问题描述

我国分别在2008年和2016年组建了中国商用飞机有限责任公司（简称“中国商飞”）和中国航空发动机集团（简称“中国航发”），并先后开始全面实施国家重大科技专项“大飞机”项目和“航空发动机和燃气轮机” 项目（简称“两机专项”）。我国民机和航空发动机产业的发展完全遵循国际航空产业发展规律：中国商飞聚焦于民用客机研制，国航发开展相应的涡扇发动机研制，飞机与发动机独立研制，相互匹配与安装是通过飞机与发动机一体化设计和集成而实现的。飞发一体化集成涉及到飞机/发动机/短舱三个主要系统，其中发动机和包覆发动机的短舱一起构成飞机的推进系统。通常短舱是由独立于飞机和发动机制造商的第三方专业化公司研制的。

多年来，民用客机对短舱系统性能与功能的要求不断提高，其推进系统的短舱已经发展为独立于发动机和飞机制造商的高度专门化航空技术领域。目前，世界仅有美国Goodrich、MRA与欧洲Nexcelle等几家专业化公司生产短舱，而我国涡扇飞机短舱产品全部依赖进口。中国商飞研制的ARJ和C919等客机的短舱均由上述供应商提供。由于我国民用航空产业发展基础差、起步晚，使得我国与世界先进水平差距较大。我国落后的民机产业也极大地制约了短舱系统的技术发展，导致我国没有短舱系统专门化生产或科研机构。近年来，我国航空产业在“大飞机”项目与“两机专项”的牵引与驱动下，发展突飞猛进，初步形成了相关领域的产业布局，并形成产学研联合发展的趋势。然而，我国推进系统短舱设计能力严重不足的现状仍然没有得到改善，其已成为潜在制约我国航空产业发展的主要风险因素之一。短舱研制技术已被科技日报等主流媒体列为制约我国工业发展的35项“卡脖子”技术之一。由于短舱在航空领域的重要性，其已经成为我国航空产业亟待解决的“卡脖子”问题。所以，我国亟需启动新一代航空推进系统短舱设计体系及关键技术研究。

世界仅有美国Goodrich、MRA与欧洲Nexcelle等几家专业化公司生产短舱，而我国涡扇飞机短舱产品全部依赖进口。中国商飞研制的ARJ和C919等客机的短舱均由上述供应商提供。我国落后的民机产业也极大地制约了短舱系统的技术发展，导致我国没有短舱系统专门化生产或科研机构。我国推进系统短舱设计能力严重不足的现状已成为潜在制约我国航空产业发展的主要风险因素之一。

短舱研制技术已被科技日报等主流媒体列为制约我国工业发展的35项“卡脖子”技术之一。由于短舱在航空领域的重要性，其已经成为我国航空产业亟待解决的“卡脖子”问题。所以，我国亟需启动新一代航空推进系统短舱设计体系及关键技术研究。

问题背景

短舱的主要功能是包覆发动机，减少飞行阻力，降低噪声，并保障发动机被异物撞击后的飞行安全性。短舱还具有防除冰/灭火/排液等特定功能，以保障发动机在各种飞行条件下不受干扰正常工作。所以，短舱系统对提高飞行效率和保障飞行安全至关重要。短舱研制涉及到复杂系统有限空间内材料、气动、结构、电气控制系统多学科集成和优化，短舱研制团队应掌握推进系统基础关键技术，并构建多学科系统集成与优化设计体系，才能有效地开展航空推进系统短舱的研制工作，解决制约我国航空推进系统发展的短舱-这一重大产业与技术问题。

最新进展（截止问题发布年度）

鉴于国内航空发动机产业基础薄弱，特别是涡扇发动机自主研制的型号较少，在短舱领域没有技术突破或创新的相关报道。而近年来，国外在短舱领域的研制中又有了较大进步，特别是在：层流气动设计、复合材料取代金属材料、一体化成型取代多块拼接、电力防除冰和防火以及多学科优化等领域进步显著。本项目拟解决我国航空推进系统短舱研制这一重大产业与技术问题，主要分两步实现这一目标。首先针对航空推进系统短舱研制的需求，致力于多学科系统集成与优化设计体系的研究。短舱系统研发包含结构设计/气动综合优化/电气系统集成等多个技术领域，学科相互融合交叉性强。本项目拟重点解决以下3个方面的核心关键技术问题：

