飞机的燃油高效设计

Martins设计的新型大展弦比机翼，其翼展要远远大过现在所使用的飞机（图片由Joaquim Martins提供）。

即使对飞机燃油效率进行很小的改进，也会对经济和环境产生很大影响。现在我们使用飞机的每乘客英里耗油量比20世纪50年代的第一架喷气式飞机要节约80%左右。这有力见证了航空工程对飞机的巨大影响。更高的燃油效率大大扩展了人们飞行及货运的最远距离。

尽管燃油燃烧效率不断改进，但是由于空中交通流量翻倍，全球温室气体排放仍将在未来二十年增加。为了应对这些不断增长的排放，密歇根大学(UM)的研究人员使用德克萨斯先进计算中心（Texas Advanced Computing Center，TACC）的Stampede超级计算机，来实现喷气式飞机的新型机翼设计，该研究由UM的航空航天工程师Joaquim Martins负责，他是多学科设计优化实验室（Multidisciplinary Design Optimization Laboratory）的负责人。

“交通是我们经济的支柱。在燃油燃烧上的任何差异，即使是很小的百分比，也会给全世界带来很大的变化，”Martins说，“我们有一个双重目标：使航空运输更经济，并且同时减少它对环境的影响。”

借助德克萨斯先进计算中心的超级计算机，以及美国国家航空航天局和密歇根大学的计算系统，Martins改进的机翼设计成功减少了燃油燃烧，并改进了设计工具，以帮助航空业制造更高效的飞机。

“我们正在缩小学术研究和行业实践之间的差距。”他说。

超级计算机

由美国国家科学基金会(NSF)支持的Stampede是目前全球范围内第17快的超级计算机。TACC德克萨斯先进计算中心将在2017年年底首次推出Stampede 2，计算能力将是一代的两倍。

新型的机翼设计

在2017年1月美国航空航天学会(AIAA)召开的科技论坛上，Martins及其合作者Timothy Brooks(密歇根大学)和Graeme Kennedy（佐治亚理工学院），描述了他们是如何用新型复合材料和新兴的设计方法来优化机翼的设计。这种由复合材料制成的机翼设计，或者是变体机翼设计，可以提高燃油效率高达10%。

现在复合材料在飞机中的使用非常普遍，但通常都是用一种相对简单的方式来应用。新的自动纤维铺放机可以让复合材料呈现出复杂的曲线，这样就能创建我们所说的丝束转向（tow-steered）复合材料机翼。

“这开辟了新的设计空间，但是设计师对此还没有习惯，”马丁说，“这是一个挑战，因为没有很多关于如何发挥这种技术的全部潜力的直观认识。我们开发的算法可以优化牵引角度。”

相比传统的复合材料设计，丝束转向复合材料可以将飞机的机体重量减少10%，同时燃油消耗减少0.4%。美国国家航空航天局正在阿姆斯特朗飞行研究中心（Armstrong Flight Research Center）建造一个丝束转向翼盒原型。

另一个研究领域是变体机翼，它可以改变形状以优化性能，例如飞行速度、高度或飞机重量。

Martins 、David Burdette和Gaetan Kenway提出的变体机翼设计可以比当前设计燃烧更少的燃油（约2%）。Martins还在航空航天科技出版工程（Encyclopedia of Aerospace Engineering）上发表了一章，名为“通过变体机翼减少燃油燃烧”，描述了这一领域的潜在设计思路和优化方法。

他写道：“新材料和变形机制的研究将使得变形系统更轻、更节能、更经济。迟早我们将会看到现在看起来不可能实现的飞机机翼的变形能力。”

第三个领域涉及了新型大展弦比机翼，其翼展要远远大过现在所使用的飞机。

Martins曾经在2014年的第15届AIAA/ISSMO多学科分析和优化研讨会上提出了该设计。波音公司已经采用了这种模型，他们将建造原型并在美国国家航空航天局兰利研究中心（Langley Research Center）的跨声速动力学风洞进行测试。

多学科设计优化

使用计算机模型来设计飞机并不是新鲜事，但之前的研究要么用低保真模型，要么将自己局限在一个单一的领域——机翼的空气动力学或结构完整性。这些研究被工程师反复审视，让飞机设计比它们所取代的具有更高的燃油效率，但是还不足够优化。

Martins开发的一种丝束转向设计（图片由Joaquim Martins、Timothy Brooks (UM)和Graeme Kennedy提供）。

Martins的多学科设计优化方法将许多因素和高保真模型组合成一个耦合计算的优化问题。这将会比单研究方法实现更大的改进，但它需要用大规模并行超级计算机来运行复杂的设计变量计算。

Martins说：“我们的问题需要数百甚至成千上万个处理器，每次仿真约需几分钟，优化在8到48小时内。”

他运行这些计算几百次，以获得最佳的解决方案，并测试了新设计在可能的飞行条件下的完整性。

“计算流体力学和计算结构力学要求非常严苛，”Martins说，“为了解决我们的问题，需要一台像Stampede这样的超级计算机。”

波音公司和美国航天局正在测试基于Martins提出的机翼优化设计的原型，但他的研究造成的影响超出了任何一种设计。他的算法提供了一种将设计中的复杂因素与一个单一的计算过程结合在一起的方法。目前，他正在与巴西航空工业公司（Embraer）一起合作，来评价这种已经在生产中使用的算法。他还与庞巴迪、波音和空客一起讨论这种算法的实用性。

波音公司研究和技术中心的研究员Frode Engelsen说：“机翼设计是航空制造工业非常关键的一个部分，它能实现最佳性能和可负担得起的设计。Martins教授通过在机翼设计中同时使用高保真气动和结构模型，成功构建出一种多学科设计的优化框架。”

最终，若想将Martins算法在工业中得到成功应用，还将需要额外的因素，例如使用更多的飞行条件来保证飞机安全和制造成本，从而能够以经济的方式制造燃油高效型飞机。

“想像一下，如果只需花数百美元就可以飞遍美国，这是多么令人难以置信，”Martins说，“机票价格在过去几十年间大大下降，使得人们可以在感恩节去看望自己的家人。这正是归功于燃油效率更高的飞机。”