一种改善高超声速飞行器横侧向耦合特性的气动布局制造技术

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。

A aerodynamic layout for improving the lateral and lateral coupling characteristics of hypersonic vehicle

【技术实现步骤摘要】
一种改善高超声速飞行器横侧向耦合特性的气动布局
本专利技术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。
技术介绍
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。HIFiRE4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。HIFiRE4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。HIFiRE4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。HIFiRE4无方向舵，为提供足够的航向稳定性，HIFiRE4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HIFiRE4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HIFiRE4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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。V尾有两片，V尾倾斜安装，两片V尾之间的夹角θ为80°～100°。腹鳍为三角形，后掠角λ大于70°。机翼后缘舵下反，下反角γ为10°～20°。本专利技术与现有技术相比的优点如下：(1)本专利技术采用具有下反特征的后缘舵对俯仰通道和滚转通道进行操纵，能够非常有效地消除常规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。(2)本专利技术采用的腹鳍设计可以在大攻角下提高侧向稳定性，降低滚转稳定性，从而达到改善大攻角下横侧向耦合特性的效果。(3)本专利技术采用的V尾后缘舵可以实现偏航通道的操纵，同时还可以对俯仰通道进行操纵。附图说明图1为现有的高超声速飞行器气动布局的三维示意图。图2为本专利技术的高超声速飞行器三维外形图。图3为机翼后缘舵下反角和V尾夹角示意图。图4为纵向剖面和腹鳍后掠角示意图。图5为本专利技术高超飞行器与现有高超飞行器的侧向稳定性对比图。具体实施方式下面结合实例，说明本专利技术的具体实施方式。如图2～4所示，本专利技术的一种改善高超声速飞行器横侧向耦合特性的气动布局，包括一对机翼1、一个机身2、一对V尾3、一对V尾后缘舵4、一对机翼后缘舵5和一个腹鳍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。根据总体尺寸和装填空间需求生成机身，机身2为半圆柱、半圆锥或者根据容积率需要而设计的任意形状。机翼1为梯形，机翼1位于机身2下方，机翼1的前缘形状为直线或曲线，机翼1和机身2底面可连成一体成为一个整体的下翼面，这种设计可以获得较高的升阻比。两片V尾3固定在机身1后部上方，两片V尾3之间的夹角θ为80°～100°。V尾3能够起到提高侧向稳定性的作用，并且这种作用在较大攻角下仍然能够保持。腹鳍6固定在机身1下方，后掠角λ一般大于70°，腹鳍6可以在大攻角下提高侧向稳定性，降低滚转稳定性，从而达到改善大攻角下横侧向耦合特性的效果。俯仰通道和滚转通道的操纵采用机翼后缘舵5设计，机翼后缘舵5具有下反特征，下反角γ为10°～20°。下反后缘舵5设计能够非常有效地消除常规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。图5对比了本专利技术高超飞行器与现有的类HTV-2高超飞行器的LCDP随攻角变化曲线，LCDP也叫横向操纵偏离参数，是副翼偏转时的偏航稳定性判据，用于预测不利偏航力矩超越偏航静稳定力矩而引起的偏航发散现象，可以反应飞行器在滚转操纵时的横侧向闭环稳定性。在飞行坐标系下(x轴朝前，y轴朝上，z轴朝右)的LCDP静稳定性判定条件为：LCDP<0，静稳定；LCDP>0，静不稳定。从图5可以发现，大攻角下(α>15°)类HTV-2高超飞行器的LCDP大于零，侧向不稳定；而本专利技术高超飞行器的LCDP在计算攻角范围内均保持LCDP小于零，这就说明了本专利技术设计能够改善大攻角下横侧向的闭环稳定性。偏航通道的操纵通过V尾后缘舵4来实现，V尾后缘舵4能够在较大攻角下保持舵效，同时还能够在俯仰通道上进行操纵。本专利技术未详细说明书的部分属于本领域技术人员公知技术。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种改善高超声速飞行器横侧向耦合特性的气动布局，其特征在于：包括机翼(1)、机身(2)、V尾(3)、V尾后缘舵(4)、机翼后缘舵(5)和腹鳍(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。

【技术特征摘要】
1.一种改善高超声速飞行器横侧向耦合特性的气动布局，其特征在于：包括机翼(1)、机身(2)、V尾(3)、V尾后缘舵(4)、机翼后缘舵(5)和腹鳍(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。2.根据权利要求1所述的一种改善高超声速飞行器横侧向耦合特性的气动布局，其特征在于：机翼(1)为梯形，两片机翼(1)翼面和机身(2)底面平滑过渡成为一个整体的下翼面...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈冰雁，徐国武，刘哲，关发明，艾邦成，李锋，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11