高速飛行器折疊翼/舵設計技術與進展研究

陳克 金玲 雷豹 王聰偉 聶青

（1 北京宇航系統工程研究所，北京 100076；2 中國運載火箭技術研究院，北京 100076）

0 引言

高速飛行器是快速精確打擊體系發展的重要標志，而折疊翼/舵是高速飛行器領域目前的研究熱點。高速飛行器采用折疊翼/舵具有的重要意義：滿足發射平臺對翼/舵的橫向尺寸約束，滿足飛行剖面中不同飛行段對控制能力的不同需求，提升平臺裝載能力，形成多平臺適裝性，便于地面勤務處理，因此折疊翼/舵應用需求迫切。

高速飛行器在復雜環境下的快速起控過程[1]和高性能飛行對折疊翼/舵設計技術提出了新的挑戰。高速飛行器在執行起控動作時，折疊翼/舵在大動壓高負載環境中自動快速展開并可靠鎖緊成整體；高速飛行器在飛行時，折疊翼/舵作為一個整體在大載荷高熱流環境中承受嚴酷力熱耦合作用[2]。當前高速飛行器折疊翼/舵設計面臨難以集折疊與防熱功能于一體的問題。傳統的高速飛行器翼/舵采用金屬骨架蒙皮外加復合材料防熱套的結構形式，其中前者和后者分別實現承載和防熱的功能，鑒于連接、轉動部位的熱密封、熱匹配性能難以保證，該結構形式不適用于分體結構，無法滿足折疊需求。傳統的折疊翼/舵無熱防護措施或防熱結構，普遍應用于低速領域，在低速領域的工程應用和理論研究較為成熟，但截至目前尚未應用于高速領域且缺乏相關研究。因此針對高速飛行器的飛行剖面，亟須探索新型的折疊翼/舵設計方法，實現折疊翼/舵在大動壓高負載條件下展開及鎖緊、在大載荷高熱流條件下防熱和承載的功能需求。

1 折疊翼/舵總體設計技術

1.1 工作時序

首先明確高速飛行器折疊翼/舵的工作時序：飛行器在無起控需求時，折疊翼/舵處于初始折疊鎖緊狀態→飛行器需要起控時，電氣系統在t1時間內接通供電→初始折疊解鎖反饋信號接通，折疊翼/舵在t2時間內完成解鎖、展開及鎖緊動作，到位展開鎖緊反饋信號接通→折疊翼/舵處于到位展開鎖緊狀態，飛行器起控以穩定姿態，通過擺舵實現控制，如圖1所示。因此折疊翼/舵主要經歷三個階段：1）起控前的初始折疊鎖緊狀態；2）起控段的解鎖、展開及鎖緊過程；3）起控后的到位展開鎖緊狀態。

圖1 折疊翼/舵工作時序 Fig.1 The work order of folding wing/rudder

1.2 總體設計流程

基于折疊翼/舵的工作階段，總結其總體設計流程。折疊翼/舵系統作為一套多功能系統，涉及的專業領域十分廣泛，其總體設計流程是多學科耦合設計的過程，如圖2所示。

圖2 折疊翼/舵總體設計流程 Fig.2 The overall design process of folding wing/rudder

1.2.1 折疊展開和解鎖/鎖緊機構設計路線

1）根據飛行剖面，進行全程穩定飛行控制能力需求分析，提出控制力需求；2）根據控制力需求，進行翼/舵面外形尺寸設計；3）根據發射平臺空間包絡、翼/舵面外形尺寸等約束，確定翼/舵的折疊展開方向；4）進行不同折疊展開方向條件下的動翼/舵面載荷特性分析，為折疊展開方向設計提供指導；5）進行無控過程氣動特性分析；6）根據無控過程的氣動特性和運動參數，進行初始起控特性分析，并進行相關時序設計，提出折疊翼/舵展開時間要求；7）基于以上內容，開展折疊展開和解鎖/鎖緊機構詳細設計、機構運動仿真分析；8）根據設計方案，開展解鎖、展開、鎖緊試驗。

