引言

    “變體”飛機(jī)是指能夠在飛行中改變氣動(dòng)外形，如機(jī)翼面積、展弦比和后掠角等，使飛機(jī)在不同飛行狀態(tài)下性能保持最佳的飛行器。與常規(guī)固定布局飛機(jī)相比，變體飛機(jī)的飛行包線更寬，作戰(zhàn)效能更高，它能夠根據(jù)飛行環(huán)境、飛行剖面以及作戰(zhàn)任務(wù)等需要，自主地改變氣動(dòng)構(gòu)型，優(yōu)化其飛行性能。目前，國(guó)外的一些研究機(jī)構(gòu)正致力于變體飛機(jī)的研究，并已取得一定進(jìn)展。如NASA蘭利研究中心當(dāng)前正致力于智能材料及新型作動(dòng)器的研究。美國(guó)五角大樓國(guó)防預(yù)研計(jì)劃局和空軍研究實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)實(shí)施了“變形飛行器結(jié)構(gòu)”(MAS)計(jì)劃。在此項(xiàng)目中，承包商洛克希德·馬丁公司和新一代航空技術(shù)公司分別提出了“折疊機(jī)翼”方案和“滑動(dòng)蒙皮”變形機(jī)翼方案，并取得了一定進(jìn)展。與此同時(shí)，國(guó)外多所大學(xué)也研究了不同形式的變體飛機(jī)，對(duì)機(jī)翼變形結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)途徑、設(shè)計(jì)方法、氣動(dòng)彈性及飛行動(dòng)力學(xué)與控制等關(guān)鍵技術(shù)做了大量理論分析。

    由于變體飛機(jī)需根據(jù)不同飛行狀態(tài)改變構(gòu)型以適應(yīng)任務(wù)要求，因此它的設(shè)計(jì)面臨諸多復(fù)雜問(wèn)題。要設(shè)計(jì)出在全飛行包線內(nèi)均具有優(yōu)良飛行性能和品質(zhì)的變體飛機(jī)，需要在各種關(guān)鍵技術(shù)上取得新的突破。本文針對(duì)當(dāng)前提出的幾種不同形式變體飛機(jī)，分析了涉及的各學(xué)科關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)變體飛機(jī)的設(shè)計(jì)具有一定參考價(jià)值。

1 主要變形方式

    機(jī)翼是飛機(jī)改變構(gòu)型的主要部件。變體飛機(jī)變形的方式主要是改變機(jī)翼的形狀，其中又以改變機(jī)翼的展長(zhǎng)和面積效果最為明顯。機(jī)翼面積的改變可以通過(guò)折疊、伸縮機(jī)翼或者滑動(dòng)蒙皮等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)圖1。機(jī)翼的折疊及伸縮主要通過(guò)新型的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，需采用新型的智能材料來(lái)保證機(jī)翼折疊后的完整性。滑動(dòng)蒙皮機(jī)翼方案是通過(guò)新型的智能結(jié)構(gòu)，使蒙皮變形以達(dá)到改變機(jī)翼面積的目的，其機(jī)翼蒙皮需采用智能材料。通過(guò)機(jī)翼的變形和輔助舵面的偏轉(zhuǎn)，可以改變機(jī)翼平面形狀和翼型的幾何參數(shù)，從而適應(yīng)飛行條件的變化。

圖1 變體飛機(jī)機(jī)翼的主要變形方式

    變體飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)以多個(gè)不同飛行任務(wù)的性能指標(biāo)最優(yōu)作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，其設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到多個(gè)學(xué)科。其關(guān)鍵技術(shù)包括:總體設(shè)計(jì)、氣動(dòng)設(shè)計(jì)、智能材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可控性設(shè)計(jì)與飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

2 總體及氣動(dòng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)

    變體飛機(jī)可兼顧起降、巡航、機(jī)動(dòng)等多任務(wù)需求，其在總體設(shè)計(jì)上的思想和方法與常規(guī)飛機(jī)有所不同。變體飛機(jī)的總體設(shè)計(jì)必須考慮多學(xué)科交叉綜合，通過(guò)總體及氣動(dòng)協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計(jì)以保證其在不同飛行條件下均具有較好的氣動(dòng)性能。

