引言

    “變體”飛機是指能夠在飛行中改變氣動外形，如機翼面積、展弦比和后掠角等，使飛機在不同飛行狀態(tài)下性能保持最佳的飛行器。與常規(guī)固定布局飛機相比，變體飛機的飛行包線更寬，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，自主地改變氣動構(gòu)型，優(yōu)化其飛行性能。目前，國外的一些研究機構(gòu)正致力于變體飛機的研究，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器的研究。美國五角大樓國防預(yù)研計劃局和空軍研究實驗室已經(jīng)實施了“變形飛行器結(jié)構(gòu)”(MAS)計劃。在此項目中，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“折疊機翼”方案和“滑動蒙皮”變形機翼方案，并取得了一定進(jìn)展。與此同時，國外多所大學(xué)也研究了不同形式的變體飛機，對機翼變形結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)途徑、設(shè)計方法、氣動彈性及飛行動力學(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)計面臨諸多復(fù)雜問題。要設(shè)計出在全飛行包線內(nèi)均具有優(yōu)良飛行性能和品質(zhì)的變體飛機，需要在各種關(guān)鍵技術(shù)上取得新的突破。本文針對當(dāng)前提出的幾種不同形式變體飛機，分析了涉及的各學(xué)科關(guān)鍵技術(shù)，對變體飛機的設(shè)計具有一定參考價值。

1 主要變形方式

    機翼是飛機改變構(gòu)型的主要部件。變體飛機變形的方式主要是改變機翼的形狀，其中又以改變機翼的展長和面積效果最為明顯。機翼面積的改變可以通過折疊、伸縮機翼或者滑動蒙皮等方式來實現(xiàn)，見圖1。機翼的折疊及伸縮主要通過新型的驅(qū)動機構(gòu)來實現(xiàn)，需采用新型的智能材料來保證機翼折疊后的完整性�；瑒用善�機翼方案是通過新型的智能結(jié)構(gòu)，使蒙皮變形以達(dá)到改變機翼面積的目的，其機翼蒙皮需采用智能材料。通過機翼的變形和輔助舵面的偏轉(zhuǎn)，可以改變機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 變體飛機機翼的主要變形方式

    變體飛機設(shè)計時以多個不同飛行任務(wù)的性能指標(biāo)最優(yōu)作為設(shè)計目標(biāo)，其設(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到多個學(xué)科。其關(guān)鍵技術(shù)包括:總體設(shè)計、氣動設(shè)計、智能材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計、可控性設(shè)計與飛行控制系統(tǒng)設(shè)計等。

2 總體及氣動協(xié)調(diào)設(shè)計

    變體飛機可兼顧起降、巡航、機動等多任務(wù)需求，其在總體設(shè)計上的思想和方法與常規(guī)飛機有所不同。變體飛機的總體設(shè)計必須考慮多學(xué)科交叉綜合，通過總體及氣動協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計以保證其在不同飛行條件下均具有較好的氣動性能。

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

圖2 不同氣動布局下的最大升阻比

    飛機在一個完整的飛行任務(wù)剖面中，對于不同的飛行階段有著不同的飛行性能指標(biāo)。如在待機時，要求飛機的航時最大，而在迅速完成轟炸任務(wù)時，要求飛機以最大的飛行速度快速飛行等。為了保證變體飛機整個飛行剖面的優(yōu)良性能，在初始總體設(shè)計上，需要考慮機翼變形對氣動特性的改變。對于變體飛機，不同飛行狀態(tài)下機翼平面形狀和翼型之間的協(xié)調(diào)問題需要在氣動設(shè)計上予以解決。如何設(shè)計變體飛機的氣動構(gòu)型，使得飛機在不同任務(wù)和飛行條件下采用不同構(gòu)型時都具有較好的氣動特性是變體飛機總體設(shè)計的難點。因此，在進(jìn)行變體飛機的總體參數(shù)設(shè)計時，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，協(xié)調(diào)各個方面的需求，折中確定飛機的總體構(gòu)型參數(shù)，最終形成一個完整的設(shè)計方案。研究表明，通過總體優(yōu)化設(shè)計后的變體飛機，相對固定構(gòu)型飛機，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)動機推力特性如何與變體飛機不同構(gòu)型的阻力特性相適配也是總體設(shè)計時需要考慮的因素。變體飛機需要在不同的飛行狀態(tài)下執(zhí)行不同的任務(wù)，因此，目前針對某特殊飛行任務(wù)來設(shè)計發(fā)動機的方法需要改變。對于變體飛機，發(fā)動機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。

