馮金富，陳國明，張 萌

(1. 空軍工程大學 航空工程學院, 西安 710038;2. 陸軍航空兵軍事代表局駐西安地區(qū)軍事代表室, 西安 710065)

【航天工程】

變體技術在兵器設計上的應用

馮金富1，陳國明1，張 萌2

(1. 空軍工程大學 航空工程學院, 西安 710038;2. 陸軍航空兵軍事代表局駐西安地區(qū)軍事代表室, 西安 710065)

變體技術是將多種性能在同一平臺上實現的最佳途徑，變體飛行器是指在飛行中能夠自主靈活地改變自身外形，獲得最佳作戰(zhàn)效能的飛行器。本文簡要總結了變體飛行器的發(fā)展歷程，然后分析了變體導彈相關技術，最后介紹了水空跨介質航行器及其運用變體技術情況。

變體技術；導彈；作戰(zhàn)效能；跨介質航行器

針對各種性能在布局上存在的差異，變體技術(Morphing Aircraft Technology)是不同布局在同一平臺上實現融合的最佳途徑。變體飛行器是指飛行器在飛行中能夠根據飛行環(huán)境和飛行任務的不同，自主靈活地改變自身外形(包括機身、機翼等)，來改善氣動性能以適應不同的飛行環(huán)境及作戰(zhàn)任務需求的飛行器。北大西洋公約組織(NATO)對變體飛行器有如下定義:通過局部或整體改變飛行器的外形形狀使飛行器能夠實時適應多種任務需求且使飛行器能在多種環(huán)境下保持最優(yōu)性能和效率[2]。

如今，人類對飛行器的活動區(qū)間已經遠遠突破了傳統(tǒng)的空中，逐步向空天一體、空海一體全維度跨介質延伸?？缃橘|變體航行器是指能夠自主適應不同介質環(huán)境(水-空、空-天)，可以多次跨越介質界面并可持續(xù)航行的復用型航行器[3，46]。隨著探測技術的突飛猛進和武器裝備的快速發(fā)展，單介質航行器在信息感知、隱蔽突防、協(xié)同作戰(zhàn)和隱蔽載運等方面的能力正慢慢被削弱[4]，發(fā)展跨介質航行器可以彌補傳統(tǒng)單介質飛行器的短板，借助其靈活的變形，可以靈活地獲取不同介質中敵我態(tài)勢，為決策者提供更豐富的信息和選擇。

1 飛行器變體技術研究現狀

在嚴格的意義上，變體或變形技術在20世紀初的第一代飛機上就有體現，如萊特兄弟的飛機，其機翼材料為布和輕質木料，彈性很大，可以通過控制其變形來調整飛行。到固定翼飛機時代，為改變飛行姿態(tài)，設計了升降舵、副翼、襟翼等能夠通過鉸鏈實現偏轉的操縱面。在追求亞聲速、跨聲速、超聲速飛行性能同時最優(yōu)化理念的驅動下，出現了F-14、圖-160等變后掠翼飛機，雖滿足了戰(zhàn)技性能，卻付出了結構、重量、操縱等方面的巨大代價，受制于所處時代的科技水平，在后續(xù)一段時間里飛機設計中不再有類似的設計。

1979年，美國國家航空航天局(NASA)與波音(Boeing)合作開展任務自適應機翼(Mission Adaptive Wing, MAW)計劃[5-7]，其研究表明根據速度變化改變機翼彎度可以減小阻力，但當時的變形依靠大量鉸接點和作動器實現，機翼重量太大，無法實際應用。1985年，NASA啟動主動柔性機翼(Adaptive Flexible Wing, AFW)計劃[8]，1996年后擴展為主動氣動彈性機翼(Adaptive Aeroelastic Wing, AAW)計劃[9]。試驗結果證實，AAW技術能夠使機翼結構減重10%～20%，并大幅提高飛機的滾轉性能和機動能力[10-11]，但該方案的氣動優(yōu)勢卻被其氣動面產生的阻力所抵消。

1994年美國Lockheed Martin公司開始研究低成本攻擊自主攻擊彈藥系統(tǒng)，主要由J45G渦噴發(fā)動機、可折疊彈翼/尾翼、激光雷達導引頭以及GPS制導系統(tǒng)構成[12]。在發(fā)射前翼面處于折疊狀態(tài)，機翼向后折疊，翼尖部分以及尾翼向下折疊，如圖1所示。該彈藥可以通過多種火箭彈、撒布器等方式發(fā)射。

