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达索系统近日携最新3D体验平台及相关航空航天应用参展第九届中国国际航空航天博览会,与业内人士分享了其虚拟现实立体交互漫游系统、面向虚拟试飞的完整研发流程以及实时协同审核的最新解决方案和成功案例,引发了业界的广泛关注和强烈反响。
达索系统是全球飞机设计和尖端解决方案的先驱者,在航空航天领域有着丰富的行业经验和前瞻的技术优势。全球前20家最大的飞机制造商和主要代工厂都采用达索系统的解决方案,而所有重要的航空工业的新研发项目,也都应用了达索系统的技术。在国内,达索系统的解决方案被中航集团各研究所以及国内一些大型的航空航天企业普遍采用。此外,达索系统还参与了中国首架具有完全自主知识产权的新支线飞机ARJ21和国产大型客机C919等国内重要航空项目的研发和设计。
2012年是达索系统开创新纪元的重要一年,了具有行业里程碑意义的3D体验战略——全新的3D体验平台。此次航展,达索系统亮相了基于3D体验平台的最新航空航天解决方案(包括CATIA, ENOVIA, SIMULIA, DELMIA and 3DVIA),这一解决方案更强调体验,让不仅仅能在产品交付前使用户进行体验,且将用户体验始终贯穿整个研发过程。新解决方案在单一的数据库上建构了所有的角色,从设计开始到总体、审核、工艺、检验、测量,到工厂、工人甚至到维护,都基于同一个系统。同时,达索系统还展示了面向虚拟试飞的完整研发流程和数字化设计环境下的实时协同审核方案,以及航母战斗群与战斗机虚拟现实立体交互漫游系统,该系统采用源自德国的工业级红外跟踪系统ART SmartTrack,可跟踪操作者视角,通过6自由度手柄进行全方位导航,方便易用。
关键词:空气动力学 流体控制 航空航天 发展方向
中图分类号:V211 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)06(a)-0000-00
空气动力学是研究物体同气体作相对运动情况下的受力特性、气体流动规律和伴随发生的物理化学变化,在流体力学基础上,随着航空工业和喷气推进技术的发展而成长起来的一个学科。空气动力学的发展对于航空航天飞行器的研制有着极为重要的意义,是航空航天最重要的科学技术基础之一,对国家安全、经济发展、社会和谐都有着重要和用。在过去一段时间里,由于航空工业的相对成熟,关于航空领的研究更多的集中于如何通过改进制造过程降低成本,而不再将主要力量投入新技术的研究,但随着国际形势的日益严峻、信息化程度的提高以及航空运输对安全性经济性的要求,航空技术研究面临着更多更新的挑战,使得全球重新提高了对航空技术研究的关注程度。作为航空航天技术的重要基础学科之一的空气动力学,也面临着全新的机遇和挑战。
1 空气动力学研究意义和研究现状
1.1 空气动力学研究意义
人们最早对空气动力学的研究可以追溯到人类对鸟或弹丸在飞行时的受力和力的作用方式的种种猜测,但真正形成独立学科是在20世纪航空事业的迅速发展之后,是在经典流体力学中发展并形成的新的分支,并且迅速成为发展航空航天各类飞行器的重要基础科学和关键技术,推动整个人类航空航天事业的发展,成为航空航天事业发展的基础。如今,空气动力学已经不再仅只是应用于航空航天领域,还被应用于环境保护、公路交通、铁路交通、冶金、建筑、体育等众多领域,对整个人类社会的发展与进步都有着极为深远的影响。
1.2 空气动力学研究现状
在20世纪90年代,随着航空工业的迅速发展,使得航空工业整体技术程度相对于其它行业都成熟许多,基于此种原因,在较长一段时间里学界多认为航空工业已经走向成熟,尤其是空气动力技术基础技术方面,因此航空工业的研究将更多的集中于成本费用的降低,而减少了对应用技术的研究重视程度,使得空气动力学的研究相对缓慢。进入21世纪以后,随着计算机技术、通信技术、飞机设计技术等的发展,人们重新重视起了空气力学的研究,使得空气动力学得到了较好的发展。如以Euler及Navier.Stokes方程为主要数学模型的整机及部件绕流流场和气动特性计算研究领域,在我国即得到了极大的发展,并被应用于很多重点型号的研制中;再如飞机多外挂气动干扰特性研究、现代歼击机大攻角过失速气动持性研究等,都取得了极大的进展,在计算空气动力学领域也取得了突出的成绩,很多研究成果处于国际先进水平。
2 空气动力学研究所面临的挑战
