變體技術(shù)在兵器設(shè)計(jì)上的應(yīng)用

馮金富，陳國(guó)明，張 萌

(1. 空軍工程大學(xué) 航空工程學(xué)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(shù)在兵器設(shè)計(jì)上的應(yīng)用

馮金富1，陳國(guó)明1，張 萌2

(1. 空軍工程大學(xué) 航空工程學(xué)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(shù)是將多種性能在同一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)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(jiǎn)要總結(jié)了變體飛行器的發(fā)展歷程，然后分析了變體導(dǎo)彈相關(guān)技術(shù)，最后介紹了水空跨介質(zhì)航行器及其運(yùn)用變體技術(shù)情況。

變體技術(shù)；導(dǎo)彈；作戰(zhàn)效能；跨介質(zhì)航行器

針對(duì)各種性能在布局上存在的差異，變體技術(shù)(Morphing Aircraft Technology)是不同布局在同一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)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(jù)飛行環(huán)境和飛行任務(wù)的不同，自主靈活地改變自身外形(包括機(jī)身、機(jī)翼等)，來(lái)改善氣動(dòng)性能以適應(yīng)不同的飛行環(huán)境及作戰(zhàn)任務(wù)需求的飛行器。北大西洋公約組織(NATO)對(duì)變體飛行器有如下定義:通過(guò)局部或整體改變飛行器的外形形狀使飛行器能夠?qū)崟r(shí)適應(yīng)多種任務(wù)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(lèi)對(duì)飛行器的活動(dòng)區(qū)間已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(zhì)延伸。跨介質(zhì)變體航行器是指能夠自主適應(yīng)不同介質(zhì)環(huán)境(水-空、空-天)，可以多次跨越介質(zhì)界面并可持續(xù)航行的復(fù)用型航行器[3，46]。隨著探測(cè)技術(shù)的突飛猛進(jìn)和武器裝備的快速發(fā)展，單介質(zhì)航行器在信息感知、隱蔽突防、協(xié)同作戰(zhàn)和隱蔽載運(yùn)等方面的能力正慢慢被削弱[4]，發(fā)展跨介質(zhì)航行器可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)單介質(zhì)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(zhì)中敵我態(tài)勢(shì)，為決策者提供更豐富的信息和選擇。

1 飛行器變體技術(shù)研究現(xiàn)狀

在嚴(yán)格的意義上，變體或變形技術(shù)在20世紀(jì)初的第一代飛機(jī)上就有體現(xiàn)，如萊特兄弟的飛機(jī)，其機(jī)翼材料為布和輕質(zhì)木料，彈性很大，可以通過(guò)控制其變形來(lái)調(diào)整飛行。到固定翼飛機(jī)時(shí)代，為改變飛行姿態(tài)，設(shè)計(jì)了升降舵、副翼、襟翼等能夠通過(guò)鉸鏈實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)的操縱面。在追求亞聲速、跨聲速、超聲速飛行性能同時(shí)最優(yōu)化理念的驅(qū)動(dòng)下，出現(xiàn)了F-14、圖-160等變后掠翼飛機(jī)，雖滿足了戰(zhàn)技性能，卻付出了結(jié)構(gòu)、重量、操縱等方面的巨大代價(jià)，受制于所處時(shí)代的科技水平，在后續(xù)一段時(shí)間里飛機(jī)設(shè)計(jì)中不再有類(lèi)似的設(shè)計(jì)。

1979年，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)與波音(Boeing)合作開(kāi)展任務(wù)自適應(yīng)機(jī)翼(Mission Adaptive Wing, MAW)計(jì)劃[5-7]，其研究表明根據(jù)速度變化改變機(jī)翼彎度可以減小阻力，但當(dāng)時(shí)的變形依靠大量鉸接點(diǎn)和作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，機(jī)翼重量太大，無(wú)法實(shí)際應(yīng)用。1985年，NASA啟動(dòng)主動(dòng)柔性機(jī)翼(Adaptive Flexible Wing, AFW)計(jì)劃[8]，1996年后擴(kuò)展為主動(dòng)氣動(dòng)彈性機(jī)翼(Adaptive Aeroelastic Wing, AAW)計(jì)劃[9]。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，AAW技術(shù)能夠使機(jī)翼結(jié)構(gòu)減重10%～20%，并大幅提高飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)性能和機(jī)動(dòng)能力[10-11]，但該方案的氣動(dòng)優(yōu)勢(shì)卻被其氣動(dòng)面產(chǎn)生的阻力所抵消。

