兵器装备工程学报

变体技术在兵器设计上的应用

分类:主编推荐 发布时间:2018-03-08 16:14 访问量:2289

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引用格式:李玉玺,李正宇,徐宏斌,等.地面无人作战平台“作战机器人”国内外研究现状[J].兵器装备工程学报,2017(12):124-130.

Citation formatLI Yuxi, LI Zhengyu, XU Hongbin,et al.Ground Unmanned Combat Platform “Combat Robot” Domestic Research Status[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):124-130.
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作者简介:冯金富(1964—),男,教授,博士生导师,主要从事跨介质航行器研究。
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变体技术在兵器设计上的应用

冯金富1,陈国明1,张 萌2

(1. 空军工程大学 航空工程学院, 西安 710038;2. 陆军航空兵军事代表局驻西安地区军事代表室, 西安 710065)

摘要:变体技术是将多种性能在同一平台上实现的最佳途径,变体飞行器是指在飞行中能够自主灵活地改变自身外形,获得最佳作战效能的飞行器。本文简要总结了变体飞行器的发展历程,然后分析了变体导弹相关技术,最后介绍了水空跨介质航行器及其运用变体技术情况。


关键词:变体技术;导弹;作战效能;跨介质航行器


中图分类号:TJ02  文献标识码:A  文章编号:2096-2304(2017)12-0215-06



Application of Morphing Technology in Aircraft

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)

Abstract: 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.

Key words:morphing technology; missile; effectiveness; trans-media vehicle

针对各种性能在布局上存在的差异,变体技术(Morphing Aircraft Technology)是不同布局在同一平台上实现融合的最佳途径。变体飞行器是指飞行器在飞行中能够根据飞行环境和飞行任务的不同,自主灵活地改变自身外形(包括机身、机翼等),来改善气动性能以适应不同的飞行环境及作战任务需求的飞行器。北大西洋公约组织(NATO)对变体飞行器有如下定义:通过局部或整体改变飞行器的外形形状使飞行器能够实时适应多种任务需求且使飞行器能在多种环境下保持最优性能和效率[2]

如今,人类对飞行器的活动区间已经远远突破了传统的空中,逐步向空天一体、空海一体全维度跨介质延伸。跨介质变体航行器是指能够自主适应不同介质环境(水-空、空-天),可以多次跨越介质界面并可持续航行的复用型航行器[3,46]。随着探测技术的突飞猛进和武器装备的快速发展,单介质航行器在信息感知、隐蔽突防、协同作战和隐蔽载运等方面的能力正慢慢被削弱[4],发展跨介质航行器可以弥补传统单介质飞行器的短板,借助其灵活的变形,可以灵活地获取不同介质中敌我态势,为决策者提供更丰富的信息和选择。

1 飞行器变体技术研究现状

在严格的意义上,变体或变形技术在20世纪初的第一代飞机上就有体现,如莱特兄弟的飞机,其机翼材料为布和轻质木料,弹性很大,可以通过控制其变形来调整飞行。到固定翼飞机时代,为改变飞行姿态,设计了升降舵、副翼、襟翼等能够通过铰链实现偏转的操纵面。在追求亚声速、跨声速、超声速飞行性能同时最优化理念的驱动下,出现了F-14、图-160等变后掠翼飞机,虽满足了战技性能,却付出了结构、重量、操纵等方面的巨大代价,受制于所处时代的科技水平,在后续一段时间里飞机设计中不再有类似的设计。

1979年,美国国家航空航天局(NASA)与波音(Boeing)合作开展任务自适应机翼(Mission Adaptive Wing, MAW)计划[5-7],其研究表明根据速度变化改变机翼弯度可以减小阻力,但当时的变形依靠大量铰接点和作动器实现,机翼重量太大,无法实际应用。1985年,NASA启动主动柔性机翼(Adaptive Flexible Wing, AFW)计划[8],1996年后扩展为主动气动弹性机翼(Adaptive Aeroelastic Wing, AAW)计划[9]。试验结果证实,AAW技术能够使机翼结构减重10%~20%,并大幅提高飞机的滚转性能和机动能力[10-11],但该方案的气动优势却被其气动面产生的阻力所抵消。

