面向分布式推进构型的飞行/推进综合优化控制机理研究

The Development of aerodynamic configuration makes the flight and propulsion systems tightly coupled. The overall performance of aircraft not only depends on the individual subsystems, it also depends on the coordination between the flight and propulsion systems, which has become a typical integrated optimal control problem for interdisciplinary multi-systems. The high-efficiency distributed propulsion configuration utilizes several new technologies, such as boundary layer ingestion (BLI) and wing flow control, and the coupling influence of aerodynamic,flight and propulsion systems is certainly enhanced. For the new configuration, the coupling effects and optimal strategy of integrated flight/propulsion control is certainly different from current approach. And then basic researches on the integrated flight/propulsion optimal control for distributed propulsion aircraft are very significant. For the distributed propulsion configuration, the characteristic and coupling influence of aerodynamic/flight/propulsion multi-system will be explored firstly. Considering the extended optimization space of BLI and wing flow control, the new integrated flight/propulsion optimal control strategy will be presented and analyzed in detail. Additionally, the optimization algorithm for the multi-variable and multi-constrains complex system will be investigated in depth. The research work will provide a set of feasible methods for the integrated flight/propulsion optimal control of such objects. The expected results will provide basic theoretical support to the high-economy civil and commercial aircraft. Also the results will promote the development of integrated flight/propulsion control theory and application.

气动布局的发展使得飞行和推进系统间耦合更为紧密，飞机的总体性能不仅取决于飞行、推进系统各自的性能，更重要的是二者间的协调，是一个典型的多系统、交叉学科综合优化控制问题。 新型高效率分布式推进布局由于采用附面层吞吸和翼面流场控制技术，使得气动、飞行与推进系统间的耦合效应更加强烈，其在耦合机理和优化策略上与传统飞/推综合控制存在明显差别。因此飞/推综合优化控制研究就成为分布式推进飞机面临的关键问题。 本项目针对分布式推进构型，探索此类对象气动/飞行/推进多系统复杂耦合特性规律；针对新构型下附面层吞吸和翼面流场控制带来的扩展优化空间，提出飞行/推进一体化新型优化控制策略，并研究适于多变量多约束、高复杂系统综合寻优的优化方法，以期为此类对象飞/推综合优化控制提供可行的技术途径。预期成果将为高经济性民用、商用飞机的总体研究提供基础理论支撑，同时也将有助于推动飞/推综合控制领域理论及应用技术的发展。

分布式推进构型是应用于民用飞机的一项新型综合设计布局，已成为欧美下一代民用航空的首选发展方向。新布局大幅度提升了飞机的经济性和环保性，但同时也使得气动、飞行与推进系统之间的耦合效应更加强烈，因此针对新布局探索多系统复杂耦合特性规律，实现飞行/推进一体化优化控制就成为了飞/推综合设计领域面临的新问题和新挑战。本项目瞄准国际前沿研究方向，针对分布式推进布局飞机飞行/推进综合优化控制等关键问题进行了深入研究：1)建立了分布式推进布局飞机飞行/推进系统一体化综合模型，包含能够模拟附面层吞吸效应的二维和三维CFD计算模型，以及基于部件特性的分布式推进系统非线性模型，为飞行/推进综合优化控制的研究奠定了基础。2)揭示了此类对象由于推进/机体高度融合所形成的气动/飞行/推进多系统复杂耦合特性规律，重点研究了附面层吞吸BLI效应和超环量效应，给出了不同飞行状态下耦合特性的变化规律。3)提出了分布式推进布局飞机飞行/推进综合优化控制策略， 提出了基于改进遗传算法和随机模式搜索的混合优化算法，应对优化空间扩展所带来的优化控制变量、约束条件和运算量呈几何级数增长的难题。4)完成了分布式推进布局飞机飞行/推进综合动态寻优的仿真验证，结果验证了本项目所提出的综合优化控制方法以及所揭示的多系统耦合特性规律的正确性。本项目按期完成了项目计划书中规定的研究任务，在学术论文、专利、人才培养和学术交流等方面均达到了预期的成果及目标。综上所述，通过本项目的研究，取得了关于分布式推进布局飞机飞行/推进综合控制研究的丰硕成果，有力推动了飞/推综合控制领域基础理论的发展，也为高经济性民用、商用飞机的总体研究提供了基础理论支撑。