1994年美國(guó)Lockheed Martin公司開(kāi)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(dòng)機(jī)、可折疊彈翼/尾翼、激光雷達(dá)導(dǎo)引頭以及GPS制導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)成[12]。在發(fā)射前翼面處于折疊狀態(tài)，機(jī)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(guò)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(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)主導(dǎo)的變體飛行器結(jié)構(gòu)(Morphing Aircraft Structure，MAS)計(jì)劃[13-14]認(rèn)為，為適應(yīng)更大范圍飛行條件需大幅度變化機(jī)翼外形，變化的幅度應(yīng)不小于：展弦比變化200%，機(jī)翼面積變化50%，扭轉(zhuǎn)角變化5°，后掠角變化20%。該計(jì)劃旨在發(fā)展一種能夠根據(jù)任務(wù)變形的多用途無(wú)人機(jī)，提出了兩種具有較強(qiáng)代表意義的方案，如圖2所示： Lockheed Martin公司的折疊機(jī)翼(Folding Wing)[15]和NextGen Aeronautics公司的滑動(dòng)蒙皮(Sliding Skins)方案[16]。

圖2 兩種最新變體機(jī)翼方式

2005年，DARPA委托Lockheed Martin公司開(kāi)發(fā)鸕鶿(Cormorant)潛射無(wú)人機(jī)[17]。該公司很快設(shè)計(jì)出了進(jìn)行入水沖擊實(shí)驗(yàn)的原型機(jī)，如圖3所示。在該原型機(jī)中采用了變結(jié)構(gòu)機(jī)翼[18]，計(jì)劃在美國(guó)俄亥俄級(jí)核潛艇上使用。鸕鶿無(wú)人機(jī)由潛艇釋放后，首先在高壓氣體推動(dòng)下沖出水面，然后在固體火箭推進(jìn)器的輔助下起飛。完成任務(wù)后，鸕鶿無(wú)人機(jī)先通過(guò)減速傘進(jìn)行減速，然后像鸕鶿一樣扎入水中，在水中處于無(wú)動(dòng)力漂浮狀態(tài)，直到被水下航行器探測(cè)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(wú)人機(jī)及執(zhí)行任務(wù)過(guò)程

2008年，DARPA著手研究如圖4所示的載人“潛水飛機(jī)”概念機(jī)，用于突襲敵方海岸或其他軍事目標(biāo)[19]。飛行潛航器整合了多種無(wú)人系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，能夠更加高效、可靠的獨(dú)立完成偵察、監(jiān)視、警戒等任務(wù)。當(dāng)作為一種獨(dú)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(diǎn)，能夠利用水、空介質(zhì)物理割裂，通過(guò)在水、空介質(zhì)間跳躍飛行/航行，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(dāng)作為一種偵察平臺(tái)時(shí)，飛行潛航器能夠完成像海洋巡邏，潛艇魚(yú)雷探測(cè)等任務(wù)。

圖4 美國(guó)潛水飛機(jī)及其工作示意圖

2 可變體飛行器技術(shù)研究

由以上分析可以知道，變體飛機(jī)在不同的飛行環(huán)境下和執(zhí)行不同的飛行任務(wù)時(shí)可以改變自身外形，以獲得最佳的氣動(dòng)性能。通常改變機(jī)翼形狀是最常見(jiàn)、使用最多的變體模式，下面將分析各種機(jī)翼變形技術(shù)優(yōu)劣性，并進(jìn)行評(píng)價(jià)：

2.1 變后(前)掠技術(shù)

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(shè)計(jì)，在起飛、著陸和巡航階段時(shí)，機(jī)翼在小后掠角位置，既能縮短起飛及著陸的距離，同時(shí)又能減少油耗增加巡航時(shí)問(wèn)；在加速階段時(shí)，機(jī)翼在大后掠角位置，減小高速阻力。

可變前掠翼導(dǎo)彈和可變后掠翼導(dǎo)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(xiàng)價(jià)值410萬(wàn)美元的“可變體戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈(Morphing Tomahawk Cruise Missile)”研究項(xiàng)目[20]，如圖6所示，目標(biāo)是使導(dǎo)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(biāo)，如果戰(zhàn)況有變，可恢復(fù)高速飛向另一個(gè)空域執(zhí)行任務(wù)。實(shí)現(xiàn)彈翼變體能力是該項(xiàng)目的前提，由此導(dǎo)彈才能夠適應(yīng)更大的速度范圍，在更大的空域和速域內(nèi)飛行。