    機(jī)翼的幾何形狀是影響飛機(jī)氣動(dòng)性能的主要因素。大展弦比飛機(jī)在亞聲速下具有較大的最大升阻比(Kmax)，在超聲速時(shí)小展弦比飛機(jī)Kmax較大。變體飛機(jī)可以改變展弦比的大小，從而在亞聲速和超聲速飛行時(shí)都具有較大的Kmax，以提高不同飛行速度下的氣動(dòng)性能，如圖2所示。

圖2 不同氣動(dòng)布局下的最大升阻比

    飛機(jī)在一個(gè)完整的飛行任務(wù)剖面中，對(duì)于不同的飛行階段有著不同的飛行性能指標(biāo)。如在待機(jī)時(shí)，要求飛機(jī)的航時(shí)最大，而在迅速完成轟炸任務(wù)時(shí)，要求飛機(jī)以最大的飛行速度快速飛行等。為了保證變體飛機(jī)整個(gè)飛行剖面的優(yōu)良性能，在初始總體設(shè)計(jì)上，需要考慮機(jī)翼變形對(duì)氣動(dòng)特性的改變。對(duì)于變體飛機(jī)，不同飛行狀態(tài)下機(jī)翼平面形狀和翼型之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題需要在氣動(dòng)設(shè)計(jì)上予以解決。如何設(shè)計(jì)變體飛機(jī)的氣動(dòng)構(gòu)型，使得飛機(jī)在不同任務(wù)和飛行條件下采用不同構(gòu)型時(shí)都具有較好的氣動(dòng)特性是變體飛機(jī)總體設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。因此，在進(jìn)行變體飛機(jī)的總體參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，要從全局出發(fā)，根據(jù)不同任務(wù)的需求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，協(xié)調(diào)各個(gè)方面的需求，折中確定飛機(jī)的總體構(gòu)型參數(shù)，最終形成一個(gè)完整的設(shè)計(jì)方案。研究表明，通過(guò)總體優(yōu)化設(shè)計(jì)后的變體飛機(jī)，相對(duì)固定構(gòu)型飛機(jī)，其在相同的飛行任務(wù)下起飛重量更大且空重更小，飛行性能明顯提高。

    發(fā)動(dòng)機(jī)推力特性如何與變體飛機(jī)不同構(gòu)型的阻力特性相適配也是總體設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素。變體飛機(jī)需要在不同的飛行狀態(tài)下執(zhí)行不同的任務(wù)，因此，目前針對(duì)某特殊飛行任務(wù)來(lái)設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的方法需要改變。對(duì)于變體飛機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)須在低速和高速下都具有較好的性能，因而需要進(jìn)氣道、尾噴口等部件能夠改變形狀以滿足不同的推力要求，以匹配不同構(gòu)型的阻力變化。

    變體飛機(jī)不僅在不同靜態(tài)構(gòu)型下氣動(dòng)性能有很大的改變，在機(jī)翼變形的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，其氣動(dòng)力變化也比較復(fù)雜，變體動(dòng)態(tài)過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生非定常氣動(dòng)力。在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中測(cè)定機(jī)翼變形動(dòng)態(tài)過(guò)程的氣動(dòng)力時(shí)，飛機(jī)模型的加工是一個(gè)難點(diǎn)，如何通過(guò)支撐及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使飛機(jī)的機(jī)翼形狀按要求動(dòng)態(tài)改變，并且使支撐部件對(duì)氣動(dòng)力的干擾較小，也是需要解決的問(wèn)題。若通過(guò)CFD計(jì)算動(dòng)態(tài)過(guò)程的非定常氣動(dòng)力，隨著機(jī)翼形狀的改變所建立的計(jì)算模型很多參數(shù)(如邊界條件等)需要改變，從而使計(jì)算更為復(fù)雜。機(jī)翼變形的整個(gè)過(guò)程實(shí)際上是從靜止先加速，然后勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，最后減速的過(guò)程。因此，機(jī)翼加減速階段的轉(zhuǎn)動(dòng)加速度和勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度會(huì)影響機(jī)翼的氣動(dòng)力，如果變體過(guò)程中機(jī)翼的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率太大，機(jī)翼上就有可能產(chǎn)生不期望的非定常流動(dòng)。

