[发明专利]一种改善高超声速飞行器横侧向耦合特性的气动布局

说明书

一种改善高超声速飞行器横侧向耦合特性的气动布局，采用该设计的面对称高升阻比气动布局包括机翼(1)、机身(2)、V尾(3)、V尾后缘舵(4)、机翼后缘舵(5)以及腹鳍(6)。机翼(1)对称安装在机身(2)下方，V尾(3)对称安装在机身(2)后部上方，腹鳍(6)安装在机身(2)底部后方；机翼(1)后缘分别安装机翼后缘舵(5)；V尾(3)后缘分别安装V尾后缘舵(4)；机翼后缘舵(5)和V尾后缘舵(4)为飞行器的气动操纵舵面。采用这种气动设计能够非常有效地消除现有气动布局在大攻角下由于滚转操纵耦合效应带来的侧向不稳定性，从而改善大攻角下横侧向的闭环稳定性。

技术领域

本发明涉及一种高超声速飞行器气动布局，能够适用于高超声速飞行。

背景技术

图1为现有的高超声速飞行器气动布局的三维示意图。以乘波体构形为代表的典型高超声速高升阻比面对称飞行器布局主要通过升力方向的变化来改变速度方向，因此纵向变攻角和横向倾侧的能力决定了其纵向和侧向的飞行性能，这就需要对操控布局进行设计，使飞行器具备大攻角范围的操纵能力和敏捷的滚转性能。HIFiRE 4作为首次乘波体气动外形的高超声速飞行试验，在高升阻比构形的操控布局设计和飞行稳定控制方面开展了探索性的研究。HIFiRE 4飞行器采用乘波体布局设计，飞行器包括截短的带有侧板的乘波体机翼，机翼上部的突出部分为机身，侧板在机翼外沿向下延伸。HIFiRE 4的执行机构包括RCS和气动舵，其中RCS仅在高度大于60km的高空使用，当高度降低动压升高时使用气动舵进行姿态控制。气动舵仅包括两片升降副翼，与底面共型并配置在尾部，为后缘舵形式。HIFiRE 4无方向舵，为提供足够的航向稳定性，HIFiRE 4设计了背鳍和侧挡板。但是HIFiRE4飞行器的可控机动飞行试验并没有获得成功。

在HIFiRE 4飞行试验之前，类乘波体飞行器HTV-2在2010年和2011年开展了两次飞行试验，计划在大气层内以最高马赫20的速度滑翔飞行，但均以失败告终。第一次失败的原因是偏航超出预期，并伴随着超出可控范围的滚转。第二次飞行试验降低了飞行攻角，在稳定的气动控制下飞行了3分钟，但在试图拉起时再次与地面失去联系，原因是表层防热材料瓦解破坏了气动外形引发剧烈滚转而失控。

HTV-2的气动操纵布局采用了Flap舵设计，机身后端下方布置有2个襟翼(bodyflap)，尾部有4处RCS喷流装置。HTV-2采用底部喷流(RCS)与气动舵面操纵的复合控制方式。气动控制舵面是位于后体底部左右对称的两片襟翼，只能通过正偏转进行操纵，相同的正偏转角进行俯仰操纵，不同的正偏转差动角则进行横侧向的操纵。

由HTV-2的飞行试验结果可以看出，第一次飞行试验很可能是大攻角下横侧向系统在副翼操纵下失稳造成的，第二次飞行试验降低了飞行攻角而得以改善，但升力也随攻角降低而降低，使得飞行高度降低，带来热环境更为严酷的问题，导致第二次飞行试验失败。

综合HIFiRE 4和HTV-2的设计和飞行试验来看，乘波体和类乘波体高升阻比气动布局的操控特性设计和飞行稳定控制问题仍然没有获得妥善的解决，尤其是大攻角下横侧向的闭环稳定性对乘波体以及类乘波体飞行器来说至关重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种改善高超声速飞行器横侧向耦合特性的气动布局，能够显著改善高超声速飞行器面对称高升阻比布局大攻角下横侧向闭环稳定性。

本发明所采用的技术方案是：一种改善高超声速飞行器横侧向耦合特性的气动布局，包括机翼、机身、V尾、V尾后缘舵、机翼后缘舵和腹鳍；机翼对称安装在机身下方，V尾对称安装在机身后部上方，腹鳍安装在机身底部后方；机翼后缘分别安装机翼后缘舵；V尾后缘分别安装V尾后缘舵；机翼后缘舵和V尾后缘舵为飞行器的气动操纵舵面。

机翼为梯形，两片机翼翼面和机身底面平滑过渡成为一个整体的下翼面。

机翼的前缘形状为直线或曲线，机翼前缘后掠。