高层大气背景红外辐射特性,并建立相关辐射特性数据库,完成中高层大气背景红外辐射场景成像仿真。结果表明:3~5μm和8~12μm波段MODTRAN分别在切点高度50 km和70 km以下具有较好的计算精度;中高层大气背景辐亮度随着切点高度和太阳天顶角的增大而减小,随着观测天顶角的增大而增大;短路径和长路径的辐射特性分别由路径长度和处于低层大气的路径大气参数占主导影响;白天和夜晚的辐亮度分别在36 km和34 km为最大值,在75 km和85 km处为极大值。研究结果可为中高层大气背景红外探测提供理论支持。

关键词：中高层大气红外辐射临边背景红外成像数据库

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共轴刚性旋翼气动及噪声特性的参数影响分析

航空学报 2024年第9期45卷 106-120页

作者：刘琦史勇杰胡志远徐国华南京航空航天大学直升机动力学全国重点实验室南京210016

共轴刚性旋翼直升机是未来高速直升机发展的重要方向之一。研究了其前飞时旋翼桨-涡干扰(BVI)流场及气动噪声特性,探究了参数变化对其气动和噪声特性的影响规律。为精细捕捉旋翼尾迹流场,提出了一套高精度的共轴刚性旋翼直升机流场计算... 详细信息

共轴刚性旋翼直升机是未来高速直升机发展的重要方向之一。研究了其前飞时旋翼桨-涡干扰(BVI)流场及气动噪声特性,探究了参数变化对其气动和噪声特性的影响规律。为精细捕捉旋翼尾迹流场,提出了一套高精度的共轴刚性旋翼直升机流场计算方法,该方法基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程为控制方程,并用五阶WENO-Z格式重构空间变量,以运动嵌套网格系统模拟旋翼桨叶运动。同时,使用了基于Farassat 1A公式的旋翼噪声计算方法,对旋翼桨-涡干扰噪声具有较高捕捉精度。应用所建立的方法,分别对孤立单旋翼、无机身共轴旋翼和有机身共轴旋翼流场进行计算对比,研究了该构型旋翼自身桨-涡干扰、旋翼间干扰和机身干扰对共轴刚性旋翼气动及噪声特性的影响。然后还计算分析了不同几何参数对共轴刚性旋翼气动及噪声特性的影响,得出了一些新的结论。

关键词：直升机共轴刚性旋翼气动噪声桨-涡干扰桨尖形状计算流体力学(CFD)

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混合动力分布式电推进飞行器总体设计

航空动力学报 2024年第9期 156-168页

作者：李嘉诚盛汉霖陈欣史昊蓝张天宏南京航空航天大学能源与动力学院

以运-7飞机作为参考机型，进行了分布式电推进飞行器的总体设计与性能分析。设计了改型后的分布式电推进飞行器的动力系统，包括螺旋桨参数设计，机翼参数修正，电动机功率计算与选型，螺旋桨气动设计，最终完成混合动力系统的设计。完... 详细信息

以运-7飞机作为参考机型，进行了分布式电推进飞行器的总体设计与性能分析。设计了改型后的分布式电推进飞行器的动力系统，包括螺旋桨参数设计，机翼参数修正，电动机功率计算与选型，螺旋桨气动设计，最终完成混合动力系统的设计。完整地计算了改型后飞行器的各部分质量增减情况并分析其飞行性能，相比参考机型，航程与航时分别增加了540 km与1.2 h，增加幅度超过20%，最终进行了分布式电推进飞行器的三维建模与气动特性分析。为分布式电推进飞行器建模、仿真与控制及工程应用提供了理论依据。

关键词：分布式电推进绿色航空飞行器设计推进系统设计性能分析气动特性分析

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垂直布置支板对斜爆震发动机掺混与起爆特性的影响

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兵工学报 2024年

作者：刘忆东秦琼瑶李建中袁铭泽李珑罡李夏飞南京航空航天大学能源与动力学院

斜爆震发动机是一种新型的吸气式发动机，在9马赫以上的高超声速飞行中有着极大的优势。其中内喷构型斜爆震发动机由于掺混距离短，面临燃料混合不均匀的问题，不均匀的燃料分布会影响爆震波的稳定可靠起爆。为实现燃料的高效低阻掺混... 详细信息

斜爆震发动机是一种新型的吸气式发动机，在9马赫以上的高超声速飞行中有着极大的优势。其中内喷构型斜爆震发动机由于掺混距离短，面临燃料混合不均匀的问题，不均匀的燃料分布会影响爆震波的稳定可靠起爆。为实现燃料的高效低阻掺混，提出一种垂直布置支板结构。采用数值模拟方法研究垂直布置支板在实现斜爆震波稳定起爆方面的优越性，分析垂直支板角度对于掺混和起爆的影响。研究结果表明，增大垂直支板角度降低了掺混段出口氢气质量分数，引起氢气分布结构的弯曲；起爆区域倾斜且起爆距离略微增大后逐渐减小。由此可知，增大垂直支板角度强化氢气掺混的同时减小了起爆距离，从而实现了斜爆震波的稳定可靠起爆。