1.2.2 翼/舵面結構設計路線

1）根據飛行剖面，進行飛行熱環境分析；2）基于翼/舵面的熱環境，開展翼/舵面三維傳熱分析；3）根據翼/舵面傳熱分析結果，開展翼/舵面防熱形式與材料的選擇；4）基于以上內容，開展翼/舵面結構詳細設計、結構強度和剛度仿真分析、結構動特性和氣動彈性仿真分析；5）根據設計方案，開展靜力、靜熱、動特性、氣動彈性、力熱聯合試驗。

1.2.3 迭代設計過程

經過以上設計、分析、優化、試驗的迭代過程，在結果滿足技術指標要求后，進行氣動、起控特性詳細分析，滿足起控要求后，設計方案閉環。

1.3 關鍵設計技術

根據高速飛行器折疊翼/舵在工作時序中主要經歷的三個階段，梳理其總體設計主要涉及以下關鍵技術：展開過程氣動載荷設計、折疊展開和解鎖/鎖緊機構設計、翼/舵面結構設計。

1.3.1 展開過程氣動載荷設計

折疊翼/舵在飛行器需要起控時展開，展開過程中翼/舵所受氣動載荷較大且變化規律復雜[3]，應根據定常氣動特性計算和起控過程姿態仿真，結合定常和非定常氣動特性計算差異性評估，進行不同折疊展開方向、角度和不同初始舵偏角條件下的氣動特性分析，完成展開過程氣動載荷優化。展開過程氣動載荷是后續機構詳細設計的關鍵初始條件，直接影響折疊翼/舵的解鎖、展開及鎖緊過程。

1.3.2 折疊展開和解鎖/鎖緊機構設計

折疊翼/舵解鎖、展開及鎖緊過程受到氣動力和摩擦力的綜合作用，要求折疊展開機構擁有合理的驅動能力，保證動翼/舵展開時間達到預定要求并對定翼/舵造成的沖擊盡可能小，因此折疊展開機構采用扭簧等彈性元件或以小過載火工作動筒為代表的火工裝置。平臺空間包絡一般約束動翼/舵折疊角度超過100°，要求彈性元件扭轉相應折疊角度不失效，但驅動能力與折疊角度的設計存在相互約束，大驅動力要求彈性元件整體長度小、剛度大，大折疊角度要求彈性元件整體長度大、剛度小。此外折疊展開機構的存在使折疊軸部分直徑加粗和長度增長，超出理論外形，因此應合理設計和優化彈性元件的材料、截面、長度和預扭轉角度，在驅動能力和折疊角度之間尋求協調，實現機構小型化，降低折疊展開機構對氣動外形的不利影響。火工裝置主要的設計技術指標有工作時間、作動行程、藥室裝藥量、燃氣壓力、產品尺寸、沖擊過載、阻尼形式，須在結構空間的限制下保證沖擊過載盡可能小，降低火工裝置作動對翼/舵的不利影響。

初始和到位鎖緊機構一般為插銷結構，如采用以彈簧驅動的彈簧銷鎖緊機構，由鎖緊銷、彈簧、螺母組成，通過彈簧壓縮儲能為鎖緊銷提供動能，鎖緊銷在動翼/舵展開到位時插入動翼/舵實現鎖緊，彈簧仍處于壓縮狀態，提供預緊力防止解鎖，螺母用于固定彈簧以調節彈簧初始長度，保證可靠的工作范圍。初始鎖緊機構的解鎖方案主要有兩種，一種解鎖方案為聯動解鎖，利用伺服機構預置動作使插銷解鎖，但增加解鎖時間和結構復雜性；另一種解鎖方案為火工拔銷器解鎖，但增加多路火工品及電纜連接且帶來較大沖擊。

