可變后掠翼技術(shù)發(fā)展與展望

董彥非, 陳元愷, 彭金京

(南昌航空大學(xué) 飛行器工程學(xué)院, 江西 南昌 330063)

0 引言

對(duì)于采用后掠機(jī)翼的超聲速飛機(jī),高速和低速性能要求相互矛盾。大后掠角雖然可以降低激波阻力,有利于跨聲速和超聲速飛行,但是也帶來誘導(dǎo)阻力大、低速特性差的問題[1]。只有變幾何形狀機(jī)翼的飛機(jī)布局,其后掠角在飛行中可以控制,能滿足對(duì)現(xiàn)代超聲速多狀態(tài)飛機(jī)的一系列相互矛盾的要求[2]。

可變后掠翼(或變后掠翼)是指在飛行過程中機(jī)翼后掠角可以隨飛機(jī)飛行高度、速度變化而改變的機(jī)翼。變后掠翼飛機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)在于飛行中可以通過改變機(jī)翼后掠角來改進(jìn)飛機(jī)升力、阻力特性,使飛機(jī)飛行性能在高速、低速都能得到優(yōu)化。

軍用飛機(jī)方面,可變后掠翼戰(zhàn)機(jī)不僅可以解決不同設(shè)計(jì)點(diǎn)氣動(dòng)布局的矛盾、改善飛行器的多功能性,還可以縮短跑道起飛距離、增大航程并且提高其經(jīng)濟(jì)效益和作戰(zhàn)功能；在民用飛機(jī)方面,針對(duì)飛機(jī)在各個(gè)階段不同要求的翼型結(jié)構(gòu)形狀,如果在巡航階段可以改變機(jī)翼后掠角,則在一定程度上可以提高飛機(jī)的升阻比,在相同的航程情況下,可以節(jié)省燃油量,提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 可變后掠翼飛機(jī)發(fā)展歷程

變后掠翼飛機(jī)研究最早可以追溯到20世紀(jì)40年代。早在1944年,德國設(shè)計(jì)的世界上第一架可變后掠翼飛機(jī)梅賽施密特Me P.1101就在紙上成形。然而世界上第一架真正意義上的變后掠翼飛機(jī)是美國貝爾公司的貝爾X-5。第一架X-5在1951年2月15日建造完成,1951年6月20日首飛。由于穩(wěn)定性很差,X-5沒有投入生產(chǎn),但是自X-5以后飛機(jī)變形技術(shù)取得很大的進(jìn)步。第一架服役的可變后掠翼飛機(jī)是20世紀(jì)60年代中后期,美國通用動(dòng)力公司(General Dynamics)研制的一種變后掠翼戰(zhàn)斗轟炸機(jī)F-111土豚(Aardvark)[3]。

20世紀(jì)50年代～70年代,兼顧亞聲速和超聲速飛行成為飛機(jī)設(shè)計(jì)的主題,變后掠翼技術(shù)得到實(shí)用化,這是傳統(tǒng)飛機(jī)變形設(shè)計(jì)的一次革命飛躍。20世紀(jì)六七十年代是變后掠翼技術(shù)發(fā)展的黃金時(shí)期,先后出現(xiàn)了包括F-111系列、B-1b、F-14、蘇-24、蘇-17/20、米格-23、米格-27、圖-22M、圖-160、狂風(fēng)等十幾個(gè)型號(hào)的變后掠翼飛機(jī)。在眾多服役的變后掠翼飛機(jī)型號(hào)中,美國的F-14無疑是技術(shù)最先進(jìn)和最成熟的,其外觀如圖1所示。

圖1 F-14變后掠翼艦載戰(zhàn)斗機(jī)Fig.1 F-14 variable-swept wing carrier fighter

F-14綽號(hào)“雄貓”(Tomcat),是美國格魯曼(Grumman)公司于1968年開始研制的雙座雙發(fā)變后掠翼重型艦載戰(zhàn)斗機(jī),也是當(dāng)時(shí)最成功的變后掠翼飛機(jī)。F-14采用機(jī)載計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)了后掠角從20°到68°的自動(dòng)無級(jí)變化,同時(shí)滿足高速和低速性能要求。

