分布式混合電推進的布局設計與優化

■ 楊棟華 唐智禮 / 南京航空航天大學

近年來，隨著環保要求的提升，分布式混合電推進系統逐漸成為航空研究的熱點。高效率、低能耗、低噪聲的優點，使其有望滿足下一代飛行器的動力需求。

分布式推進系統是以適當數目的中型或微型的推進器，代替常規布局中的2個或4個集中安裝或吊掛在機翼的渦扇發動機，以提升推進效率、安全性、穩定性、經濟性及其他飛行性能的系統。分布式混合電推進系統是通過傳統的燃氣渦輪發動機帶動發電機發電，為分布在機翼或機體上的多個電動機提供電力，并由電動機驅動風扇或螺旋槳來提供全部或大部分推力的一種新概念推進系統。

分布式混合電推進系統作為一種航空動力新概念，區別于常規的飛機動力系統及布局，屬于創新動力技術范疇，是飛機總體設計、動力系統和機電系統的集成，也是一個復雜的系統工程，涉及發動機和電動機的設計和制造工藝研究，還涉及飛行器氣動設計、結構設計等。目前開展的研究工作大部分仍停留在概念設計階段，驗證機不多，分布式混合電推進系統的研究和實現，必須要有飛行器和推進系統的設計、制造、試驗等各種相關技術的協同發展。

分布式推進的原理和優點

分布式推進的原理

德國人屈西曼（Kuchemann）曾提出，機翼后緣的噴氣注入機翼尾跡，可以提高推進效率，雖然尾流形狀仍不完美，但是這種布局往往會使整個系統的推進效率最大化。因此，為實現飛行器推進效率的提高，設計人員將發動機噴管安裝于飛機尾部。而將這種填充尾流的方法在飛行器展向分布，即采用分布式的微型發動機，不僅可以提供分布式推力，也使得飛行器整體的推進效率有明顯的提高，這就是分布式推進飛行器的原理。

分布式推進的優點

分布式混合電推進飛行器，相較于傳統布局的飛行器具有如下優勢：大大降低對發動機的性能要求和設計困難；降低飛機噪聲；改善飛行性能和提高安全性；提高推進效率；減輕翼載及機翼質量；提高飛機穩定性和控制能力，減少舵面面積和質量；能大大提高推進系統的安全性和可靠性；實現短距起降；發動機邊界層攝入可以大大增加航程等。針對高效率、低能耗的要求，分布式混合或全電推進系統是更好的選擇。

分布式推進的布局方式及性能分析

分布式推進主要利用邊界層攝取技術和飛發一體化技術等兩種方式進行布局，具體又可細分為噴氣襟翼、橫流風扇、多分立發動機、分布共核多扇發動機、推進式機體等（如圖1所示）。

利用邊界層攝取技術的分布式推進飛行器布局

所謂邊界層攝取就是將機體邊界層吸入發動機，這種做法的目的在于減少尾流中消耗的動能從而提高燃油效率。這種布局與典型的翼吊發動機相比，對于給定的推力，發動機入口氣流需要較低的速度和較低的功率，這也意味著能夠以較小的功率得到相同的推力。典型的飛行器布局方式有風扇推進機體飛行器、共核多扇布局飛行器等。利用機體邊界層流量的攝入可使飛行器功耗降低約20%，在相同航程下減少飛行器燃油的攜帶量。

但是這種布局所需的嵌入式發動機可能會引入一些不足：一是機身和發動機設計變得更加耦合；二是攝取邊界層導致入口處和扇面處的氣流畸變，可能會導致飛機的控制性及發動機的性能下降。氣流畸變產生的壓力梯度會產生二次流，并可能導致邊界層分離；而扇面畸變則可能會產生額外的振動和噪聲。為減輕這些負面影響，可以通過設計S形進氣道和使用主動或被動流動控制以避免氣流分離。

利用飛發一體化技術的分布式推進飛行器布局

過去，機體設計與推進系統設計之間的精密接合能有效處理航空運輸系統設計的強耦合性。推進系統設計和機體設計的脫鉤使得特定飛機的發動機可以互換。因此，大多數商用飛機都可以滿足不同客戶提出由不同發動機制造商提供推進系統的要求。為了利用機體與推進系統組合的附加效率，新型飛機設計中發動機設計的作用正在發生變化。在目前的飛機開發計劃中，發動機制造商更多地參與了詳細的飛機設計過程，動力系統是針對特定的飛機產品研發的。

為了從先進和非常規推進系統設計中獲得最大的效益，從飛機概念設計的第一步開始，緊密結合推進系統設計將是至關重要的。以常規機體(CAF)、兩艙室機體(DBF) 、混合翼體(HWB) 和支撐翼(SBW)等4種基本飛機布局，結合不同推進器布局，可以推導出20種發動機布局（如圖2所示）。

圖1 多分立發動機(A) 、噴氣襟翼(B) 、電動風扇(C)及風扇推進機體(D)

圖2 布局示意圖

分布式推進翼身融合布局飛行器多學科優化

多學科設計優化（MDO）是一個工程學科，其重點是在涉及多個學科或包含多個子系統的系統設計中使用數值優化方法。使用MDO的主要原因是，多學科系統的性能不僅取決于各個學科，還取決于它們之間的相互作用。在設計初期，通過利用先進的計算分析工具研究MDO問題，設計人員可以同時改進設計方案并減少設計的周期和成本。

本文以分布式推進翼身融合（即混合翼體）飛行器為例，對其進行多學科優化設計。分布式翼身融合飛行器是一種特殊的無尾翼飛行器，其機翼、機體、發動機和控制舵實現了高度一體化。翼身融合布局本身具有高升阻比、低燃油和低噪聲的優點。

分布式推進翼身融合飛行器布局研究主要涉及推進系統設計、飛行器結構設計和飛行器氣動設計三個學科。在概念設計及可行性研究階段，研究人員往往將各學科近似計算模型建立得比較簡單，先只考慮該學科具有特征的物理量（如耗油率、飛機起飛總質量、升力、阻力等），結合設計要求得出其他約束條件（如飛行距離、載客人數、推重比等），然后利用開源軟件OpenVSP、升力線理論、渦格法、葉素理論等理論或數值計算工具和研究人員優化策略，構建一個多學科多目標優化的體系結構。

在分布式推進布局可行性研究中，將翼身融合體飛行器的參數化，并結合發動機的參數模型，建立多學科優化模型。應用NSGA-II算法，根據合作對策優化得到Pareto陣面（如圖3、圖4、圖5所示）。

研究中綜合考慮推進系統、氣動、質量等模塊，求解了分布式推進HWB布局飛行器的多學科優化設計問題。優化中以最小起飛總質量、最低耗油率和最大升阻比為目標函數，結合了飛行控制、航程等約束條件。初步優化結果表明分布式推進翼身融合布局飛行器具有明顯地提高推進效率、提高飛行安全性，降低誘導阻力、減小機翼載荷等優點。

圖3 分布式推進布局多學科優化流程

圖4 分布式推進翼身融合布局飛行器優化結果

結束語

分布式推進布局結合混合或全電推進系統有著巨大的應用潛力，如降低噪聲、降低能源消耗、提高推進效率和飛行安全性，還能夠提高飛行效率，并降低對發動機的設計要求。最新的推進系統概念中，動力系統和機體設計之間存在更強的相互耦合。此外，先進的推進系統概念可能會對最佳系統應用和運行條件產生重大影響。為了從設計中獲得最大的效益，從飛機概念設計的第一步開始，緊密結合推進系統設計將是至關重要的。