圖1 低成本攻擊自主攻擊彈藥

2003年以后，美國國防部高級研究計劃局(DARPA)主導的變體飛行器結構(Morphing Aircraft Structure，MAS)計劃[13-14]認為，為適應更大范圍飛行條件需大幅度變化機翼外形，變化的幅度應不小于：展弦比變化200%，機翼面積變化50%，扭轉角變化5°，后掠角變化20%。該計劃旨在發(fā)展一種能夠根據任務變形的多用途無人機，提出了兩種具有較強代表意義的方案，如圖2所示： Lockheed Martin公司的折疊機翼(Folding Wing)[15]和NextGen Aeronautics公司的滑動蒙皮(Sliding Skins)方案[16]。

圖2 兩種最新變體機翼方式

2005年，DARPA委托Lockheed Martin公司開發(fā)鸕鶿(Cormorant)潛射無人機[17]。該公司很快設計出了進行入水沖擊實驗的原型機，如圖3所示。在該原型機中采用了變結構機翼[18]，計劃在美國俄亥俄級核潛艇上使用。鸕鶿無人機由潛艇釋放后，首先在高壓氣體推動下沖出水面，然后在固體火箭推進器的輔助下起飛。完成任務后，鸕鶿無人機先通過減速傘進行減速，然后像鸕鶿一樣扎入水中，在水中處于無動力漂浮狀態(tài)，直到被水下航行器探測并回收。然后再次加注燃料，安裝火箭助推器，等待下一次發(fā)射。

圖3 Lockheed Martin 鸕鶿無人機及執(zhí)行任務過程

2008年，DARPA著手研究如圖4所示的載人“潛水飛機”概念機，用于突襲敵方海岸或其他軍事目標[19]。飛行潛航器整合了多種無人系統(tǒng)的優(yōu)勢，能夠更加高效、可靠的獨立完成偵察、監(jiān)視、警戒等任務。當作為一種獨立的戰(zhàn)斗武器，飛行潛航器擁有良好的水下隱蔽性和空中快速部署的特點，能夠利用水、空介質物理割裂，通過在水、空介質間跳躍飛行/航行，實現遠距離隱蔽偵察、打擊，能夠在反滲透、空中警戒、反潛等作戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用。當作為一種偵察平臺時，飛行潛航器能夠完成像海洋巡邏，潛艇魚雷探測等任務。

圖4 美國潛水飛機及其工作示意圖

2 可變體飛行器技術研究

由以上分析可以知道，變體飛機在不同的飛行環(huán)境下和執(zhí)行不同的飛行任務時可以改變自身外形，以獲得最佳的氣動性能。通常改變機翼形狀是最常見、使用最多的變體模式，下面將分析各種機翼變形技術優(yōu)劣性，并進行評價：

2.1 變后(前)掠技術

可變后掠翼飛行器是一種可以隨不同飛行環(huán)境而改變后掠角的設計，在起飛、著陸和巡航階段時，機翼在小后掠角位置，既能縮短起飛及著陸的距離，同時又能減少油耗增加巡航時問；在加速階段時，機翼在大后掠角位置，減小高速阻力。

可變前掠翼導彈和可變后掠翼導彈如圖5所示。

早在2003年，在DARPA的支持下，雷聲公司承接了一項價值410萬美元的“可變體戰(zhàn)斧巡航導彈(Morphing Tomahawk Cruise Missile)”研究項目[20]，如圖6所示，目標是使導彈具備以3.0Ma速度高速飛抵戰(zhàn)區(qū)，然后降低速度至0.3Ma搜索目標，如果戰(zhàn)況有變，可恢復高速飛向另一個空域執(zhí)行任務。實現彈翼變體能力是該項目的前提，由此導彈才能夠適應更大的速度范圍，在更大的空域和速域內飛行。

圖5 可變前掠翼導彈和可變后掠翼導彈

圖6 可變體戰(zhàn)斧巡航導彈

2.2 變展長技術

大展長的機翼有良好的減阻增程性能和動力效率，但是缺乏機動性，并且適用的巡航速度比較低。相反，小展長的飛機雖然氣動效率差，但是有快速的大機動能力[21]。

2004年，Jae-Sung Bae等人研究了一種與“戰(zhàn)斧”外形類似的可變翼展(Variable-Span Morphing Wing, VSMW)巡航導彈的氣動及氣彈特性[22]，圖7所示為該導彈示意圖，其彈翼為固定翼盒嵌套活動翼段，活動翼段為矩形，可在固定翼盒中受控伸縮，可變范圍為原展長的50%。其研究結果表明，該可變翼展導彈亞聲速飛行時，兩翼翼展對稱增加可有效降低總阻力，從而使射程大幅度提高；若兩翼翼展反對稱變化，則其產生的橫滾力矩遠大于傳統(tǒng)控制面，因此有能力取代后者用于橫滾控制。