折疊展開和解鎖/鎖緊機構是折疊翼/舵設計技術的核心，應在機構運動仿真的基礎上，結合空載/風洞展開試驗，驗證解鎖、展開和鎖緊能力，獲取運動參數并分析氣動力和摩擦力的影響，為機構的迭代設計提供依據。

1.3.3 翼/舵面結構設計

翼/舵面結構設計包含熱防護設計和結構優化。數據表明，當飛行器飛行速度達Ma5時，翼/舵將要承受650～750℃的高溫[4]，達Ma8時翼/舵前緣駐點溫度將會超過1200℃[5]。針對力熱耦合環境下的折疊翼/舵，開展熱防護方案選擇，從工藝技術、占用空間、結構重量、經濟成本等角度進行綜合對比評估，保證大面積和局部熱防護、間隙熱密封和不同材料之間的熱匹配。此外，在一定約束條件下實現重量或力學特性等指標最優的結構優化，并開展折疊翼/舵靜力、靜熱、力熱聯合等環境試驗，考核其對飛行環境的適應性。

2 折疊翼/舵結構設計技術

2.1 結構設計通用指標體系

基于高速飛行器折疊翼/舵總體設計技術，建立其結構設計通用指標體系，如圖3所示，對其結構設計流程形成參考指導。

圖3 折疊翼/舵結構設計通用指標體系 Fig.3 The structure design common indicator system of folding wing/rudder

2.2 結構設計流程

基于高速飛行器折疊翼/舵總體設計流程和結構設計通用指標體系，總結折疊翼/舵結構設計流程，如圖4所示。

圖4 折疊翼/舵結構設計流程 Fig.4 The structure design process of folding wing/rudder

2.2.1 結構設計及分析路線

根據外形尺寸、飛行熱環境、折疊展開結構布局、展開到位后氣動載荷等要求，開展翼/舵面及防熱結構詳細設計、結構強度和剛度仿真分析、結構動特性和氣動彈性仿真分析，并結合靜力、靜熱、動特性、氣動彈性、力熱聯合試驗，驗證設計方案的載荷與環境適應性、功能滿足性，確定展開鎖緊時間和展開不同步性，根據仿真與試驗結果開展耦合迭代設計，優化翼/舵面及防熱結構、折疊展開結構布局、鎖緊機構、材料選擇等，形成在一定約束條件下較優的翼/舵面結構設計方案。

2.2.2 機構設計及分析路線

根據空間包絡、外形尺寸、展開過程氣動載荷、解鎖展開鎖緊時間等要求，開展折疊展開和解鎖/鎖緊機構詳細設計、機構運動仿真分析，并結合空載/風洞展開試驗，驗證設計方案的功能滿足性、載荷與環境適應性，確定展開鎖緊時間和展開不同步性，根據仿真與試驗結果開展耦合迭代設計，優化折疊展開和解鎖/鎖緊機構、翼/舵面外形尺寸、折疊展開結構布局、展開過程氣動載荷等，形成在一定約束條件下較優的折疊展開和解鎖/鎖緊機構設計方案。

2.3 仿真分析和試驗

2.3.1 有限元仿真分析和力/熱試驗

a）折疊翼/舵的防熱和承載性能有限元仿真，用于分析其結構形式在大載荷高熱流環境中的傳熱特性和承載能力，從結構和整體的角度分析結構設計合理性，為詳細的結構、機構設計和相關的力/熱試驗提供理論參考。

b）折疊翼/舵相關的力/熱試驗主要包含靜熱試驗、靜力試驗和力熱聯合試驗，折疊翼/舵的靜熱試驗旨在考核其防熱材料和結構對高溫環境的適應性，并對前緣、折疊轉軸、活動部位等關鍵區域的熱環境適應性裕度進行摸底，以及校準傳熱有限元仿真分析模型。折疊翼/舵的靜力試驗旨在考核其在氣動載荷工況下的強度和剛度，并獲得其在氣動載荷工況下的應力分布、在氣動載荷工況下的變形規律，以及校準靜力有限元仿真分析模型。