圖5 可變前掠翼導(dǎo)彈和可變后掠翼導(dǎo)彈

圖6 可變體戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈

2.2 變展長(zhǎng)技術(shù)

大展長(zhǎng)的機(jī)翼有良好的減阻增程性能和動(dòng)力效率，但是缺乏機(jī)動(dòng)性，并且適用的巡航速度比較低。相反，小展長(zhǎng)的飛機(jī)雖然氣動(dòng)效率差，但是有快速的大機(jī)動(dòng)能力[21]。

2004年，Jae-Sung Bae等人研究了一種與“戰(zhàn)斧”外形類(lèi)似的可變翼展(Variable-Span Morphing Wing, VSMW)巡航導(dǎo)彈的氣動(dòng)及氣彈特性[22]，圖7所示為該導(dǎo)彈示意圖，其彈翼為固定翼盒嵌套活動(dòng)翼段，活動(dòng)翼段為矩形，可在固定翼盒中受控伸縮，可變范圍為原展長(zhǎng)的50%。其研究結(jié)果表明，該可變翼展導(dǎo)彈亞聲速飛行時(shí)，兩翼翼展對(duì)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(duì)稱變化，則其產(chǎn)生的橫滾力矩遠(yuǎn)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(dǎo)彈示意圖

2.3 傾斜翼變體構(gòu)型

與可變翼展彈翼研究幾乎同步，美研究人員對(duì)傾斜彈翼(Oblique Wing)巡航導(dǎo)彈方案進(jìn)行了探索[23]。低速時(shí)導(dǎo)彈的彈翼與彈身垂直，外形類(lèi)似巡航導(dǎo)彈；高速時(shí)導(dǎo)彈的彈翼旋轉(zhuǎn)至與彈身平行的位置，外形類(lèi)似于彈道導(dǎo)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(duì)傾斜彈翼布局翼-身組合體在彈翼旋轉(zhuǎn)變體過(guò)程中的氣動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)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(jié)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(guò)程中，當(dāng)斜掠翼處于小斜掠角位置時(shí)，彈翼結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象；而處于大斜掠角位置時(shí)，由于左右兩側(cè)彈翼不對(duì)稱，導(dǎo)彈的操縱會(huì)出現(xiàn)明顯的滾轉(zhuǎn)-偏航和滾轉(zhuǎn)-俯仰耦合現(xiàn)象，這對(duì)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(shí)用的斜掠翼巡航導(dǎo)彈還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走。

2.4 其他形式變體構(gòu)型

至2007年，西北工業(yè)大學(xué)叢延、徐敏等人基于前后翼聯(lián)結(jié)思想，提出一種組合變形翼巡航導(dǎo)彈概念[25]，其外形示意圖如圖9所示，完成了氣動(dòng)外形總體設(shè)計(jì)和不同頭部、彈身、尾部組合體的氣動(dòng)特性數(shù)值模擬，分析了隱身性能，并綜合考慮氣動(dòng)、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(shè)計(jì)，稱為箱式發(fā)射無(wú)人機(jī)[26]，其變體設(shè)計(jì)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(zhuǎn)軸連接，可以實(shí)現(xiàn)最大180°的旋轉(zhuǎn)。前翼和后翼的翼根連接在機(jī)身腹部的導(dǎo)軌上，可以在導(dǎo)軌上移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。前翼的后緣能夠張開(kāi)夾住后翼，后翼安排機(jī)翼的操縱面。

上述兩種變體方案都通過(guò)聯(lián)結(jié)翼的前后滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同任務(wù)階段后掠角、前掠角、翼展、展弦比和翼面積的適應(yīng)性改變，充分發(fā)揮了變體技術(shù)在氣動(dòng)方面的優(yōu)越性。

2011年，南京理工大學(xué)許兆慶，吳軍基等人對(duì)“鉆石背”彈翼[27-28](Diamond Back Wing)進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一類(lèi)巡飛彈扇式折疊翼結(jié)構(gòu)[29](Fan Style Folding Wing)，其示意圖如圖11所示，該彈翼前、中、后翼?xiàng)l結(jié)構(gòu)呈扇骨式分布，通過(guò)鉸鏈連接，其氣動(dòng)性能和彈翼強(qiáng)度、剛度等方面得到一定改善。