圖7 可變翼展巡航導彈示意圖

2.3 傾斜翼變體構型

與可變翼展彈翼研究幾乎同步，美研究人員對傾斜彈翼(Oblique Wing)巡航導彈方案進行了探索[23]。低速時導彈的彈翼與彈身垂直，外形類似巡航導彈；高速時導彈的彈翼旋轉至與彈身平行的位置，外形類似于彈道導彈，可以最大限度減小阻力。

2008年，以色列Moti Karpel，Evgeny Selitrennik等人采用EZNSS CFD軟件對傾斜彈翼布局翼-身組合體在彈翼旋轉變體過程中的氣動特性進行了數值模擬，圖8為傾斜彈翼布局翼-身組合體彈翼表面壓力分布的部分仿真結果[24]。

圖8 傾斜彈翼布局翼-身組合體彈翼表面壓力分布

但圖8中所示傾斜彈翼變體方案存在較大的穩(wěn)定性、可控性難題，在飛行過程中，當斜掠翼處于小斜掠角位置時，彈翼結構會產生共振現象；而處于大斜掠角位置時，由于左右兩側彈翼不對稱，導彈的操縱會出現明顯的滾轉-偏航和滾轉-俯仰耦合現象，這對飛行控制系統(tǒng)提出了極高要求，要真正研發(fā)出一種成熟實用的斜掠翼巡航導彈還有相當長的路要走。

2.4 其他形式變體構型

至2007年，西北工業(yè)大學叢延、徐敏等人基于前后翼聯結思想，提出一種組合變形翼巡航導彈概念[25]，其外形示意圖如圖9所示，完成了氣動外形總體設計和不同頭部、彈身、尾部組合體的氣動特性數值模擬，分析了隱身性能，并綜合考慮氣動、隱身、容積等因素，給出了一種最優(yōu)彈體外形。2008年該校徐聲明、祝小平等人提出了一種相近的設計，稱為箱式發(fā)射無人機[26]，其變體設計示意圖如圖10所示，圖中所示分別為箱式布局、巡航布局、突防布局和滯空布局。翼由前翼和后翼組成，前翼和后翼的翼尖用轉軸連接，可以實現最大180°的旋轉。前翼和后翼的翼根連接在機身腹部的導軌上，可以在導軌上移動和轉動。前翼的后緣能夠張開夾住后翼，后翼安排機翼的操縱面。

上述兩種變體方案都通過聯結翼的前后滑動實現不同任務階段后掠角、前掠角、翼展、展弦比和翼面積的適應性改變，充分發(fā)揮了變體技術在氣動方面的優(yōu)越性。

2011年，南京理工大學許兆慶，吳軍基等人對“鉆石背”彈翼[27-28](Diamond Back Wing)進行了改進，提出了一類巡飛彈扇式折疊翼結構[29](Fan Style Folding Wing)，其示意圖如圖11所示，該彈翼前、中、后翼條結構呈扇骨式分布，通過鉸鏈連接，其氣動性能和彈翼強度、剛度等方面得到一定改善。

圖9 組合變形翼巡航導彈外形示意圖

圖10 箱式發(fā)射無人機變體設計示意圖

圖11 巡飛彈扇式折疊翼示意圖

在應用卷弧翼進行氣動布局設計方面，西北工業(yè)大學郭慶亮等[30]研究了異形卷弧翼相對于彈身的安裝位置角和安裝偏角對組合體縱向超聲速氣動特性的影響。中國科學院力學研究所崔凱，楊國偉等研究了圖12所示的高超聲速弧形翼導彈[31]，發(fā)射前彈翼包裹于彈體上，處于閉合狀態(tài)，其外形示意圖如圖12(a)所示；至設定狀態(tài)時，弧形翼自動張開，成為帶翼導彈，其外形示意圖如圖12(b)所示。

從公開的研究成果看，國內在導彈上應用變體技術的方案設想多為傳統(tǒng)的機械式結構變體，以理論分析和數值模擬研究為主，類似NASA、DARPA等機構[32-34]所進行的風洞試驗很少。從發(fā)展趨勢看，應用新型智能材料、作動器和傳感器的柔性變體技術是未來的發(fā)展方向[35-36]，其優(yōu)點是能夠適應不同的飛行條件，擴展飛行包線，改善操縱特性，減小阻力，增大航程，減少或消除顫振、抖振和渦流干擾等影響[37-38]，但這種技術對于導彈這類彈翼薄、翼載大的平臺的適用性迄今還沒有得到論證。

