王玉浩，胡婕，張健

航空工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)110035

變體飛機(jī)是指能夠在飛行過(guò)程中改變氣動(dòng)外形，如機(jī)翼面積、展弦比或后掠角等，使在不同飛行狀態(tài)下性能保持最佳的飛行器[1-2]。本文研究對(duì)象為較大尺寸變形飛機(jī)平臺(tái)總體參數(shù)設(shè)計(jì)流程，實(shí)現(xiàn)單一平臺(tái)融合不同布局優(yōu)勢(shì)，獲得速度、機(jī)動(dòng)、生存力等平衡發(fā)展，以具備傳統(tǒng)飛機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)或者無(wú)法同等性能實(shí)現(xiàn)的能力。

對(duì)于一個(gè)完整作戰(zhàn)任務(wù)，不同任務(wù)階段對(duì)作戰(zhàn)飛機(jī)的飛行、機(jī)性及隱身性能等提出不同能力需求。如巡航階段，追求高隱身能力，降低被發(fā)現(xiàn)概率，高巡航效率，提高航程航時(shí)；突防階段，追求高隱身能力與飛行速度，以快速抵近接敵，先敵發(fā)現(xiàn)與攻擊，提升作戰(zhàn)能力；空戰(zhàn)階段，兼顧隱身能力、追求大過(guò)載、加減速、快速轉(zhuǎn)彎等機(jī)動(dòng)能力。飛機(jī)布局形式是影響飛行、機(jī)動(dòng)、隱身性能的主要因素。大展弦比在亞聲速最大升阻比較大，小展弦比在超聲速最大升阻比較大；簡(jiǎn)潔氣動(dòng)布局（如類無(wú)尾布局）隱身性能好，但往往機(jī)動(dòng)能力受限。變體飛機(jī)面向任務(wù)需求，采用構(gòu)型變化化解隱身與氣動(dòng)矛盾，使得期望隱身、飛行、機(jī)動(dòng)能力在單一平臺(tái)分時(shí)實(shí)現(xiàn)。

飛機(jī)出現(xiàn)并高速發(fā)展的一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，變體技術(shù)也在飛機(jī)上不斷涌現(xiàn)，襟翼、副翼、變后掠、可收放起落架、可調(diào)進(jìn)氣道、偏轉(zhuǎn)噴管都可以看作變體的初期階段，并在不同程度上改善了飛機(jī)的氣動(dòng)特性和飛行性能。隨著材料技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展及新型變體方式的提出，變體飛機(jī)結(jié)構(gòu)與重量方面的代價(jià)逐漸消弱，變體優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯。以美國(guó)為首的世界軍事強(qiáng)國(guó)都在加大部署變體飛機(jī)研究，并開(kāi)展演示驗(yàn)證。

需求牽引與技術(shù)推動(dòng)雙輪驅(qū)動(dòng)之下，變體飛機(jī)向著非定常氣動(dòng)力、時(shí)變結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、氣動(dòng)伺服彈性力學(xué)、智能材料與結(jié)構(gòu)力學(xué)、智能感知與控制科學(xué)等多學(xué)科深度融合發(fā)展，其代表了航空技術(shù)進(jìn)入一個(gè)全新階段，越來(lái)越受到設(shè)計(jì)人員的青睞。

1 變體飛機(jī)總體參數(shù)設(shè)計(jì)面臨的問(wèn)題

變體飛機(jī)面向需求設(shè)計(jì)，拓展總體設(shè)計(jì)空間，在贏得任務(wù)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也顯著提升了設(shè)計(jì)難度。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)總體與氣動(dòng)協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計(jì)以保證不同飛行條件下具有較高的氣動(dòng)、機(jī)動(dòng)、隱身性能。

目前，變體飛機(jī)總體設(shè)計(jì)面臨的難題主要有：一是總體參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程假設(shè)參數(shù)較少，分析采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)公式，往往無(wú)法充分表征變化帶來(lái)的氣動(dòng)收益[3-4]；二是空戰(zhàn)類飛機(jī)總體參數(shù)設(shè)計(jì)階段戰(zhàn)技指標(biāo)約束嚴(yán)苛，甚至內(nèi)在相互矛盾，要統(tǒng)籌考慮加速性、爬升、非定常盤(pán)旋等非顯性機(jī)動(dòng)性能約束，各指標(biāo)耦合更為復(fù)雜[5-6]；三是除變體飛行滿足以上約束外，構(gòu)型設(shè)計(jì)初，亟須厘清構(gòu)型關(guān)聯(lián)關(guān)系，合理分配性能約束簇，進(jìn)一步增加總體設(shè)計(jì)工作的復(fù)雜程度。