20世紀(jì)六七十年代,我國對(duì)米格-23MC可變后掠翼機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究。南昌飛機(jī)制造廠(現(xiàn)洪都航空工業(yè)集團(tuán))在米格-23MC的基礎(chǔ)上,發(fā)展了一種單發(fā)單座超聲速強(qiáng)擊機(jī)作為強(qiáng)-5和殲-6的共同后續(xù)機(jī),并命名為強(qiáng)-6。

1980年,我國開展了一項(xiàng)大型部級(jí)變后掠翼技術(shù)科研課題。經(jīng)過8年多的努力,這一研究課題在設(shè)計(jì)技術(shù)方面取得了重大突破,成功地解決了可變后掠翼技術(shù)的氣動(dòng)布局(轉(zhuǎn)軸位置、翼型、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等)、機(jī)翼結(jié)構(gòu)優(yōu)化(轉(zhuǎn)軸接頭、三維應(yīng)力計(jì)算、多約束優(yōu)化技術(shù)等)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及飛機(jī)控制系統(tǒng)一系列難題,為強(qiáng)-6的研制奠定了基礎(chǔ)。但是由于可變后掠翼技術(shù)中的某些要求實(shí)現(xiàn)的難度較大,在當(dāng)時(shí)超過了中國的技術(shù)能力水準(zhǔn),加上與之配套的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)遲遲不能定型,不得不導(dǎo)致強(qiáng)-6戰(zhàn)機(jī)下馬,中國的第一種可變后掠翼戰(zhàn)斗機(jī)的嘗試以失敗告終。

由于技術(shù)限制,很多服役的可變后掠翼飛機(jī)存在如超重、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性不高、飛行穩(wěn)定性不佳、操縱復(fù)雜等難題,可變后掠翼研究在20世紀(jì)末期陷入低潮。

近年來,由于材料、智能結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、飛行控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展,美國NASA、國防預(yù)研計(jì)劃局(DARPA)和美國空軍等組織積極重啟并推動(dòng)新型飛機(jī)變形技術(shù)的研究,變后掠翼技術(shù)又迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。

2 變后掠翼技術(shù)分析

可變后掠翼可使飛機(jī)的升力特性和升阻比極大地改善(達(dá)1.5～2.5倍)[2]。飛機(jī)最大升阻比與后掠角關(guān)系如圖2所示[1]。

圖2 最大升阻比與后掠角關(guān)系Fig.2 The relationship between maximum lift-drag ratio and swept angle

從圖中可以看出,亞聲速時(shí),小后掠機(jī)翼氣動(dòng)效率最好;超聲速范圍,大后掠角機(jī)翼具有優(yōu)越性。變后掠飛機(jī)在不同飛行速度均得到較好的氣動(dòng)效率,可以在執(zhí)行任務(wù)的每個(gè)飛行階段都達(dá)到較滿意的性能,這是固定翼飛機(jī)難以達(dá)到的[1]。

變后掠翼帶來的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在:可變后掠翼飛機(jī)在起飛、著陸和低速飛行時(shí),使用較小的后掠角,使機(jī)翼前緣升力增加,機(jī)翼效率提高,而高亞聲速和超聲速飛行時(shí)使用大后掠角,提高了飛機(jī)的加速性能和高速飛行能力。因此可變后掠翼飛機(jī)同時(shí)具有高空高速和低空高速及較佳的高亞聲速巡航飛行能力;航程遠(yuǎn)、續(xù)航能力強(qiáng);起落滑跑距離短、起落性能好。通過機(jī)翼后掠角變化,使飛機(jī)在低速和高速飛行中獲得理想的機(jī)翼前緣升力。

由于變后掠翼飛機(jī)突出的短距起落性能,低空大速度飛行時(shí)有很好的突風(fēng)響應(yīng)特性,在戰(zhàn)斗機(jī)和攻擊飛機(jī)上達(dá)到成熟的變后掠技術(shù)也被引用到重型轟炸機(jī)[1]。典型的包括美國的B-1轟炸機(jī)和前蘇聯(lián)的圖-26和圖-160轟炸機(jī)。