3 智能機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    變體飛機(jī)的機(jī)翼需要在不同飛行狀態(tài)下均具有優(yōu)良的性能，因此，其機(jī)翼結(jié)構(gòu)應(yīng)具有自適應(yīng)性。機(jī)翼的蒙皮材料和結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)技術(shù)是變體飛機(jī)設(shè)計(jì)的最大難點(diǎn)之一。

    變體飛機(jī)機(jī)翼比常規(guī)飛機(jī)機(jī)翼有更多的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和部件，變體后可能會(huì)破壞機(jī)翼結(jié)構(gòu)的完整性。當(dāng)機(jī)翼的形狀變化后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和蒙皮必須有足夠的承載能力。另外，變體飛機(jī)在變形過(guò)程中應(yīng)盡量保證機(jī)翼表面的連續(xù)，并且使機(jī)翼的連接處光滑且間隙很小，以避免產(chǎn)生不期望的氣動(dòng)力。

    基于這些復(fù)雜的因素，變體飛機(jī)要能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)翼的自主變形，所用的機(jī)翼變體機(jī)構(gòu)必須采用智能材料和新型智能驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，以便在結(jié)構(gòu)重量增加不大的情況下最大限度地提高變體給飛機(jī)帶來(lái)的性能收益。

    在智能材料與驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)方面，壓電材料、電致收縮材料、磁致收縮材料、形狀記憶合金、生物仿生材料、導(dǎo)電高分子材料、磁流變體和電流變體材料均可作為變體飛機(jī)的蒙皮及驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)材料。由于壓電材料既可以作為傳感器，又可以作為作動(dòng)器，因此在變體飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。

4 可控性設(shè)計(jì)

    變體飛機(jī)構(gòu)型改變時(shí)，如何保證其飛行的可控性也是一個(gè)需要解決的重要問(wèn)題。通過(guò)對(duì)機(jī)翼變形前后的靜態(tài)構(gòu)型和變體動(dòng)態(tài)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性研究，可為飛行控制設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

    首先，必須科學(xué)地設(shè)計(jì)變體飛機(jī)的新型操縱舵面，使其能夠產(chǎn)生滿足飛機(jī)可控性需求的三軸力矩。由于舵面位于能夠變形的機(jī)翼上，當(dāng)機(jī)翼形狀改變后，某些舵面的操縱效率及操縱功能可能會(huì)受到限制甚至改變。以無(wú)尾折疊翼變體飛機(jī)為例，當(dāng)機(jī)翼展開(kāi)時(shí)，內(nèi)段機(jī)翼上的舵面可用于縱向操縱，功能相當(dāng)于升降舵，如圖3(a)；而機(jī)翼折疊一定角度后，該舵面的偏轉(zhuǎn)會(huì)逐漸產(chǎn)生偏航力矩，當(dāng)機(jī)翼折疊角度達(dá)90°時(shí)，此時(shí)該舵面的功能相當(dāng)于方向舵，如圖3(b)；若機(jī)翼完全折疊使內(nèi)段機(jī)翼與機(jī)身貼合時(shí)，內(nèi)段機(jī)翼上舵面的偏轉(zhuǎn)會(huì)受到限制，甚至不可操縱，如圖3(c)。可見(jiàn)，變體飛機(jī)在不同構(gòu)型下其可操縱的舵面數(shù)量和功能可能不同，因而其舵面設(shè)計(jì)必須滿足機(jī)翼變形前后所有構(gòu)型的可控性要求。

圖3 機(jī)翼折疊時(shí)內(nèi)段機(jī)翼上操縱舵面的變化

    在機(jī)翼形狀動(dòng)態(tài)改變的過(guò)程中，建立變體飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)模型時(shí)，可將飛機(jī)整體視為由機(jī)身以及機(jī)翼活動(dòng)部分多個(gè)剛體組成的系統(tǒng)(如圖4)。變體飛機(jī)機(jī)翼形狀的改變使得飛機(jī)的重心位置及作用在其上的氣動(dòng)力大小和方向均發(fā)生變化，由此可能導(dǎo)致各軸向力和力矩的不平衡。因此在分析機(jī)翼變形過(guò)程中飛機(jī)的動(dòng)態(tài)特性與仿真研究時(shí)，要涉及到飛機(jī)氣動(dòng)力變化以及多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的建模問(wèn)題。