传统的认为空气动力学研究已经足以满足航空航天需求的认识很明显是错误的,随着飞机一体化设计技术、微型飞行器、行星探测飞行器的发展,必然向空气动力学的研究提出新的挑战。
3 先进飞机器研制需求所带来的挑战
随着航空交通事业的不断发展,以及出于国家安全等方面的需要,对先进飞行器的研制需求不断提高。如高机动性作战飞机、可重复使用高超音速飞行器、大型民航机、大型运输机、地效飞行器、微型飞行器、智能飞行器、无人侦察机、战略战术导弹、应用卫星、概念武器等,都对空气动力学的研究提出了更多的挑战性课题,需要空气动力学从复杂流场预测、喷流干扰、气动隐身、微流体力学、气动防热、高超音速边界湍流、低雷诺数流动力学、地面效应等多个方面进行更深入的研究,而所有这些研究,都涉及高度非定常、线性,包括复杂的物理化学变化效应的影响,难度极大。
例如,大容量运输机的研发,首先需要解决大容量运输机高燃油效率、低噪声、常规跑道起飞着陆能力的需要。在这里,虽然高燃油效率可以通过混合层流控制技术(HLFC)、发展新型发动机、采用高效的气动设计方面来进行满足,但这些技术要应用到大型飞机、高Re数情况却还存在很多缺陷和不足。再如低噪声的研究也是大型飞机所必须关注的问题,必须充分将声学研究向气动研究结合在一起进行。同时,还必须考虑增升阻力、尾涡效应、发动机喷流和外流干扰效应等。
3.1 自适应流动控制需要所带来的挑战
传统空气动力学对绕复杂物体的流动,多集采用涡发生器、吸气、吹气、肋条等技术进行模拟研究,但这种研究主要集中于流动的被动控制,随着近年来电子技术、软感技术、材料技术等的发展,传统的集中于被动控制的研究存在许多不足,必须对宏观流动和微观流动的主运控制进行更深入的研究,这对飞行器的未来发展有着极为重要的意义。只有提高自适应流动控制研究水平,才能提高自适应流动控制技术,为飞机结构设计提供更为全面的飞行控制函数,以有效减轻飞机重量和飞行能力。
自适应流动控制的研究主要包括减阻流动控制、边界层分离流动控制、高升力流动控制三个方面。具有感知能力的自适应流控制技术对于去不稳定性扰动源的影响极为重要,是未来飞行器发展所需要解决的一项关键性技术,对于简化吸气装置和相关系统都有着极为重要的意义。边界层流分离流动控制技术则驻地改善飞机气动性能有着重要意义,需要进一步研究射流、湍流、目标流场、近壁面压力分布等方面的关系。高升力流动控制技术对行器增升装置的研发有着重要意义,需要进一步研究如何在不降低飞机性能的情况下减少飞机重量提高飞机增升能力。
这项收购的对象,是一家鲜为人知的美国无人机制造商——泰坦航空航天公司,最终的成交价格可能只有6000万美元左右,不及Whatsapp收购价的零头。
但如果考虑到它未来可能带来的价值,这起收购的意义,并不会比收购Whatsapp逊色太多。
能飞5年的无人机
泰坦航空航天是一家非常年轻的公司,成立于2012年,总部位于美国新墨西哥州,专注于研发太阳能无人机。
在2013年的国际无人操控载具展览(AUVSI)上,泰坦航空航天展示了正在研发的两款太阳能无人机Solara 50和Solara 60。
这是两架硕大无比的长航概念无人机,其中的Solara50是轻型版本,有着50米的超长翼展,升级版Solara 60则有60米的翼展和更大的骨架,它们由飞机弹射器发射升空并可以通过飞机底部的滑轮着陆。
泰坦航空航天更倾向于把他们的产品称为“大气卫星”,而不是行业内习惯的称呼“遥控无人机”或“无人机系统”。因为它们和轨道卫星一样,能够在空中长时间巡航停留。
以Solara 50为例:升空之后,它可以在20千米的高空携带一个32千克重的有效载荷,以每小时96公里的速度巡航飞行长达5年。
之所以可以不受天气和夜晚的影响不间断地工作如此长时间,是因为Solara无人机的机翼表面、升降机组和水平尾翼上,布满了总共约3000个高效率太阳能电池板。
白天飞行时,由太阳能电池板所产生的多余能量会自动存储在位于两侧机翼内的锂离子电池中,这样就可以保证为无人机夜间的续航飞行提供足够的动力。
这种超强的续航工作能力,正是泰坦航空航天认为无人机几乎可以替代大气卫星等设备,实现低成本气象监测的主要原因。
低成本多用途
目前,气象监测只有两种解决方案:发射卫星和地面监测,如果要完成大气观测和天气监测,通讯转播,海洋研究和地球成像等一些更高级的任务,发射气象卫星就成了唯一选择。
不过发射气象卫星通常要耗资数亿美元,而且无法回收利用,一旦卫星搭载的大气传感器或者仪表损坏,要么付出高昂维修成本去维修,要么只能选择遗弃它。