1994年美国Lockheed Martin公司开始研究低成本攻击自主攻击弹药系统,主要由J45G涡喷发动机、可折叠弹翼/尾翼、激光雷达导引头以及GPS制导系统构成[12]。在发射前翼面处于折叠状态,机翼向后折叠,翼尖部分以及尾翼向下折叠,如图1所示。该弹药可以通过多种火箭弹、撒布器等方式发射。

图1 低成本攻击自主攻击弹药

2003年以后,美国国防部高级研究计划局(DARPA)主导的变体飞行器结构(Morphing Aircraft Structure,MAS)计划[13-14]认为,为适应更大范围飞行条件需大幅度变化机翼外形,变化的幅度应不小于:展弦比变化200%,机翼面积变化50%,扭转角变化5°,后掠角变化20%。该计划旨在发展一种能够根据任务变形的多用途无人机,提出了两种具有较强代表意义的方案,如图2所示: Lockheed Martin公司的折叠机翼(Folding Wing)[15]和NextGen Aeronautics公司的滑动蒙皮(Sliding Skins)方案[16]

图2 两种最新变体机翼方式

2005年,DARPA委托Lockheed Martin公司开发鸬鹚(Cormorant)潜射无人机[17]。该公司很快设计出了进行入水冲击实验的原型机,如图3所示。在该原型机中采用了变结构机翼[18],计划在美国俄亥俄级核潜艇上使用。鸬鹚无人机由潜艇释放后,首先在高压气体推动下冲出水面,然后在固体火箭推进器的辅助下起飞。完成任务后,鸬鹚无人机先通过减速伞进行减速,然后像鸬鹚一样扎入水中,在水中处于无动力漂浮状态,直到被水下航行器探测并回收。然后再次加注燃料,安装火箭助推器,等待下一次发射。

图3 Lockheed Martin 鸬鹚无人机及执行任务过程

2008年,DARPA着手研究如图4所示的载人“潜水飞机”概念机,用于突袭敌方海岸或其他军事目标[19]。飞行潜航器整合了多种无人系统的优势,能够更加高效、可靠的独立完成侦察、监视、警戒等任务。当作为一种独立的战斗武器,飞行潜航器拥有良好的水下隐蔽性和空中快速部署的特点,能够利用水、空介质物理割裂,通过在水、空介质间跳跃飞行/航行,实现远距离隐蔽侦察、打击,能够在反渗透、空中警戒、反潜等作战中发挥重要作用。当作为一种侦察平台时,飞行潜航器能够完成像海洋巡逻,潜艇鱼雷探测等任务。

图4 美国潜水飞机及其工作示意图

2 可变体飞行器技术研究

由以上分析可以知道,变体飞机在不同的飞行环境下和执行不同的飞行任务时可以改变自身外形,以获得最佳的气动性能。通常改变机翼形状是最常见、使用最多的变体模式,下面将分析各种机翼变形技术优劣性,并进行评价:

2.1 变后(前)掠技术

可变后掠翼飞行器是一种可以随不同飞行环境而改变后掠角的设计,在起飞、着陆和巡航阶段时,机翼在小后掠角位置,既能缩短起飞及着陆的距离,同时又能减少油耗增加巡航时问;在加速阶段时,机翼在大后掠角位置,减小高速阻力。

可变前掠翼导弹和可变后掠翼导弹如图5所示。

早在2003年,在DARPA的支持下,雷声公司承接了一项价值410万美元的“可变体战斧巡航导弹(Morphing Tomahawk Cruise Missile)”研究项目[20],如图6所示,目标是使导弹具备以3.0Ma速度高速飞抵战区,然后降低速度至0.3Ma搜索目标,如果战况有变,可恢复高速飞向另一个空域执行任务。实现弹翼变体能力是该项目的前提,由此导弹才能够适应更大的速度范围,在更大的空域和速域内飞行。