1. 短舱结构多学科协同结构设计方法

（1）构建短舱结构、重量、功能多维度交叉设计流程，建立飞发一体化的短舱结构、气动、电气系统的多学科协同结构设计方案；

（2）构建高精度三维数字化仿真计算模型，开发复杂短舱结构真实尺寸三维可视化虚拟仿真设计流程；

（3）以短舱复材结构轻量化和高损伤容限为优化设计目标，建立新型复合材料蜂窝结构多功能一体化设计方案，并开发关键制备技术和工艺。

2. 短舱系统气动及噪声优化设计方法研究

（1）提出层流降噪短舱外形综合设计方法，解决复杂结构约束下优化设计问题；

（2）开展叶栅式反推装置反推气流与机翼、机身耦合机理及流动控制规律研究，开发高效叶栅式反推装置的一体化设计方法；

（3）开展风扇叶片/导向器/声衬一体化降噪数值模拟及风洞试验研究，探究声衬降噪的气动声学传播机理，提出进气道降噪声衬布局优化设计方法。

3. 多变量电气系统集成方法研究

（1）探究机械结构、流体场、温度场对短舱内部传感器精度和电气控制系统可靠性的影响机理，并提出综合考虑多种限制因素的电气系统集成设计方法；

（2）确立短舱电气控制系统多变量输入输出关系，开展高可靠性和鲁棒性最优控制系统方法研究；

（3）研究短舱电气系统电磁干扰抑制方法，开展不同机械结构、气动外形对系统电磁干扰的影响研究。

在解决以上关键核心问题的基础上，利用所开发的理论方法和计算与优化流程，开展针对性的工程短舱设计工作。结合项目发起人在海外从事航空发动机短舱工程的经验积累，针对国内急需的中小型涡扇推进系统，开展短舱系统的设计优化和验证工作，逐步掌握独立设与开发新一代航空推进系统短舱的全面研制能力。

重要意义

根据中国商飞发布的《2019-2038年民用飞机市场预测》，未来二十年，我国预计将交付客机9205架，价值约1.4万亿美元。推进系统占民航客机总价值1/4，短舱是推进系统的核心部件，其成本占推进系统的1/4左右，相应的短舱市场价值约875亿美元。此外，各类军用涡扇飞机也同样需要短舱。所以，我国航空推进系统短舱市场价值高，潜力大。

目前，我国没有专门研制完整短舱系统的机构或企业，但初步具备了民机反推系统以外的零部件研制能力。我国相关高校及科研机构开展了较多的短舱气动外形和降噪设计基础方法的研究，并取得了一定的成果。此外，我国在复合材料领域进行了大量的研究工作，已经基本掌握了航空复合材料结构的分析方法和制备工艺。在原材料制备和成型方法等领域也取得了较大进步，并具有较完善的复材结构件生产及检测设备。在航空复合材料研制领域，中航复材、商飞复材中心、江苏恒神等科研机构和企业已经发挥了重要作用，并积累了宝贵的经验。我国已初步掌握了短舱部件研制的技术基础、设计流程、实验验证和加工制造方法。此外，本项目已组建了以航空领域海外高层次人才为核心的研究团队。因此，我国基本具备开展该重大研究项目的相关基础和研究条件。

本项目瞄准我国“卡脖子”技术的战略需求，在“需求牵引、突破瓶颈”的思想指导下，开展短舱系统多学科集成优化设计体系与方法研究，并在此基础上结合项目提出者个人在海外从事短舱设计工作的经验，开展中小型涡扇发动机的短舱系统验证机的研制工作。此外，拟获取的研究成果不仅在航空发动机短舱的研制中具有至关重要的作用，而且可推广用于其它涉及到复杂系统多学科系统集成与优化的航空工程技术领域。本项目将为国产化短舱系统的研制奠定坚实的技术基础，对国家航空产业发展具有重要的战略意义。