折疊翼/舵的力熱聯合試驗旨在考核其在飛行力熱環境下的整體強度和剛度、在飛行力熱環境下的整體變形匹配性能、生產和制造工藝是否滿足結構承載的要求，并獲得其在飛行力熱環境下的整體溫度分布、在飛行力熱環境下的整體變形規律。

2.3.2 虛擬樣機仿真分析和空載/風洞展開試驗

a）折疊翼/舵的解鎖、展開及鎖緊過程虛擬樣機仿真，用于分析其結構形式在大動壓高負載環境中，不同氣動和摩擦作用工況條件下的動態特性和運動規律，從機構和分體的角度分析結構設計合理性，為詳細的結構、機構設計和相關的空載/風洞展開試驗提供理論參考。

b）折疊翼/舵的空載展開試驗旨在驗證其機構設計方案的合理性、展開到位后鎖緊功能的可靠性、展開到位后結構強度是否滿足設計要求，并獲得其在空載條件下的展開時間、展開角速度、到位沖擊等參數，以及校準解鎖、展開及鎖緊過程虛擬樣機仿真分析模型。折疊翼/舵的風洞展開試驗旨在考核其在氣動阻礙作用下展開的能量裕度及展開時間、在氣動促進作用下展開到位的鎖緊性能及結構強度，并對其在極限氣動阻礙作用下展開的能量裕度、在極限氣動促進作用下展開的鎖緊性能及結構強度進行摸底，以及獲取動態過程的沖擊環境參數，為結構、機構的改進優化設計與伺服系統等相關系統的結構設計提供依據。

3 關鍵設計技術的研究現狀及發展趨勢

3.1 展開過程氣動載荷設計

目前該領域取得的研究成果集中于對特定展開過程進行氣動載荷分析，缺少對不同折疊展開方式的氣動載荷進行對比分析，進而形成迭代設計的優化研究。

Y.Yuan等[6]采用非定常CFD方法對折疊翼動態展開過程進行了數值模擬，研究了折疊角度、角速度、角加速度的時間歷程，確定了翼面氣動載荷大小和變化規律，為折展機構的設計提供了輸入條件；李東等[7]采用風洞試驗方法給出了折疊舵展開過程中的氣動載荷，并采用CFD仿真方法對折疊舵受載進行了流場分析，明確了折疊舵展開過程受載變化的機理；秦永明等[8]通過風洞試驗研究了折疊舵展開過程中展開角、馬赫數、側滑角對動舵氣動特性特別是折疊軸扭矩的影響；劉森等[9]通過風洞試驗方法研究了折疊舵不同折疊角度下動舵的氣動載荷變化規律；蔣坤等[10]介紹了高速風洞試驗方法與測試設備，形成了折疊舵展開過程試驗技術，并將其有效的應用于對折疊舵氣動特性隨氣流參數、折疊角度的變化規律的研究中；單繼祥等[11]采用數值模擬方法研究了低速條件不同狀態下折疊翼的氣動特性，分析了折疊翼展開過程及各因素對展開運動特性的影響；范國芳等[12]對折疊翼采用定常和非定常數值模擬方法進行了展開過程氣動載荷分析，前者研究展開角、來流參數對動翼氣動力的影響，后者研究動翼展開過程的載荷情況，分析了非定常效應對氣動載荷的影響。

基于改善展開過程中的大動壓高負載環境考慮，區別于傳統對折的翼/舵面反折等新方式、不同于傳統零舵偏的舵面預置舵偏角等新布局將逐漸應用，以大幅降低折疊翼/舵展開過程氣動載荷做功，利于折疊翼/舵的結構、機構設計。