图5 可变前掠翼导弹和可变后掠翼导弹

图6 可变体战斧巡航导弹

2.2 变展长技术

大展长的机翼有良好的减阻增程性能和动力效率,但是缺乏机动性,并且适用的巡航速度比较低。相反,小展长的飞机虽然气动效率差,但是有快速的大机动能力[21]

2004年,Jae-Sung Bae等人研究了一种与“战斧”外形类似的可变翼展(Variable-Span Morphing Wing, VSMW)巡航导弹的气动及气弹特性[22],图7所示为该导弹示意图,其弹翼为固定翼盒嵌套活动翼段,活动翼段为矩形,可在固定翼盒中受控伸缩,可变范围为原展长的50%。其研究结果表明,该可变翼展导弹亚声速飞行时,两翼翼展对称增加可有效降低总阻力,从而使射程大幅度提高;若两翼翼展反对称变化,则其产生的横滚力矩远大于传统控制面,因此有能力取代后者用于横滚控制。

图7 可变翼展巡航导弹示意图

2.3 倾斜翼变体构型

与可变翼展弹翼研究几乎同步,美研究人员对倾斜弹翼(Oblique Wing)巡航导弹方案进行了探索[23]。低速时导弹的弹翼与弹身垂直,外形类似巡航导弹;高速时导弹的弹翼旋转至与弹身平行的位置,外形类似于弹道导弹,可以最大限度减小阻力。

2008年,以色列Moti Karpel,Evgeny Selitrennik等人采用EZNSS CFD软件对倾斜弹翼布局翼-身组合体在弹翼旋转变体过程中的气动特性进行了数值模拟,图8为倾斜弹翼布局翼-身组合体弹翼表面压力分布的部分仿真结果[24]

图8 倾斜弹翼布局翼-身组合体弹翼表面压力分布

但图8中所示倾斜弹翼变体方案存在较大的稳定性、可控性难题,在飞行过程中,当斜掠翼处于小斜掠角位置时,弹翼结构会产生共振现象;而处于大斜掠角位置时,由于左右两侧弹翼不对称,导弹的操纵会出现明显的滚转-偏航和滚转-俯仰耦合现象,这对飞行控制系统提出了极高要求,要真正研发出一种成熟实用的斜掠翼巡航导弹还有相当长的路要走。

2.4 其他形式变体构型

至2007年,西北工业大学丛延、徐敏等人基于前后翼联结思想,提出一种组合变形翼巡航导弹概念[25],其外形示意图如图9所示,完成了气动外形总体设计和不同头部、弹身、尾部组合体的气动特性数值模拟,分析了隐身性能,并综合考虑气动、隐身、容积等因素,给出了一种最优弹体外形。2008年该校徐声明、祝小平等人提出了一种相近的设计,称为箱式发射无人机[26],其变体设计示意图如图10所示,图中所示分别为箱式布局、巡航布局、突防布局和滞空布局。翼由前翼和后翼组成,前翼和后翼的翼尖用转轴连接,可以实现最大180°的旋转。前翼和后翼的翼根连接在机身腹部的导轨上,可以在导轨上移动和转动。前翼的后缘能够张开夹住后翼,后翼安排机翼的操纵面。

上述两种变体方案都通过联结翼的前后滑动实现不同任务阶段后掠角、前掠角、翼展、展弦比和翼面积的适应性改变,充分发挥了变体技术在气动方面的优越性。

2011年,南京理工大学许兆庆,吴军基等人对“钻石背”弹翼[27-28](Diamond Back Wing)进行了改进,提出了一类巡飞弹扇式折叠翼结构[29](Fan Style Folding Wing),其示意图如图11所示,该弹翼前、中、后翼条结构呈扇骨式分布,通过铰链连接,其气动性能和弹翼强度、刚度等方面得到一定改善。