关键词：内喷构型斜爆震发动机垂直支板喷注掺混段起爆段支板角度

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整体叶盘阻尼环减振特性分析与试验方法

航空动力学报 2024年

作者：孙超漆文凯牛南轲南京航空航天大学能源与动力学院

以真实压气机整体叶盘为研究对象，针对整体叶盘三节径各阶模态开展阻尼环减振特性分析。建立了整体叶盘有限元模型。基于整体-局部统一滑动模型，发展了适用于环形阻尼器系统振动响应分析方法，使用该方法对整体叶盘在简谐激励下的振... 详细信息

以真实压气机整体叶盘为研究对象，针对整体叶盘三节径各阶模态开展阻尼环减振特性分析。建立了整体叶盘有限元模型。基于整体-局部统一滑动模型，发展了适用于环形阻尼器系统振动响应分析方法，使用该方法对整体叶盘在简谐激励下的振动响应进行仿真计算。设计能够激发整体叶盘节径振动的试验系统，通过试验验证了有限元模型的合理性以及计算方法的有效性。结果表明阻尼环对各阶振型均有很好的减振效果，最高可达60%。试验结果与仿真结果吻合度较好，固有频率相对误差均在5%以内。研究结果对工程上整体叶盘结构减振设计具有一定参考价值。

关键词：整体叶盘阻尼环减振试验干摩擦阻尼振动响应分析

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林火场景下地球背景红外辐射特性仿真方法

光学学报 2024年

作者：郑浩史波邢世林南京航空航天大学能源与动力学院

林火场景对地球背景红外辐射特性影响的研究对于预警卫星的目标识别至关重要。首先，由于林火场景的动态性，本文根据中分辨率成像光谱仪（MODIS）遥感数据对火场参数进行等级分类，基于元胞自动机模型建立林火图像模型，并对其改进来... 详细信息

林火场景对地球背景红外辐射特性影响的研究对于预警卫星的目标识别至关重要。首先，由于林火场景的动态性，本文根据中分辨率成像光谱仪（MODIS）遥感数据对火场参数进行等级分类，基于元胞自动机模型建立林火图像模型，并对其改进来适应卫星观测高度下大尺度空间的特点。其次，根据不同的火场等级，利用中光谱分辨率大气辐射传输模式（MODTRAN）进行辐射计算，分析了不同等级的辐射特性。最后，建立了林火场景下辐射特性数据库，实现了林火场景下地球背景红外辐射图像的快速仿真,研究了不同波段下林火规模和林火持续时间对区域辐照度的影响。结果表明：在2～3μm波段，小规模林火场景的辐照度最大值是无火场景的58.6倍，而在8～14μm波段，火点的辐照度比着火前增加了40%左右；随着着火时间的延长，初期火势扩大导致火势规模扩大，辐照度上升，但随后保持稳定。

关键词：红外成像红外辐射森林火灾图像仿真元胞自动机

基于激光原位预热的连续纤维增材制造层间强化机理研究

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机械工程学报 2024年第1期60卷 44-53页

作者：陈意伟单忠德范聪泽宋亚星宋文哲南京航空航天大学机电学院南京210016 国家先进印染技术创新中心泰安271000 南京航空航天大学材料科学与技术学院南京210016

连续纤维复合材料增材制造具有成形自由度高、材料利用率高、模具依赖度低等优点,能够实现复合材料的快速低成本一体化制造,满足航空航天等领域复材构件短周期高性能的成形需求。但基于层层堆积成形原理的连续纤维复合材料制件层间性能... 详细信息

连续纤维复合材料增材制造具有成形自由度高、材料利用率高、模具依赖度低等优点,能够实现复合材料的快速低成本一体化制造,满足航空航天等领域复材构件短周期高性能的成形需求。但基于层层堆积成形原理的连续纤维复合材料制件层间性能较差,在长期使役过程中极易出现分层失效,严重限制其广泛应用。本研究提出了基于激光原位预热的连续纤维增材制造成形方法,通过建立基于“生死单元”技术的有限元仿真模型,揭示了激光预热对增材制造成形温度分布及其演变规律,并通过实验验证了其对改善成形制件层间性能的有效性,最终获得了激光预热的层间强化机理。结果表明,激光预热能够快速加热样件表面温度,促进层间树脂的熔合粘接,并进一步促进成形丝材的重熔浸渍,相较于未经预热样件,激光预热后层间剪切强度最大提升115%。

关键词：连续纤维增材制造激光预热层间强化生死单元