宋磊SONG Lei

副教授

副教授  博士生导师   硕士生导师 

电子邮箱:

入职时间:2017-11-20

所在单位:航空科学与工程学院

学历:博士研究生

办公地点:学院路校区新主楼D510

在职信息:在职

主要任职:飞机系本科教学副主任; 航空创新实践基地主任; 北航航模队指导教师

其他任职:《航空知识》《问天少年》青年编委; 中国航空教育学会航空科普分会副主任委员

科研情况

飞行器气动设计

    1. 气动分析软件开发    

     

           VLM513软件是基于涡格法进行飞机气动和操稳分析的一套软件,基于Matlab完成开发,全部代码开源发布于此。主要开发工作在本人博士期间完成,目前保持不定期更新。本软件在开发的初期借鉴了Tomas Melin的Tornado,但经过多年的不断开发完善,目前代码90%以上与原始的Tornado不同。相对于Tornado改进主要包括:

           ① 提升了计算速度。通过改进数据结构提高了求解多个状态时的计算速度;

           ② 输入接口更加方便使用。可以通过文本文件定义和CATIA导入两种方式输入计算目标;

           ③ 数值稳定性提升。更改了计算某些靠近涡线点处下洗时的处理逻辑,使软件数值稳定性更高,另外对计算舵面偏转时的气动力方法也进行了修改,使得气动力从舵面中立到某一偏角过程中保持连续变化;

           ④ 提升了一些情况下的计算精度。将涡格布置在中弧面而不是弦平面,使得处理使用大弯度翼型时计算精度提升。求解时加入了涡格侧缘涡的分析,使得当飞机存在侧滑时气动力计算精度显著提高;

           ⑤ 增加了操稳分析功能。可以计算稳定性导数和操纵导数,并联合输入文件内的惯量信息进行纵向/横航向模态特性分析;

          本软件可用于空气动力学课程学习以及飞行器方案设计和优化,软件主要界面为英文,为方便使用学习,代码中关键部分都有中文注释。任何算法都有其适用范围和局限性,使用者需要根据自己的知识对软件的计算结果正确性进行分析。开发者不对软件使用造成的任何影响承担责任。软件下载见“开源软件”。


           学习提示:

           涡格法是基于线化位势流方程求解的一种气动算法,因为位势流中不包含粘性,因此无法进行粘性造成所有影响的分析,比如摩擦阻力、流动的分离现象等等。由于诱导阻力是由下洗影响下的升力方向偏折产生,因此可以通过涡格法进行求解。VLM中零升阻力的求解来自于Raymer著作《Aircraft Design: A Conceptual Approach》中介绍的当量蒙皮法,是一种工程近似方法。


     


     

          



    求解精度验证算例(参照NASA TM 4640数据进行验证)

           


    相关论文发表情况

    [1] 宋磊, 杨华, 解静峰, 等. 基于改进涡格法的飞翼布局飞机稳定性导数计算[J]. 南京航空航天大学学报, 2014, 46(3): 457-462.

    [2] 宋磊. 飞翼布局飞机 总体方案设计优化研究[D]. 北京: 北京航空航天大学, 2017.


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    2. 飞机翼型的参数化表达方法


          在飞机的设计过程中,气动优化是一项贯穿概念设计以及详细设计的任务,而翼型的参数化设计则是完成气动优化的基础,其一方面决定了设计优化搜索范围对真实设计空间的覆盖程度,另一方面还对优化问题在数学层面的非线性、连续性具有重要影响。用更少的参数尽可能更加准确地对翼型曲线进行数学表达是翼型参数化方法的一项重要目标。

          课题组该项研究中提出了一种基于几何特征的翼型参数化方法(Improved Geometric Parameter Airfoil Parameterization Method,后文缩写为IGP),该方法通过对翼型弯度分布和厚度分布进行分别描述,仅通过8个变量实现了对翼型的参数化描述(与其他几种参数化方法对比见Table 2.1)。该种方法中使用的各项变量十分容易与空气动力学研究中的一般翼型描述方法建立联系,因此在使用过程中更容易由气动设计经验对翼型优化过程进行指导和分析。另外,由于本方法将翼型的弯度和厚度进行了解耦的描述,便于其在基于位势流理论(比如涡格法)进行气动求解优化的过程中进行使用。在此情况下,气动优化可仅针对弯度曲线进行,因为根据薄翼理论机翼小迎角下的升力特性主要由弯度决定。为了验证这一方法的正确性,课题组使用Profili数据库中的翼型进行了拟合,拟合精度相当不错,具体可参考本段后面链接的公开发表论文。


    Table 2.1  Comparison of each method's number of parameters.

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    相关论文发表情况

    [1] Xiaoqiang L, Jun H, Lei S, et al. An improved geometric parameter airfoil parameterization method[J]. Aerospace Science and Technology, 2018, 78: 241-247.

多学科设计优化
缩比飞行试验
飞行模拟与仿真

    1. 飞机设计教学用飞行模拟器

     

            团队共同开发完成沙河校区“飞行器数字化协同创新中心”飞机设计教学用飞行模拟器,包括一台运输机模拟器和两台战斗机模拟器。全部模拟器均采用MATLAB/Simlink驱动底层架构,完成气动、飞行动力学解算相关内容开发。视景软件基于当今流行的模拟飞行软件二次开发,实现了与Simulink的数据双向通信。仪表采用快速编程工具进行开发,以便于学生根据课程学习和科研需求自行进行修改。

            硬件方面运输机模拟器视景采用多屏显示器方案以兼顾实现大视角与高分辨率显示需求,驾驶舱布局参考当今主流电传操纵系统客机,大部分面板采用触屏控制方案模拟各种开关效果,同时亦便于根据需求进行驾驶舱界面的快速修改。战斗机模拟器采用混合现实头盔以实现虚拟外景与模拟舱内实景的融合显示,驾驶舱布局参考基于大型触摸显示面板的当今主流4代机布局。两型模拟器均采用了可以进行编程的主动杆力控制系统,可以很方便地进行杆力编程,实现随速度的杆力梯度调整及自动推杆器、自动抖杆器等效果。

            该模拟器目前已在位于沙河校区学生8公寓B119“新一代全数字化飞行器科教协同创新中心”中投入使用。


    宣传视频: https://www.bilibili.com/video/BV1wv4y1c7Qx?vd_source=3fcdf4bf6fffaedc929c6acd88f03a75