因而面向變體飛機(jī)總體設(shè)計(jì)，基于氣動(dòng)仿真、動(dòng)力、重量估算數(shù)據(jù)，綜合分析各類戰(zhàn)技指標(biāo)及敏感性，權(quán)衡翼載荷與推重比，精確選擇“最佳”設(shè)計(jì)點(diǎn)的難題亟待解決[7]。

2 變體飛機(jī)總體參數(shù)設(shè)計(jì)流程

2.1 流程描述

變體飛機(jī)總體參數(shù)設(shè)計(jì)流程關(guān)注構(gòu)型間關(guān)聯(lián)參數(shù)及多變量耦合特點(diǎn)，從任務(wù)剖面分析、指標(biāo)構(gòu)型解耦出發(fā)，設(shè)計(jì)突出不同任務(wù)特征的變體飛機(jī)構(gòu)型；根據(jù)構(gòu)型特點(diǎn)、初步仿真或者經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得氣動(dòng)、動(dòng)力、重量（質(zhì)量）數(shù)據(jù)，以分解指標(biāo)為約束，開(kāi)展約束分析；綜合多個(gè)構(gòu)型約束開(kāi)展界限圖、地毯圖分析，選擇魯棒設(shè)計(jì)點(diǎn)并開(kāi)展總體參數(shù)攝動(dòng)分析；收斂總體參數(shù)，獲得翼載荷、推重比，最終確定多構(gòu)型初始布局，氣動(dòng)、重量、動(dòng)力等專業(yè)指標(biāo)約束[8]。整個(gè)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 變體飛機(jī)總體參數(shù)設(shè)計(jì)流程Fig.1 Primary parameter design of morphing aircraft

2.2 構(gòu)型設(shè)計(jì)

由于戰(zhàn)技指標(biāo)較高，單一構(gòu)型難以全面實(shí)現(xiàn)，采用變體思想分時(shí)解耦指標(biāo)矛盾，根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)及戰(zhàn)技指標(biāo)要求，開(kāi)展草圖設(shè)計(jì)及變體形式確認(rèn)。根據(jù)變體飛機(jī)多種構(gòu)型間關(guān)聯(lián)關(guān)系及各自的氣動(dòng)特征，分解戰(zhàn)技指標(biāo)要求。構(gòu)型與戰(zhàn)技指標(biāo)、任務(wù)需求匹配后，完成各構(gòu)型約束分配，初步固化構(gòu)型草圖和基本氣動(dòng)參數(shù)。

2.3 初始數(shù)據(jù)確定

初始數(shù)據(jù)確定階段主要功能是確定重量、動(dòng)力、氣動(dòng)數(shù)據(jù)。

（1）重量數(shù)據(jù)

無(wú)人機(jī)起飛重量分解為空機(jī)重量、燃油重量和有效載荷，并可以表示為重量系數(shù)形式?？諜C(jī)重量系數(shù)估算以重量估算統(tǒng)計(jì)公式為工具，以同用途現(xiàn)有空戰(zhàn)類飛機(jī)為樣本，綜合考慮有無(wú)人差別，兼顧未來(lái)技術(shù)發(fā)展，添加合理的修正因子進(jìn)行估算。燃油重量系數(shù)估算取決于飛行任務(wù)、氣動(dòng)特性以及發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率，目前燃油重量系數(shù)面向典型任務(wù)，兼顧變體后布局氣動(dòng)特征，選有基于現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化后耗油率，并考慮設(shè)計(jì)所需著陸余油和死油（一般取其系數(shù)為6%）。有效載荷在設(shè)計(jì)指標(biāo)中已經(jīng)給定，按照重量占比計(jì)算起飛總重[9]。

（2）動(dòng)力數(shù)據(jù)

采用目前貨架發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)關(guān)注耗油率和推力特性，并在優(yōu)化修正后用于總體參數(shù)權(quán)衡。

（3）氣動(dòng)數(shù)據(jù)

結(jié)合變體飛機(jī)各構(gòu)型方案草圖，構(gòu)建變體飛機(jī)外形，采用仿真計(jì)算，獲得各構(gòu)型氣動(dòng)特性，并加以現(xiàn)有型號(hào)經(jīng)驗(yàn)修正。性能約束分析所需氣動(dòng)特性包括變體飛機(jī)各構(gòu)型零升阻力系數(shù)（CD0）、升致阻力因子（K1）及隨馬赫數(shù)變化情況，升力系數(shù)（CL）隨迎角變化情況等特征參數(shù)[10]，或者直接求取兩種構(gòu)型升阻特性，借助插值方法用于總體參數(shù)設(shè)計(jì)。