相比而言,无人机的成本就低得多,一套无人机系统的总成本不到200万美元,而且和卫星不同,即使是仪器设备损坏,还能让它降落,维修或更换设备后重新发射升空。
事实上,Solara无人机成本构成中最主要的部分,并不在于制造无人机,而是电池。理论上只要有足够的太阳能驱动,泰坦无人机就能够长时间地工作下去,但太阳能电池会随着时间推移逐渐老化,因此每隔5年左右就必须更换。
为了论证这个数据,在新墨西哥州,泰坦航空航天公司正用两架1/5原机大小的试验机进行试飞,今年夏季,全尺寸的机型将有可能正式上天,执行气象监测任务。
除了气象监测,泰坦航空航天公司给这两架无人机的使用定位非常广泛,Solara无人机还可以执行宇宙辐射监测、垃圾带跟踪、作物监测、海洋与大气温度监控、陨石跟踪和浮油映射等任务,另外在针对森林火灾和海上搜救等救灾方面,无人机也可以提供辅助。
比如监测森林火情,Solara无人机可以应用于森林火灾预警、火灾地点确定以及火情观测等,并且解决了传统无人机监测系统中无人机续航时间短的问题。
“太空无线路由器”梦想
如此广阔的应用前景让泰坦航空航天获得了不少战略投资者的关注,即使两年来Solara 50和Solara 60一直处在原型设计阶段,连正式的试飞和信号覆盖测试都没有进行过,泰坦航空航天还是获得了三笔融资。
不过,也正是因为无人机科研成本太高、硬件研发周期太长,一些早期投资者开始质疑这个项目的发展前景。资金紧缺之下,泰坦航空航天萌生出售想法。2014年初,Solara50完成了原型机测试,硬件设计工作结束并开始正式建造后,Facebook抛来了橄榄枝。
在外界看来,Facebook有意收购泰坦航空航天,除了Solara无人机未来的诸多应用前景之外,还有一个更迫切的想法,就是为了推进其2014年年初发起的全球互联计划,希望为全球无网络连接地区建立网络热点,提供免费上网服务。
泰坦航空航天的Solara无人机正好可以满足这个计划的硬件需求,在无人机上搭载超视距通讯系统所需的无线电中继器后,无人机就变成了一个置于空中的、信号覆盖范围极广的“无线路由器”。
因为Solara无人机的航空高度足够高,它的信号传播范围最大可达 100 海里(约 185千米),所以利用无人机在全球无网络连接地区实现组网后,它将会成为Facebook获取数十亿潜在用户的重要网络硬件接口。
如此看来,这台“太空无线路由器”的价值远远超过6000万美元。
关键词:飞行器设计与工程;专业课程;通识课程;航空概论
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2016)47-0144-03
一、航空类专业课程体系简介
在教育部本科专业目录中,航空航天类专业有飞行器设计与工程、飞行器动力工程、飞行器制造工程、飞行器质量与可靠性、飞行器环境与生命保障工程、飞行器适航技术和航空航天工程等7个。目前,郑州航空工业管理学院开设了前3个专业,均归属于航空工程学院。以飞行器设计与工程为例,在第1学期设置了“飞行器设计与工程专业导论”课程(16学时)、第2学期设置了“航空航天技术基础”专业必修课(32学时)作为专业学习的前导课。第1―5学期,学校设置了“高等数学”、“大学物理”、“理论力学”和“材料力学”等公共基础课和学科基础课;第4―7学期则按照飞机设计的各个子学科,设置了“通用航空技术”、“空气动力学”、“飞行器总体设计”、“无人机系统导论”、“飞行器专业英语阅读”和“飞行器专业技术讲座”等专业课程。
从课程设置上可以看出,“飞行器设计与工程专业导论”和“航空航天技术基础”课程主要培养学生对专业基本情况和学科领域的整体性把握,属于专业通识性课程。而在专业课中渗透通识意识,对教师也提出了更高的要求[1,2]。经过这两门课程的前期引领和必要的数理、力学知识的学习之后,学生再按照飞机种类和飞机设计各分支学科的特点进行专业课学习。可以说,“航空航天技术基础”的各个章节基本上对应了后续专业课的主要范围,具有非常重要的地位。
在教学实践中,我们也发现,激波、升力、机翼结构、飞机稳定性和操纵性等概念尽管在“航空航天技术基础”课程中已讲授,但在相应的专业课学习中,学生仍觉吃力。调查发现,原因主要有两点:第一,专业课程数学公式较多,而数学、物理等公共基础课的学习效果一般,有畏难心理;第二,不知所学知识的应用情况,知其然而不知其所以然。针对航空类专业的课程体系,探索研究专业通识课程与后续专业课程的联系,对于增强学生学习积极性、提高人才培养质量具有重要意义。