圖4 變體飛機(jī)多體系統(tǒng)描述

    變體過(guò)程中機(jī)翼的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率會(huì)對(duì)飛機(jī)的氣動(dòng)力產(chǎn)生影響。根據(jù)飛行任務(wù)和飛行條件的要求，如何確定機(jī)翼變形頻率的大小，使變體速度既滿足任務(wù)需求，又對(duì)飛行產(chǎn)生的不利影響最小，也是一個(gè)需要考慮的問(wèn)題。

    變體飛機(jī)氣動(dòng)布局的改變使其穩(wěn)定特性受到影響。飛機(jī)氣動(dòng)外形改變后，其重心位置及氣動(dòng)特性隨之改變，如圖5。變體后飛機(jī)各軸向的穩(wěn)定性會(huì)發(fā)生改變。對(duì)于縱向來(lái)說(shuō)，需要考慮變體后飛機(jī)氣動(dòng)焦點(diǎn)和重心的適配以保證飛機(jī)具有良好的穩(wěn)定性和操縱性。若變體飛機(jī)變體前后的各軸向操穩(wěn)特性較差，則需要通過(guò)飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)保證飛機(jī)具有良好的飛行品質(zhì)。

圖5 變體前后重心與焦點(diǎn)的匹配

5 飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    變體飛機(jī)所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)性能與飛行條件和氣動(dòng)外形參數(shù)有關(guān)。在不同的飛行狀態(tài)下，這些參數(shù)可能在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化，給變體飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。

    變體飛機(jī)通過(guò)變形改變氣動(dòng)構(gòu)型后，不同的飛行狀態(tài)和飛行任務(wù)下飛機(jī)的操縱舵面的數(shù)量和功能會(huì)發(fā)生變化，因此，在設(shè)計(jì)變體飛機(jī)的控制律時(shí)，需要研究多功能操縱面的管理問(wèn)題。

    對(duì)于變體飛機(jī)這種參數(shù)幅度變化大的被控對(duì)象，需要設(shè)計(jì)適合于變體飛機(jī)的控制系統(tǒng)才能使其在不同飛行條件及構(gòu)型條件下的飛行品質(zhì)得到改善。變體飛機(jī)的飛控系統(tǒng)必須能夠保證其所有靜態(tài)構(gòu)型及氣動(dòng)構(gòu)型動(dòng)態(tài)變化過(guò)程下的穩(wěn)定飛行。例如，為了使飛機(jī)在機(jī)翼變形過(guò)程中飛行姿態(tài)保持不變，需要飛行控制系統(tǒng)能夠根據(jù)氣動(dòng)力及舵面的變化來(lái)完成飛機(jī)飛行姿態(tài)的控制任務(wù)。因此，變體飛機(jī)構(gòu)型、操縱舵面數(shù)量及功能變化時(shí)，飛行控制系統(tǒng)應(yīng)能自適應(yīng)重構(gòu)，以完成不同飛行任務(wù)的控制要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

    變體飛機(jī)由于需要改變氣動(dòng)外形適應(yīng)多任務(wù)飛行要求，其涉及的關(guān)鍵技術(shù)比常規(guī)飛機(jī)更復(fù)雜，在總體設(shè)計(jì)、氣動(dòng)設(shè)計(jì)、智能機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及飛行品質(zhì)分析與控制設(shè)計(jì)等方面都與常規(guī)飛機(jī)有很大區(qū)別。要設(shè)計(jì)出在全飛行包線內(nèi)均具有優(yōu)良飛行性能和飛行品質(zhì)的變體飛機(jī)，需要在以上關(guān)鍵技術(shù)方面取得新的突破。目前國(guó)外對(duì)變體飛機(jī)的研究已經(jīng)有一定進(jìn)展，但距離真正實(shí)用還有一定距離，還有很多關(guān)鍵技術(shù)尚待解決。

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本文標(biāo)題：變體飛機(jī)設(shè)計(jì)的主要關(guān)鍵技術(shù)

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