2.4 構(gòu)型約束分析

根據(jù)構(gòu)型設(shè)計(jì)階段約束分配和確定的初始參數(shù)，面向各構(gòu)型開(kāi)展約束分析，構(gòu)建各構(gòu)型間關(guān)聯(lián)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)構(gòu)型間并行聯(lián)動(dòng)分析，并對(duì)各構(gòu)型約束進(jìn)行分級(jí)處理，如對(duì)于高機(jī)動(dòng)變體飛機(jī)，重點(diǎn)關(guān)注機(jī)動(dòng)性能等強(qiáng)約束，最后考慮起降等弱約束。目前高機(jī)動(dòng)變體飛機(jī)性能約束主要包括起降約束、爬升約束、高度—速度范圍、續(xù)航約束、機(jī)動(dòng)約束、下滑約束等。

2.5 設(shè)計(jì)點(diǎn)選取

由于變體飛機(jī)構(gòu)型之間的耦合關(guān)系與界限圖需要一定程度的關(guān)聯(lián)，界限圖分析變得相對(duì)復(fù)雜，同時(shí)總體參數(shù)推重比（T/W）與翼載荷（W/S）的選擇結(jié)果，需要滿足變體飛機(jī)多種構(gòu)型的性能約束?？紤]多種構(gòu)型飛行約束間關(guān)聯(lián)，將各自構(gòu)型的界限圖進(jìn)行合并，繪制到同一張界限圖上，這樣形成的可行域內(nèi)T/W與W/S的各種組合，都可以同時(shí)滿足兩種構(gòu)型的飛行約束，最后在該設(shè)計(jì)域內(nèi)選擇合適設(shè)計(jì)點(diǎn)。

2.6 設(shè)計(jì)點(diǎn)權(quán)衡分析

常規(guī)飛機(jī)總體參數(shù)的權(quán)衡分析可選擇起飛重量、T/W與W/S這三個(gè)參數(shù)形成地毯圖，也可選其他性能、T/W與W/S形成地毯圖。高機(jī)動(dòng)變體飛機(jī)攝動(dòng)分析過(guò)程需考慮氣動(dòng)性能、推力特性攝動(dòng)后性能約束滿足情況。

3 變體飛機(jī)總體參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)例

設(shè)計(jì)一款高機(jī)動(dòng)、高隱身、超聲速作戰(zhàn)飛機(jī)，具體指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 指標(biāo)構(gòu)型分解Table 1 Index decomposition

基于任務(wù)剖面與給定總體戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)，識(shí)別超聲速、高機(jī)動(dòng)、高隱身的矛盾，通過(guò)變體技術(shù)將無(wú)尾構(gòu)型與有尾構(gòu)型融合設(shè)計(jì)于單一平臺(tái)，構(gòu)型與任務(wù)使用相匹配，發(fā)揮構(gòu)型優(yōu)勢(shì)?；谌蝿?wù)的構(gòu)型分解如圖2所示。

圖2 典型任務(wù)剖面Fig.2 Typical mission profile

變體飛機(jī)選用兩側(cè)進(jìn)氣、變尾翼氣動(dòng)布局。（1）巡航狀態(tài)：采用無(wú)尾構(gòu)型，可折疊全動(dòng)垂尾放平，構(gòu)成無(wú)尾翼構(gòu)型，隱身性能、升阻特性優(yōu)異，同時(shí)減弱機(jī)動(dòng)需求，創(chuàng)新航向操縱面，飛機(jī)滿足基本亞、跨、超聲速平飛和基本機(jī)動(dòng)能力。（2）機(jī)動(dòng)狀態(tài)：采用有尾構(gòu)型，可折疊全動(dòng)垂尾豎起，構(gòu)成V尾構(gòu)型，機(jī)動(dòng)與操縱特性良好。方案草圖如圖3 所示。其中，機(jī)翼參考面積、翼展、前緣后掠角參數(shù)為調(diào)整變量，機(jī)身參數(shù)保持不變。

圖3 變體布局草圖設(shè)計(jì)Fig.3 Morphing aircraft layout sketch design

研究發(fā)現(xiàn)，可折疊全動(dòng)垂尾位于機(jī)翼主升力面之后，其折疊位置變化對(duì)全機(jī)焦點(diǎn)影響小，兩種構(gòu)型在相同工況下縱向穩(wěn)定度變化可接受，這也是該種形式有/無(wú)尾構(gòu)型切換可行的重要原因。根據(jù)初步草圖設(shè)計(jì)，基于現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)展指標(biāo)與性能約束分配見(jiàn)表1。

