高速面對稱飛行器總體抗失控設計方法

李華光, 張 靜, 鄭宏濤, 蔡巧言, 李貴成

(中國運載火箭技術研究院, 北京 100076)

引 言

從早期美國超聲速飛行器發生的失控事故到近期更高速度飛行器的多次失利, 越來越多的證據表明: 隨著飛行速度的提高, 傳統觀念中操穩性良好的保守設計變得不再保險. 傳統只考慮靜穩定性、 舵面配平和操縱能力的穩定性設計方法已難以適應高速面對稱飛行器的設計需求[1]. 高速飛行器面臨更高Mach數的機動飛行過程, 穩定性和有效控制已經成為飛行器速度提升的短板.

高速飛行器設計與傳統的慣性再入飛行器設計有根本性差別. 傳統慣性再入飛行器的流場結構相對簡單, 耦合特性對飛行器總體性能的影響非常小, 往往可以忽略, 通常采用解耦設計得到的可行解即能夠滿足整體性能指標要求, 這也是目前多數飛行器所采用的設計思路. 但是對于更高速飛行器, 其面臨更為復雜的流場結構、 通道間耦合嚴重、 耦合干擾和不確定性影響力與控制力變為一個數量級, 因此不可忽略, 且總體機動性、 航程、 飛行時間等飛行性能要求更高. 上述多種因素限制下, 傳統設計方法體系難以滿足這種更高速飛行器的設計需求[2].

高速飛行器追求高升阻比特性, 氣動構型優先考慮扁平尖外形, 但該構型會給結構布局和防熱設計帶來困難. 同時, 為實現可靠飛行控制、 降低控制難度, 需要盡量提高三通道靜穩定性、 增大舵效、 減小氣動耦合、 降低姿態機……