[发明专利]具有冗余气动布局的乘波飞行器及其操控方法

说明书

技术领域

本发明属于乘波飞行器的总体结构设计技术领域，尤其涉及一种具有冗余气动布局的乘波飞行器及其操控方法。

背景技术

气动布局设计是滑翔式飞行器设计的基础。在高超声速条件下，乘波构型具有较好的气动力性能，成为突破传统飞行器高超声速飞行面临的“升阻比屏障”的一种有效尝试。然而，理想乘波构型没有任何姿态调节的操纵机构，在滑翔式飞行器气动布局设计过程中，需要对理想乘波构型进行修形处理。

经过我们的分析发现，现有乘波飞行器的气动布局仅在理想乘波构型的基础上，对边缘进行了适当钝化修形，并配合以底部平面的小喷管进行姿态操控。这样的布局设计，使得乘波飞行器虽然在整体构型上偏离理想乘波构型较小，具有较好的气动力性能，但在防热系统设计上面临较大挑战。与此同时，由于现有乘波飞行器进行姿态控制的手段十分有限，其控制系统的鲁棒性差，在操控能力上存在缺陷。此外，由于现有乘波飞行器的俯仰阻尼小，其俯仰通道很容易失稳。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、气动力性能优异、操控性好、鲁棒性强、可实现阻尼调节的具有冗余气动布局的乘波飞行器，还提供一种简单易行的该乘波飞行器的操控方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种具有冗余气动布局的乘波飞行器，该乘波飞行器是以理想乘波构型为前体，所述乘波飞行器的尾部两侧设有可转动的全动控制舵，所述乘波飞行器的尾部上、下表面均开设有可转动的嵌入式控制面，所述乘波飞行器的底面两侧分别开设有两组斜切喷管。

上述本发明的技术方案，通过将多种控制部件运用到基于乘波构型设计的气动布局中，不同控制部件之间进行相互组合，可以形成多种控制手段；根据该布局三通道（含俯仰、偏航、滚转）在不同飞行阶段（包括飞行高度、飞行速度等差异）姿态控制系统的需求，可以采用不同的组合控制手段以实现对乘波飞行器姿态最有效、最优化地控制。

上述的具有冗余气动布局的乘波飞行器中，优选的，所述全动控制舵包括左全动舵和右全动舵，所述左全动舵和右全动舵沿所述乘波飞行器的中平面呈对称布置；所述乘波飞行器尾部的两侧设有两个与中平面基本平行的安装平面（该安装平面是通过削去理想乘波构型后部最外两侧的两个类三棱锥体后得到），所述全动控制舵的安装转轴垂直于安装平面装设。所述左全动舵和右全动舵能够绕各自的安装转轴转动。当左全动舵和右全动舵进行同向偏转（即左全动舵和右全动舵绕各自的安装转轴同时进行顺时针或逆时针偏转）相同角度时，可实现对乘波飞行器的俯仰通道的控制；当左全动舵和右全动舵进行差动偏转（即左全动舵和右全动舵绕各自的安装转轴同时朝相反方向偏转）相同角度时可实现乘波飞行器滚转通道的控制；当偏转角度不同时，由于受力不对称，对俯仰、偏航和滚转通道都会有影响，可以实现对乘波飞行器的滚动和偏航控制。所述全动控制舵的控制舵面的面积大小、形状和安装位置一般与所选取的乘波构型具体形状参数以及所需要的设计性能相关，本领域技术人员可以通过气动设计方法进行计算确定。

作为对上述技术方案的进一步改进，所述乘波飞行器上表面的中后部开设有两个类三棱锥状的上凹槽（通过在理想乘波构型上表面靠近后缘和外侧的位置进行修形，削成两个对称式平台），所述乘波飞行器下表面的中后部开设有两个类三棱锥状的下凹槽（通过在理想乘波构型下表面靠近后缘和外侧的位置进行修形，削成两个对称式平台），所述上凹槽和下凹槽的尾部均设有嵌入式控制面，所述上凹槽、下凹槽和嵌入式控制面均沿所述乘波飞行器的中平面呈对称布置。更优选的，所述嵌入式控制面位于可转动的三棱柱体上，所述三棱柱体的旋转轴沿垂直于所述中平面的方向装设在所述上凹槽和下凹槽中。所述三棱柱体的底面优选平行于所述中平面，所述旋转轴与三棱柱体的一条侧棱相邻并平行。

在上述优选的技术方案中，所述嵌入式控制面的旋转角度受来流状态和对称式平台角度等参数约束。上凹槽中对称设置的两个嵌入式控制面或下凹槽中对称设置的两个嵌入式控制面在同方向偏转相同角度时，可实现乘波飞行器俯仰通道的控制；而差动偏转时，则可实现对乘波飞行器俯仰、偏航和滚转通道的控制；当上凹槽中的嵌入式控制面向上偏转，而下凹槽中的嵌入式控制面向下偏转时，则可增大乘波飞行器气动布局的阻尼，改善理想乘波构型阻尼小的缺陷；当偏转角度不同时，由于受力不对称，对俯仰、偏航和滚转通道都会有影响。