根據(jù)初步草圖設(shè)計(jì)，估算變體有尾、無(wú)尾兩種構(gòu)型氣動(dòng)特性，并結(jié)合相似布局經(jīng)驗(yàn)修正，獲得布局氣動(dòng)特性如圖4～圖6 所示。以航程需求為約束，結(jié)合氣動(dòng)特性與剖面構(gòu)型分配，計(jì)算燃油系數(shù)為32%?；谥笜?biāo)要求，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)空機(jī)重量系數(shù)，求取起飛重量為15000kg，機(jī)動(dòng)重量約為12500kg。

圖4 變體飛機(jī)CD0—Ma特性Fig.4 Morphing aircraft characteristics CD0—Ma

圖5 變體飛機(jī)K1-Ma特性Fig.5 Morphing aircraft characteristics K1-Ma

圖6 變體飛機(jī)CL—α特性Fig.6 Morphing aircraft characteristics CL—α

基于貨架發(fā)動(dòng)機(jī)推力水平，考慮提升潛力加以修正。選擇穩(wěn)定盤(pán)旋過(guò)載，瞬時(shí)盤(pán)旋過(guò)載能力，亞、跨聲速加速能力，單位剩余功率等約束，開(kāi)展機(jī)動(dòng)點(diǎn)約束分析。為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，兩種構(gòu)型選擇相同參考機(jī)翼面積，兩構(gòu)型總體參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程出現(xiàn)在氣動(dòng)特性方面非線性耦合，只需在兩張界限圖中選擇分別滿足各自性能約束的翼載荷與推重比，取兩構(gòu)型可行域的交集即可滿足總體戰(zhàn)技指標(biāo)約束。

在第一輪初始參數(shù)估計(jì)下，確定無(wú)尾、有尾兩種構(gòu)型的總體參數(shù)可行域如圖7、圖8 所示（圖中約束線說(shuō)明：深藍(lán)色為穩(wěn)定盤(pán)旋過(guò)載，黑色為亞聲速加速性能，紅色為超聲速加速性能，綠色為瞬時(shí)盤(pán)旋過(guò)載性能，淺藍(lán)色為單位剩余功率），滿足全體戰(zhàn)技指標(biāo)約束的飛機(jī)總體參數(shù)如圖9所示，推重比被限制在1.04～1.05，翼載荷被限制在360～385kg/m2。由此可以看出，設(shè)計(jì)域狹窄，攝動(dòng)能力差，不利于后期設(shè)計(jì)。

圖7 無(wú)尾構(gòu)型總體參數(shù)設(shè)計(jì)圖Fig.7 Parameter design figure of tailless configuration

圖8 有尾構(gòu)型總體參數(shù)設(shè)計(jì)圖Fig.8 Parameter design figure of tail configuration

圖9 變體飛機(jī)總體參數(shù)設(shè)計(jì)Fig.9 Parameter design figure of morphing aircraft

優(yōu)化氣動(dòng)布局，變體布局阻力優(yōu)化約8%后，獲得參數(shù)設(shè)計(jì)域如圖10 所示，推重比選取1.01～1.05，翼載荷選取330～385kg/m2。為保證所選總體參數(shù)的魯棒性，選擇設(shè)計(jì)域中間點(diǎn)，即推重比為1.03，翼載荷為360kg/m2，細(xì)化后總體參數(shù)見(jiàn)表2。

圖10 變體飛機(jī)優(yōu)化后總體參數(shù)設(shè)計(jì)Fig.10 Optimized parameter design figure of morphing aircraft

表2 總體參數(shù)列表Table 2 Master parameter list

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了變體飛機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)以及變體飛機(jī)總體參數(shù)設(shè)計(jì)面臨的問(wèn)題，梳理了變體飛機(jī)總體參數(shù)設(shè)計(jì)流程和總體參數(shù)設(shè)計(jì)約束，以尾翼變體飛機(jī)總體參數(shù)設(shè)計(jì)為實(shí)例，優(yōu)選了滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)點(diǎn)。

變體飛機(jī)各構(gòu)型設(shè)計(jì)域交集常常出現(xiàn)為空集或狹小，需要不斷優(yōu)化布局，調(diào)整參數(shù)，多輪迭代才能找到穩(wěn)健設(shè)計(jì)點(diǎn)，并針對(duì)選定總體參數(shù)開(kāi)展參數(shù)攝動(dòng)分析，厘清各參數(shù)之間相關(guān)性，伴隨設(shè)計(jì)細(xì)化不斷修正設(shè)計(jì)點(diǎn)，保證全設(shè)計(jì)流程總體參數(shù)的穩(wěn)定。