图9 组合变形翼巡航导弹外形示意图

图10 箱式发射无人机变体设计示意图

图11 巡飞弹扇式折叠翼示意图

在应用卷弧翼进行气动布局设计方面,西北工业大学郭庆亮等[30]研究了异形卷弧翼相对于弹身的安装位置角和安装偏角对组合体纵向超声速气动特性的影响。中国科学院力学研究所崔凯,杨国伟等研究了图12所示的高超声速弧形翼导弹[31],发射前弹翼包裹于弹体上,处于闭合状态,其外形示意图如图12(a)所示;至设定状态时,弧形翼自动张开,成为带翼导弹,其外形示意图如图12(b)所示。

从公开的研究成果看,国内在导弹上应用变体技术的方案设想多为传统的机械式结构变体,以理论分析和数值模拟研究为主,类似NASA、DARPA等机构[32-34]所进行的风洞试验很少。从发展趋势看,应用新型智能材料、作动器和传感器的柔性变体技术是未来的发展方向[35-36],其优点是能够适应不同的飞行条件,扩展飞行包线,改善操纵特性,减小阻力,增大航程,减少或消除颤振、抖振和涡流干扰等影响[37-38],但这种技术对于导弹这类弹翼薄、翼载大的平台的适用性迄今还没有得到论证。

图12 一种高超声速弧形翼导弹外形示意图

3 变体导弹新发展——跨介质变体航行器

跨介质航行器是指某一物体多次循环交替实现在水空介质中的运动,它不同于单次水空介质“穿越”的航行体,不仅具有空中飞行能力,水下潜航能力,而且具有多次自由穿越水空界面的能力。跨介质变体航行器集飞机、水面舰艇、潜艇等多重功能于一身,充分利用三种平台的优点,与只能在单一介质内运动的飞行器和潜航器相比,跨介质变体航行器集空中飞行器和水下潜航器功能于一身,是航空技术与航海技术的大融合,能够完成水空介质交叉的任务类型。

近几年,国内学者也积极开展相关研究。廖保全[3]提出了一种通过两次折叠弹翼改变外形实现水空介质跨越的航行器平台,兼顾空中突防速度快和水中突防隐蔽性好的特点。在水中航行时,采用类似鱼雷的外形,在空中飞行时,采用类似反舰巡航导弹的外形。这种折叠方式减小了弹翼折叠过程中机体重心的变化,降低了出水控制难度,如图13所示。张佳强[39-40]探索研究了一类潜-飞两栖新概念导弹,并提出了一种基于共形半环翼布局的潜-飞两栖导弹方案,如图14所示。

图13 两次折叠弹翼改变外形跨越航行器

图14 共形半环翼布局的潜-飞两栖导弹方案

跨介质变体航行器不仅具有空中飞行能力和水下航行能力,而且具有反复跨越水空界面的能力能够突破传统飞行器(UAV)或潜航器(AUV)使用环境限制,能够胜任空中、水下交叉介质的任务类型,在军事或民用领域具有广阔的应用前景

4 结论

传感器技术、材料科学、计算机科学和控制科学等领域取得的进步,在军事需求的牵引下,飞行器的发展向空中作战、自主飞行、空水跨越领域发展。应用变体技术解决了不同性能飞行器的布局差异,使得飞行器能够在不同的飞行环境和飞行任务下自主改变自身外形,获得最佳的作战效能。

变体飞行器研究是包含多项关键技术的系统工程,涉及空气动力学、动力学建模控制、智能材料技术、传感器和驱动器设计等学科领域。我国在这一领域已经取得了较大的成果,但研制出具有工程实用价值的智能变体飞行器,还要克服许多困难和挑战。

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