如何快速进行航空发动机等系统建模与性能仿真
1、概述
发动机是飞行器的心脏，其性能对飞行器的发展有着至关重要的影响。传统的发动机设计主要通过各种部件性能试验和地面台架试车、高空模拟试验、飞行试验等整机试验来预测其性能，研制周期较长。随着飞行器研制速度加快，传统设计模式已不能满足快速设计验证的要求。自上世纪80中后期，欧美航空行业开始推行数字化研发体系，分别推出npss和vivace计划，旨在通过建立航空发动机协同开发平台，来减少发动机的研发周期和成本。proosis是2007年结束的vivace计划的重要成果之一。它是一款面向对象的飞行器动力系统性能仿真软件，具有完善的动力系统零部件模型库，可用于各类航空发动机系统的建模仿真分析。
发动机是飞行器的心脏，其性能对飞行器的发展有着至关重要的影响。传统的发动机设计主要通过各种部件性能试验和地面台架试车、高空模拟试验、飞行试验等整机试验来预测其性能，研制周期较长。随着飞行器研制速度加快，传统设计模式已不能满足快速设计验证的要求。自上世纪80中后期，欧美航空行业开始推行数字化研发体系，分别推出npss和vivace计划，旨在通过建立航空发动机协同开发平台，来减少发动机的研发周期和成本。proosis是2007年结束的vivace计划的重要成果之一。它是一款面向对象的飞行器动力系统性能仿真软件，具有完善的动力系统零部件模型库，可用于各类航空发动机系统的建模仿真分析。
2、proosis特点
1）丰富、开放并支持自定义的多学科模型库，包含多个领域的组件库，各组件的源代码完全开放，用户不仅可以修改这些代码，也可以自定义特殊组件；因此，用户既可以应用软件自带的组件构建发动机系统，也可以通过继承或重新定义的方式创建特殊的组件来构建发动机系统。
2）完美的多学科耦合分析，可以在同一个模型中综合分析控制、机械、电气、液压等耦合状况；从而使得用户可以将发动机的热力循环过程、控制系统、燃油和冷却系统的液力过程、电气系统等综合在同一个模型中进行综合分析，并能够将发动机模型嵌入到飞控模型中分析其性能对整个飞机的影响。
3）无需因果逻辑的面向对象编程语言el，各变量之间不是赋值格式的关系，而是函数关系，模型的通用性、复用性都更好；模型可以实现信息隐藏、封装、单重继承或多重继承等；因此，同一个发动机模型，可以根据已知参数的不同，进行不同的分析。
4）与外部程序的连接方便，可调用fortran、c、c++等，也可自动生成可复用的dll和c++程序，还可导出供matlab、simulink直接使用，通过与excel的接口还可以由表格驱动模型的运行，系统模型可以脱离proosis的环境运行。
5）可以用于发动机的设计点、非设计点计算、参数及敏感性分析、优化设计，稳态和瞬态分析都适用；
3、典型案例
雅典理工大学基于proosis开发环境搭建新型的对转式齿轮传动涡扇发动机（gtcrc）模型，并与传统的齿轮传动涡扇发动机（gtf）性能进行对比分析。具体内容如下：
首先，通过实验设备测试对转式转子特性，实验设备及测试结果如下图所示。
实验设备
测试结果
通过处理得到对转式压气机及涡轮的map图，并在传统压气机及涡轮的基础上二次开发形成对转式压气机及涡轮组件，如下图所示。
对转式压气机及涡轮模型
其次，基于tuobo库中的压气机、涡轮、风扇、燃烧室、轴、齿轮箱等部件及新开发的对转式压气机及涡轮模型，搭建对转式齿轮传动涡扇发动机（gtcrc）及传统的齿轮传动涡扇发动机（gtf）模型，具体如下图所示。
对转式齿轮传动涡扇发动机及传统的齿轮传动涡扇发动机模型
再次，分析爬升（top of climb）、巡航（cruise）及下降（take-off）过程中，两发动机性能特性。
爬升（top of climb）、巡航（cruise）及下降飞行参数如下表所示。
|
parameter |
gtf & gtcrc |
||
|
condition |
t/o |
toc |
cr |
|
altitude (m) |
0 |
10668 |
10668 |
|
mach number |
0.25 |
0.78 |
0.78 |
|
δt isa (k) |
15 |
10 |
0 |
两发动机性能比较结果如下图所示。
最后，分析得出如下结论。
• 与传统的齿轮传动涡扇发动机相比，在相同发动机重量及阻力的情况下，对转式齿轮传动涡扇发动机在整个飞机飞行任务中油耗降低0.59%；
• 与传统的齿轮传动涡扇发动机相比，在相同推力的情况下，对转式齿轮传动涡扇发动机，重量减少10%。假设该推力下，传统的齿轮传动涡扇发动机净重2吨，两个对转式齿轮传动涡扇发动机重量将减少400kg，将会带来0.52%的油耗减低，油耗总计将降低1.1%
• 油耗敏感度分析结果如下图所示。
• 与传统的齿轮传动涡扇发动机相比，在相同发动机重量及阻力的情况下，对转式齿轮传动涡扇发动机在整个飞机飞行任务中油耗降低0.59%；
• 与传统的齿轮传动涡扇发动机相比，在相同推力的情况下，对转式齿轮传动涡扇发动机，重量减少10%。假设该推力下，传统的齿轮传动涡扇发动机净重2吨，两个对转式齿轮传动涡扇发动机重量将减少400kg，将会带来0.52%的油耗减低，油耗总计将降低1.1%
• 油耗敏感度分析结果如下图所示。
4、总结
proosis专业的发动机设计分析的软件，广泛用于发动机等系统建模与性能仿真。proosis的turbo模型库由欧洲航天领域的各大工业公司、研究中心和大学(雅典、cranfield和斯图加特大学)的共同开发和验证，符合前沿的国际标准并具备广泛的模型适用性。
另外，proosis模型库源代码开放，客户可灵活进行二次开发，对新型的发动机性能进行预测。
目前，proosis是欧洲商业公司开发新型发动机的标准工具，并被国际主流的发动机公司作为其发动机性能分析的优质工具，如英国罗-罗，美国ge、普惠，德国mtu，法国snecma等发动机公司。