二、“航空概论”通识类课程的建设情况
航空概论是学校面向非航空专业学生开设的一门通识课程(24学时),内容主要包括航空航天基本概念、航空发展概况及未来发展趋势、我国航空工业、空气动力学基础、飞行原理、航空发动机等[3],考核方式为期末半开半闭考试。此外,针对国际本科学术互认课程(International Scholarly Exchange Curriculum Undergraduate,ISEC)项目的双语版航空概论(32学时),内容较普通版更为丰富,更强调课堂参与和团队协作,考核方式为平时作业、表现和期末设计报告。
航空概论被列入学校的特色课程组合中,除航空专业外,其余专业的学生均须从特色课程组合中选修一门。学校每年的本科生招生人数近7000人,日常教学任务较为饱满,考虑到学校招生专业包括财经类、管理类和艺术类等,学生数理基础参差不齐,在讲授时一般避免进行复杂公式的推导,多采用类比法和案例法讲解。
此外,学校的人才培养目标和发展定位与传统的三所航空重点高校(北京航空航天大学、西北工业大学和南京航空航天大学)以及其他高职高专类院校存在明显区别,市场上已有的航空概论教材并不能完全满足我们的教学需求。经过多年的建设,学校主编并出版了《航空概论》教材,并将“航空概论”课作为学校慕课平台课程体系的第一批建设项目立项,通过网上课堂与实际课堂相结合的形式,探索“翻转课堂”教学理念在航空类通识课程中的应用效果。现在,此项工作正在稳步开展中。
三、航空类专业课程与“航空概论”课程贯通建设
为了尽可能利用现有资源,我们对航空类专业课程和“航空概论”课程进行了统筹处理,并尝试进行贯通建设,主要包括如下措施。
1.教具的开发和使用。“飞行器设计与工程专业导论”开设于第1学期,是飞行器设计与工程专业学生的一门必修课,其中理论课为8个学时,主要介绍专业课程特点、发展现况和就业方向;实践课为8个学时,要求学生以小组形式设计制作飞机模型,主要培养学生对飞机的认识以及团队协作能力。“专业综合性设计与制作”开设于第7学期,为专业必修实践类课程,为期两周,要求学生按照总体设计指标完成飞机的总体概念设计,制作出模型。
电力:国网招标中标企业
以技术立身,以实力拓疆,通光线缆在电线电缆业务领域拥有绝对的竞争优势和市场占有率。公司是电线电缆行业标准的制定者之一,在业内拥有举足轻重的影响力和话语权,并拥有36项专利,领先国内。主打产品OPGW(光纤复合架空地线)为国家电网招标产品,市场占有率近三年均排名第二,曾成功运用于国家电网和南方电网的超、特高压工程示范线路。现阶段,公司传统电力特种光缆销量稳定增长,新开发的光纤复合低压电缆已成功中标,正式进入销售阶段。
作为业内的龙头企业,通光线缆针对中国复杂的自然地形和新材料环保需求,专门研发了一系列节能、大芯数、大截面、大跨越、耐覆冰、大容量电力特种光缆和导线,获得了很高的市场美誉度,被国家电网和南方电网两大电力巨头青睐,无疑将成为电网建设和改造的宠儿,成长潜力巨大。
耐高温电缆产品未来可期
在航空航天用耐高温电缆领域,通光线缆起步早,发展快,后劲足,前景广。公司是航空航天用耐高温电缆军方产品的五家国内供应商之一,也是国内最早从事节能型导线生产的企业之一,仅用8年时间,就完成了从新进入企业向国内大型电网运营企业、军工企业主要特种线缆供应商的转变。
目前,国内仅5家企业参与航空航天用耐高温电缆军品的供应,通光线缆无论在规模、技术实力还是市场占有率都位居前列。公司是国内首批参与“PI/PTFE复合薄膜绝缘线的应用”国家项目开发的企业和国防军工装备用特种线缆的供应商,产品已替代国外同类产品被批量使用,作为电子设备的内部配线和外部接线被广泛应用机、火箭、卫星等。对手少、空间大、实力强,通光线缆在耐高温电缆产品领域未来可期。
通信:高频电缆发展雨后春笋
自进入通信用高频电缆市场以来,通光线缆一直致力于从事高端通信用高频电缆的研究和开发,目前已拥有半硬、半柔、柔软三大系列成熟产品。公司率先攻关中国技术要求最高端的电缆――高稳相性能的射频电缆技术,目前已取得很大成果。由于该类产品对于电缆材料和生产设备以及工艺都有严格和特殊的要求,目前我国全部依赖进口,且进口仍受到美国等发达国家的限制。通光线缆产品成功投产无疑将大大提升民族品牌的技术独立性,给外资企业形成强有力的冲击。
根据行业协会光电线缆分会的资料,通光线缆连续三年保持销售量、销售额领先,市场占有率进入全国前三名。
募投项目达产后年净利润破亿