圖12 一種高超聲速弧形翼導彈外形示意圖

3 變體導彈新發(fā)展——跨介質變體航行器

跨介質航行器是指某一物體多次循環(huán)交替實現在水空介質中的運動，它不同于單次水空介質“穿越”的航行體，不僅具有空中飛行能力，水下潛航能力，而且具有多次自由穿越水空界面的能力。跨介質變體航行器集飛機、水面艦艇、潛艇等多重功能于一身，充分利用三種平臺的優(yōu)點，與只能在單一介質內運動的飛行器和潛航器相比，跨介質變體航行器集空中飛行器和水下潛航器功能于一身，是航空技術與航海技術的大融合，能夠完成水空介質交叉的任務類型。

近幾年，國內學者也積極開展相關研究。廖保全[3]提出了一種通過兩次折疊彈翼改變外形實現水空介質跨越的航行器平臺，兼顧空中突防速度快和水中突防隱蔽性好的特點。在水中航行時，采用類似魚雷的外形，在空中飛行時，采用類似反艦巡航導彈的外形。這種折疊方式減小了彈翼折疊過程中機體重心的變化，降低了出水控制難度，如圖13所示。張佳強[39-40]探索研究了一類潛-飛兩棲新概念導彈，并提出了一種基于共形半環(huán)翼布局的潛-飛兩棲導彈方案，如圖14所示。

圖13 兩次折疊彈翼改變外形跨越航行器

圖14 共形半環(huán)翼布局的潛-飛兩棲導彈方案

跨介質變體航行器不僅具有空中飛行能力和水下航行能力，而且具有反復跨越水空界面的能力能夠突破傳統(tǒng)飛行器(UAV)或潛航器(AUV)使用環(huán)境限制，能夠勝任空中、水下交叉介質的任務類型，在軍事或民用領域具有廣闊的應用前景

4 結論

傳感器技術、材料科學、計算機科學和控制科學等領域取得的進步，在軍事需求的牽引下，飛行器的發(fā)展向空中作戰(zhàn)、自主飛行、空水跨越領域發(fā)展。應用變體技術解決了不同性能飛行器的布局差異，使得飛行器能夠在不同的飛行環(huán)境和飛行任務下自主改變自身外形，獲得最佳的作戰(zhàn)效能。

變體飛行器研究是包含多項關鍵技術的系統(tǒng)工程，涉及空氣動力學、動力學建模控制、智能材料技術、傳感器和驅動器設計等學科領域。我國在這一領域已經取得了較大的成果，但研制出具有工程實用價值的智能變體飛行器，還要克服許多困難和挑戰(zhàn)。

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ApplicationofMorphingTechnologyinAircraft

FENG Jinfu1， CHEN Guoming1， ZHANG Meng2

(1.Aeronautics and Astronautics Engineering College, Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China; 2.Military Representative Office of the Army Air Corps in Xi ’an Area, Xi ’an 710065, China)

Under the traction of military demand and advanced science and technology, the idea, technology and method of the aircraft design have also undergone revolutionary changes. Conventional fixed-wing aircraft often have several good performance, but unable to meet the needs of different flight environments and missions. Morphing technology is the best way to achieve multiple performance on the same platform. A morphing aircraft can flexibly change its profile and get the best combat effectiveness in flight. In this paper, the development process of morphing aircraft is briefly summarized, and then the related technology of morphing missile is analyzed. Finally, the research progress of water and space transshipment vehicle is introduced.

morphing technology; missile; effectiveness; trans-media vehicle

2017-08-10；

2017-09-09

國家自然科學基金項目(51779263)

馮金富(1964—),男,教授,博士生導師,主要從事跨介質航行器研究。

陳國明(1994—)，男，碩士研究生，主要從事跨介質航行器研究。

10.11809/scbgxb2017.12.048

本文引用格式：馮金富，陳國明，張萌.變體技術在兵器設計上的應用[J].兵器裝備工程學報，2017(12):215-220.

formatFENG Jinfu， CHEN Guoming， ZHANG Meng.Application of Morphing Technology in Aircraft[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):215-220.

TJ02

A

2096-2304(2017)12-0215-06

(責任編輯楊繼森)