但是,變后掠翼飛機(jī)存在兩個(gè)主要問題:首先機(jī)翼后掠角的改變會(huì)造成氣動(dòng)中心的大幅度變化,這會(huì)給飛機(jī)的穩(wěn)定性帶來惡劣的影響；其次變后掠翼由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜帶來很多問題。為了支持機(jī)翼后掠角的可變,機(jī)翼必須由可變動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。增加了機(jī)身重量,機(jī)翼懸掛點(diǎn)減少,負(fù)載減少,靈活度減少。增加了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜度與固件的數(shù)量,可靠性大幅降低,同時(shí)生產(chǎn)復(fù)雜度和維護(hù)費(fèi)用急劇增加。如F-14戰(zhàn)斗機(jī),先是去掉了副翼,而且其關(guān)鍵部位必須使用不能常規(guī)焊接的鈦合金制造,為了其空氣動(dòng)力性能,甚至使用了類似氣囊的部件來補(bǔ)充機(jī)翼后緣缺失的部分,即使如此其重量還是超過了同類戰(zhàn)機(jī)。從而增加了制造和維護(hù)費(fèi)用。

從以上分析可以看出,變后掠翼技術(shù)本身同時(shí)具有極佳的高速和低速性能。其面對(duì)的主要問題是如何設(shè)計(jì)變后掠的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),使其在保證合理氣動(dòng)中心的條件下簡化機(jī)構(gòu)、降低重量。

3 發(fā)展現(xiàn)狀

變后掠翼技術(shù)經(jīng)歷了二十多年的沉寂之后,在材料科學(xué)與智能控制技術(shù)得到飛速發(fā)展的背景下,近年來發(fā)展起來的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)有望克服過去變后掠翼飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜笨重的缺點(diǎn),充分發(fā)揮其優(yōu)勢。主動(dòng)氣動(dòng)彈性技術(shù)可以大大降低機(jī)翼結(jié)構(gòu)剛度要求;智能材料結(jié)構(gòu)將驅(qū)動(dòng)、傳感、控制和結(jié)構(gòu)融為一體,為結(jié)構(gòu)簡潔、重量輕、可靠性高的智能變形機(jī)翼設(shè)計(jì)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。此外,隨控布局設(shè)計(jì)思想和主動(dòng)控制技術(shù)的最新發(fā)展也為“變翼飛行”提供了相關(guān)技術(shù)支撐。

3.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

2003年,美國國防預(yù)研計(jì)劃局(DAPRA)啟動(dòng)了“變體飛機(jī)結(jié)構(gòu)”(Morphing Aircraft Structures,MAS)項(xiàng)目，再次掀起了“變翼飛機(jī)”設(shè)計(jì)的新浪潮，并資助洛馬公司(Lockheed Martin)和 NextGen 航空公司進(jìn)行該概念驗(yàn)證項(xiàng)目[4-6]。

MAS項(xiàng)目旨在通過飛行中改變飛機(jī)的氣動(dòng)外形使飛機(jī)在執(zhí)行不同任務(wù)或在不同飛行包線時(shí)的飛行性能都保持在最佳狀態(tài)。其長遠(yuǎn)目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種續(xù)航能力比“全球鷹”無人機(jī)更強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性比F/A-22戰(zhàn)斗機(jī)更好的飛機(jī),其中就包括了變后掠翼技術(shù)。NextGen航空公司研制的MFX-2變體飛機(jī)(見圖3)，在加州Camp Roberts軍用試驗(yàn)場進(jìn)行了多次自主飛行中的變形飛行,在5次約10 min的飛行中,該無人機(jī)在保持姿態(tài)與航向以及轉(zhuǎn)彎過程中實(shí)現(xiàn)了機(jī)翼變形。從一種構(gòu)型變形另一種構(gòu)型約需 10 s 時(shí)間。

美國正在研制的可變形飛行器與傳統(tǒng)的飛行器性能指標(biāo)相比希望能夠達(dá)到:機(jī)翼的展弦比可以實(shí)現(xiàn)變化量達(dá)到200%;機(jī)翼面積的變化量達(dá)到50%;機(jī)翼扭轉(zhuǎn)角可以達(dá)到20°;后掠角的變化量為20°。與此同時(shí),新概念下的變體飛行器機(jī)翼在重量上不超過傳統(tǒng)機(jī)翼。