3.2 折疊展開和解鎖/鎖緊機構設計

目前該領域已取得了一定研究成果，但集中于低速飛行器折疊翼/舵，此時折展機構驅動能力普遍較小、不具備初始鎖緊機構、對初始解鎖至到位鎖緊時間要求較低，缺少對高速飛行器折疊翼/舵機構設計的研究。俞渭良等[13]對某折疊舵進行了設計，展開機構由扭簧、扭桿、轉軸和扭頭組成，鎖緊機構由鎖銷、壓縮彈簧和止動螺釘組成；李雙江[14]對折疊翼進行了設計，內翼與外翼通過扭桿套筒連接，外翼由扭桿套筒內的扭桿驅動展開，展開到位后縱向和軸向鎖緊均通過彈簧驅動的鎖緊銷實現；曾清香[15]對折疊翼進行了設計，展開機構由扭片、轉軸和定位銷組成，鎖緊機構由套筒、前鎖銷、后鎖銷、彈簧、螺桿和擋塊組成，并進行了理論計算、仿真分析和工程試驗；蔡德詠等[16]建立了折疊翼驅動扭簧的優化模型，通過退火算法對扭簧進行了參數優化和數值仿真，并通過動力學仿真進行了驗證；甄文強等[17]設計了具有軸向和展向鎖緊機構的折疊翼，分析了折疊翼驅動扭桿的截面形式和設計參數對性能的影響，以扭桿總質量為目標函數建立了扭桿的優化設計模型，對扭桿進行了參數優化并得到了理想參數，考慮展開過程中氣動阻力和摩擦力的作用建立動力學模型，從理論、仿真和試驗三方面進行了驗證。

隨著后續材料和工藝技術水平的不斷發展，為適應動態過程中的大動壓高負載環境和產品的長期貯存環境，具有形狀記憶效應、超彈性和高阻尼性的形狀記憶合金等新型特殊功能材料將逐漸應用，以具備合理的解鎖、展開及鎖緊能力，并擁有良好的可靠性、貯存性、重復使用性。

3.3 翼/舵面結構設計

目前該領域已經取得的研究成果較少，以改善力學特性為目標的結構優化設計為主，缺少對力熱耦合環境下飛行的折疊舵的結構設計與分析。

王曉慧等[18]利用連續體拓撲優化技術對折疊翼進行了結構優化，以結構應變能最小為目標，通過優化翼梢單元相對密度和蒙皮厚度得到了最優結構拓撲形式，并進行建模和分析驗證強剛度滿足要求；陳明鳳等[19]針對折疊舵的氣動彈性問題，在重量基本不變的前提下，以提高顫振速度為目標對舵面結構進行了拓撲優化設計；侯政等[20]為改善折疊舵在高速飛行過程中的顫振特性，將流固耦合問題從結構動力學問題簡化為靜力學模型，利用拓撲優化技術得到了擁有更大顫振臨界速度的折疊舵結構；李雙江等[21]對折疊翼進行了輕量化設計，以展開時間和翼梢撓度限制為約束，在面積不變的條件下通過改善結構參數進行了質量優化；鄧怡超等[22]對折疊舵采用建立連接結構的方法將銷釘的連接剛度考慮在內，對折疊舵進行了模態分析和動態響應仿真，并設置均勻低溫度場300℃分析了熱對折疊舵力學特性的影響。為適應飛行過程中的大載荷高熱流環境，防熱承載一體化碳化硅陶瓷基復合材料等新型熱結構材料、輕質高強的耐高溫金屬拓撲結構等新型結構將逐漸應用，以有效應對折疊翼/舵飛行過程中惡劣的力熱耦合環境。

4 結束語

折疊翼/舵設計技術是未來高速飛行器發展的關鍵技術，可有效提升飛行器的技術指標和滿足飛行器的功能性能要求，以應對飛行器在復雜環境中的應用，高速飛行器折疊翼/舵設計技術相比傳統飛行器更加復雜。為完善高速飛行器折疊翼/舵設計技術理論體系，對于兼具折疊展開、解鎖鎖緊功能和熱防護能力的折疊翼/舵結構形式仍需開展深入研究，還應重視多學科、多專業、多維度的交叉研究，如折疊展開方向及布局的氣動-結構-載荷一體化設計與優化等內容，從而推進其工程應用。