圖9 組合變形翼巡航導(dǎo)彈外形示意圖

圖10 箱式發(fā)射無(wú)人機(jī)變體設(shè)計(jì)示意圖

圖11 巡飛彈扇式折疊翼示意圖

在應(yīng)用卷弧翼進(jìn)行氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)方面，西北工業(yè)大學(xué)郭慶亮等[30]研究了異形卷弧翼相對(duì)于彈身的安裝位置角和安裝偏角對(duì)組合體縱向超聲速氣動(dòng)特性的影響。中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所崔凱，楊國(guó)偉等研究了圖12所示的高超聲速弧形翼導(dǎo)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(shè)定狀態(tài)時(shí)，弧形翼自動(dòng)張開(kāi)，成為帶翼導(dǎo)彈，其外形示意圖如圖12(b)所示。

從公開(kāi)的研究成果看，國(guó)內(nèi)在導(dǎo)彈上應(yīng)用變體技術(shù)的方案設(shè)想多為傳統(tǒng)的機(jī)械式結(jié)構(gòu)變體，以理論分析和數(shù)值模擬研究為主，類(lèi)似NASA、DARPA等機(jī)構(gòu)[32-34]所進(jìn)行的風(fēng)洞試驗(yàn)很少。從發(fā)展趨勢(shì)看，應(yīng)用新型智能材料、作動(dòng)器和傳感器的柔性變體技術(shù)是未來(lái)的發(fā)展方向[35-36]，其優(yōu)點(diǎn)是能夠適應(yīng)不同的飛行條件，擴(kuò)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(shù)對(duì)于導(dǎo)彈這類(lèi)彈翼薄、翼載大的平臺(tái)的適用性迄今還沒(méi)有得到論證。

圖12 一種高超聲速弧形翼導(dǎo)彈外形示意圖

3 變體導(dǎo)彈新發(fā)展——跨介質(zhì)變體航行器

跨介質(zhì)航行器是指某一物體多次循環(huán)交替實(shí)現(xiàn)在水空介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)，它不同于單次水空介質(zhì)“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(zhì)變體航行器集飛機(jī)、水面艦艇、潛艇等多重功能于一身，充分利用三種平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，與只能在單一介質(zhì)內(nèi)運(yùn)動(dòng)的飛行器和潛航器相比，跨介質(zhì)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(shù)與航海技術(shù)的大融合，能夠完成水空介質(zhì)交叉的任務(wù)類(lèi)型。

近幾年，國(guó)內(nèi)學(xué)者也積極開(kāi)展相關(guān)研究。廖保全[3]提出了一種通過(guò)兩次折疊彈翼改變外形實(shí)現(xiàn)水空介質(zhì)跨越的航行器平臺(tái)，兼顧空中突防速度快和水中突防隱蔽性好的特點(diǎn)。在水中航行時(shí)，采用類(lèi)似魚(yú)雷的外形，在空中飛行時(shí)，采用類(lèi)似反艦巡航導(dǎo)彈的外形。這種折疊方式減小了彈翼折疊過(guò)程中機(jī)體重心的變化，降低了出水控制難度，如圖13所示。張佳強(qiáng)[39-40]探索研究了一類(lèi)潛-飛兩棲新概念導(dǎo)彈，并提出了一種基于共形半環(huán)翼布局的潛-飛兩棲導(dǎo)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(dǎo)彈方案

跨介質(zhì)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(fù)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(zhì)的任務(wù)類(lèi)型，在軍事或民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景

4 結(jié)論

傳感器技術(shù)、材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和控制科學(xué)等領(lǐng)域取得的進(jìn)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(lǐng)域發(fā)展。應(yīng)用變體技術(shù)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(wù)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)工程，涉及空氣動(dòng)力學(xué)、動(dòng)力學(xué)建模控制、智能材料技術(shù)、傳感器和驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)等學(xué)科領(lǐng)域。我國(guó)在這一領(lǐng)域已經(jīng)取得了較大的成果，但研制出具有工程實(shí)用價(jià)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51779263)

馮金富(1964—),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事跨介質(zhì)航行器研究。

陳國(guó)明(1994—)，男，碩士研究生，主要從事跨介質(zhì)航行器研究。

10.11809/scbgxb2017.12.048

本文引用格式：馮金富，陳國(guó)明，張萌.變體技術(shù)在兵器設(shè)計(jì)上的應(yīng)用[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，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(zé)任編輯楊繼森)