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

3 智能機翼結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

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

    基于這些復(fù)雜的因素，變體飛機要能夠?qū)崿F(xiàn)機翼的自主變形，所用的機翼變體機構(gòu)必須采用智能材料和新型智能驅(qū)動結(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帶來的性能收益。

    在智能材料與驅(qū)動結(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的蒙皮及驅(qū)動結(jié)構(gòu)材料。由于壓電材料既可以作為傳感器，又可以作為作動器，因此在變體飛機的結(jié)構(gòu)設(shè)計中被廣泛應(yīng)用。

4 可控性設(shè)計

    變體飛機構(gòu)型改變時，如何保證其飛行的可控性也是一個需要解決的重要問題。通過對機翼變形前后的靜態(tài)構(gòu)型和變體動態(tài)過程的動態(tài)特性研究，可為飛行控制設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

    首先，必須科學(xué)地設(shè)計變體飛機的新型操縱舵面，使其能夠產(chǎn)生滿足飛機可控性需求的三軸力矩。由于舵面位于能夠變形的機翼上，當(dāng)機翼形狀改變后，某些舵面的操縱效率及操縱功能可能會受到限制甚至改變。以無尾折疊翼變體飛機為例，當(dāng)機翼展開時，內(nèi)段機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)；而機翼折疊一定角度后，該舵面的偏轉(zhuǎn)會逐漸產(chǎn)生偏航力矩，當(dāng)機翼折疊角度達(dá)90°時，此時該舵面的功能相當(dāng)于方向舵，如圖3(b)；若機翼完全折疊使內(nèi)段機翼與機身貼合時，內(nèi)段機翼上舵面的偏轉(zhuǎn)會受到限制，甚至不可操縱，如圖3(c)�？梢姡�變體飛機在不同構(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)計必須滿足機翼變形前后所有構(gòu)型的可控性要求。

圖3 機翼折疊時內(nèi)段機翼上操縱舵面的變化

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

圖4 變體飛機多體系統(tǒng)描述

    變體過程中機翼的轉(zhuǎn)動頻率會對飛機的氣動力產(chǎn)生影響。根據(jù)飛行任務(wù)和飛行條件的要求，如何確定機翼變形頻率的大小，使變體速度既滿足任務(wù)需求，又對飛行產(chǎn)生的不利影響最小，也是一個需要考慮的問題。

    變體飛機氣動布局的改變使其穩(wěn)定特性受到影響。飛機氣動外形改變后，其重心位置及氣動特性隨之改變，如圖5。變體后飛機各軸向的穩(wěn)定性會發(fā)生改變。對于縱向來說，需要考慮變體后飛機氣動焦點和重心的適配以保證飛機具有良好的穩(wěn)定性和操縱性。若變體飛機變體前后的各軸向操穩(wěn)特性較差，則需要通過飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計來保證飛機具有良好的飛行品質(zhì)。

圖5 變體前后重心與焦點的匹配

5 飛行控制系統(tǒng)設(shè)計

    變體飛機所對應(yīng)的最優(yōu)性能與飛行條件和氣動外形參數(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，給變體飛機的飛行控制系統(tǒng)設(shè)計帶來挑戰(zhàn)。

    變體飛機通過變形改變氣動構(gòu)型后，不同的飛行狀態(tài)和飛行任務(wù)下飛機的操縱舵面的數(shù)量和功能會發(fā)生變化，因此，在設(shè)計變體飛機的控制律時，需要研究多功能操縱面的管理問題。

    對于變體飛機這種參數(shù)幅度變化大的被控對象，需要設(shè)計適合于變體飛機的控制系統(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。變體飛機的飛控系統(tǒng)必須能夠保證其所有靜態(tài)構(gòu)型及氣動構(gòu)型動態(tài)變化過程下的穩(wěn)定飛行。例如，為了使飛機在機翼變形過程中飛行姿態(tài)保持不變，需要飛行控制系統(tǒng)能夠根據(jù)氣動力及舵面的變化來完成飛機飛行姿態(tài)的控制任務(wù)。因此，變體飛機構(gòu)型、操縱舵面數(shù)量及功能變化時，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

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

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本文標(biāo)題：變體飛機設(shè)計的主要關(guān)鍵技術(shù)

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