C919总设计师吴光辉:我们特别看重气动力设计,这涉及到飞机的“四性”

来源:观察者网

2022-09-18 07:23

吴光辉

吴光辉作者

中国工程院院士,中国商飞首席科学家,C919总设计师

【导读】 9月15日上午10时,首届“世界设计之都大会”于上海开幕,在诸多的设计展览中,C919飞机是引人关注的最大亮点之一。 作为中国“智造”的新名片,C919飞机美观的外形和新颖的概念设计让它包揽了二十多项相关专利,斩获各类工业设计头奖。 会上,中国工程院院士、中国商用飞机有限责任公司首席科学家、C919 大型客机系列型总设计师吴光辉就C919研发、试飞发表讲话。

吴光辉:

首先,感谢会议邀请我来汇报一下大飞机的情况,也祝贺2022世界设计制度大会的召开。

我们知道大飞机(C919大型客机)是举全国之力,聚全球之智而来的。我们在全球都有供应商,在国内很多城市都有我们的生产制造商,但是所有的设计全部集中在上海。借这个机会,我把设计的成果向大家做一个简单的展示。

8月1日,中国商飞完成了C919全部的取证前试飞任务,今年C919很快就要取得民航的适航证,而且要交付给首家用户东航使用。

中国商飞于2008年在上海成立,在这十几年间中国商飞总共研制了三款产品,分别是ARJ21、C919,以及正在进行中的宽体客机CR929。在这个过程中,我们得到了国家机关、工信部、民航局还有上海市政府的大力支持和指导,他们对我们的关心和关爱,使我们取得今天的初步成就。

中国商飞的使命是让中国的大飞机翱翔蓝天。这个使命同时也是国家发展大型客机的主体,是民用飞机产业的载体。中国商飞的目标是研发世界级的产品,塑造世界级的品牌,建设世界级的企业,形成世界级的能力。

目前,这三款产品中,ARJ21是90座的支线飞机,目前累计交付75架,累计订单616架,连通11个城市、开辟263条航线,安全运营逾16.5万小时,运送旅客超过530万人次。

C919也在2017年5月5日完成了首飞,今年要取得适航证,交付给东方航空。CR929是原计划与俄罗斯合作进行研制的一款跨洋的宽体客机,目前我们正在进行总体技术方案和供应商的选择。

飞机设计是一个整体需求,设计的第一个阶段是外形设计。刚才余(承东)总说,外形要经得起仔细看,在我看来,一个飞机的好坏,很重要的因素是协调,从外表看,协调的一定是好看的,一定是美的。

所以我们特别看重气动力的设计,这涉及到飞机的“四性”,安全性、舒适性、经济性和环保性。

在传统的气动力设计中,通常是通过风洞试验和计算,现在,大量用到仿真。在C919的研制中,有关气动力的设计体现在,我们前后设计了20000多个翼型,2000多个机翼,最后选出7个,通过低速和高速的两轮风洞试验(最终选定)。同时,我们是上海超算中心的主要用户之一,进行了大量的CFD计算,这样,设计就要花很长时间。计算中涉及大量的矩阵和计算,哪怕是在超算中心,算一个方程可能也需要几天甚至一周,所以传统的设计方法已经很难满足我们未来飞机的发展需要。

我们因此引入了人工智能,因为飞机研制中会遇到高雷诺数、跨声速和复杂性等问题。比如今天上海有台风,在台风天飞机是停航的,但是如果在飞行过程中遇到了这样的问题该怎么办?飞机在结冰天不能飞,但是在飞行中遇到了结冰呢?还有大侧风场景。所以尽管在一些场合飞机不能飞,我们还是要确保一旦遇到这些问题,飞机是安全的,所以在设计中都考虑了这些场景。

那么解决这些场景问题的方法,除了求解方程这类的数字计算、风洞试验,还有大量的地面试验和试飞。从2017年开始到2022年之间,我们对C919进行了优化,再从2019年到2020年间进行了大量适航取证的试飞活动。

由于有这么大的设计工作量,我们引入了新的方法——人工智能,我们与华为进行合作,通过在应用场景收集大数据,再使用AI的方法反馈结果。整体来看,通过引入AI,得到(与传统方法)相当的计算结果,用时仅需传统超级计算机的1/20到1/30。

视频介绍:在新科技革命和产业变革的今天,航空科技作为发展最为迅速的领域之一,正迎来前所未有的机遇。

飞机的气动外形设计是飞机设计最基础最核心的技术之一,决定了飞机的安全性、经济性与环保性。机翼作为飞机的重要组成部分,其外形设计直接影响着飞机的气动性能与飞行品质。流体仿真是飞机气动设计的重要手段之一,传统数值仿真计算需要求解Navier-Stokes 方程离散成的大规模代数方程组,耗时长成本高。

C919空气动力学的模拟仿真需要借助千万亿次级的传统超算,中国商飞充分发挥民用飞机项目研制优势,联合华为基于昇腾AI基础软硬件平台,打造工业级流体仿真大模型,东方.御风,通过高维非线性湍流流程数据编码及预处理创新技术,提取特征数据导入东方御风大模型训练,依托昇思MindSpore流体仿真套件,实现飞机攻角、马赫数、翼形几何流场变化的泛化推理。

在精度满足要求的同时,大型客机在巡航速度段的超临界翼型全流程预测平均误差低是万分之一量级,单次仿真耗时缩短24倍,大大缩短研发周期,东方御风,昇腾万里,开辟AI工业流体仿真新篇章,为大飞机插上智能的翅膀。

对未来的展望是,中国商飞希望通过智能设计,在上海进行更多的气动力、结构和系统集成等方面的设计。到目前为止,我们在制造中已经采用了很多的人工智能,包括使用8k的相机进行外形的自动检测,虚拟现实的装配技术。我们是世界上第一个5G工业园区,在机架里是完全没有任何人工操作的。

在未来的飞行里,我们还会大量使用设计技术和智能技术,并且还会充分使用北斗、5G技术、4D技术等。

展望未来世界,城市地面交通可能有eVTOL(电动垂直起降飞机)、高铁、智能汽车等等交通工具,靠人工是很难指挥地面交通的,所以我们只有依托于AI来进行完整的、完全的设计,使城市更添彩。

据了解,上海于2010年加入联合国教科文组织“创意城市网络”,定名为“设计之都”。本次以大会举办为契机,加快推进上海“设计之都”建设,实现“以会聚人、以会促产、以会兴业”。全面推进设计赋能产业创新发展、打造活力城市空间,优化城市公共服务、点亮民众美好生活,聚力共铸城市品牌。促进工业设计、建筑设计、时尚设计、数字设计、服务设计协同发展,构建市场活跃、行业跨界、国际合作广泛的设计创新生态圈,立体构筑上海“设计之都”品牌体系。

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责任编辑:王濛
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