圖3 MFX-2 變體飛機(jī)結(jié)構(gòu)驗(yàn)證無人機(jī)Fig.3 MFX-2 MAS UAV

俄羅斯在再次興起可變后掠翼研究浪潮中也不甘落后。1999年俄羅斯啟動(dòng)了新型轟炸機(jī)的設(shè)計(jì)工作,PAK-DA隱身戰(zhàn)略轟炸機(jī)(設(shè)計(jì)圖見圖4)是俄羅斯研制的新型戰(zhàn)略轟炸機(jī)。其意思解釋為“遠(yuǎn)程航空兵未來航空復(fù)合體”,第一步概念設(shè)計(jì)已經(jīng)在2009年完成,工程師們對(duì)現(xiàn)役3種轟炸機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行了組合,從47個(gè)初始方案中選出4種作進(jìn)一步的分析。整個(gè)研制工作將在2017年結(jié)束,有望從2019年或2020年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。目前可見的幾種設(shè)計(jì)方案中均采用了變后掠翼技術(shù)。

圖4 PAK-DA隱身戰(zhàn)略轟炸機(jī)設(shè)計(jì)圖Fig.4 Design of PAK-DA stealthy strategic bomber

歐盟委員會(huì)的主動(dòng)氣動(dòng)彈性飛機(jī)結(jié)構(gòu)項(xiàng)目(Active Aeroelastic Aircraft Structures,3AS)提出利用機(jī)身的氣動(dòng)彈性變形來提高飛機(jī)效率的設(shè)計(jì)理念。通過不斷地調(diào)整機(jī)翼的形狀,確保飛機(jī)在所有飛行及負(fù)載條件下具有最佳效率[7-8]。

3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

近年來,與世界航空前沿同步的中國可變體飛行器研究得到了積極發(fā)展[9-12]，國家自然科學(xué)基金、航空科學(xué)基金等資助了很多變后掠翼和變體飛行器科研項(xiàng)目。如2009年,中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院的李鋒主持的國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“可變體飛行器氣動(dòng)原理與變形結(jié)構(gòu)力學(xué)研究”以及“近空間高超聲速可變體飛行器氣動(dòng)原理研究”等,帶動(dòng)了國內(nèi)相關(guān)研究的興起。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、南昌航空大學(xué)和中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院等高校和科研單位也在飛機(jī)機(jī)翼變形技術(shù)上積極探索,取得了一些階段性成果。

從2012年開始,南昌航空大學(xué)開展了自適應(yīng)彈性變后掠翼技術(shù)研究,期望通過機(jī)翼彈性變后掠機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),取消結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大的變后掠翼驅(qū)動(dòng)裝置,達(dá)到自動(dòng)根據(jù)飛行馬赫數(shù)或者動(dòng)壓變化(同時(shí)包含速度和高度變化)引起的氣動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)機(jī)翼后掠角改變,從而實(shí)現(xiàn)最佳的高速和低速性能。該研究計(jì)劃在數(shù)值仿真完成之后,基于無人機(jī)平臺(tái)進(jìn)行風(fēng)洞吹風(fēng)和飛行試驗(yàn)。

4 結(jié)束語

變后掠翼技術(shù)從20世紀(jì)50年代發(fā)展到20世紀(jì)80年代,產(chǎn)生了以F-14和圖-160為代表的一系列優(yōu)秀飛機(jī),然而,受限于當(dāng)時(shí)的科技發(fā)展水平(材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制系統(tǒng)等),變后掠翼技術(shù)的發(fā)展遇到了瓶頸。飛機(jī)設(shè)計(jì)師采用了前緣機(jī)動(dòng)襟翼、升力機(jī)身、邊條翼等技術(shù)手段來提高超聲速飛機(jī)在低速飛行時(shí)的升力,雖然這些替代技術(shù)在一定程度上緩解了飛機(jī)兼顧高低速度下的飛行與控制問題,但是與F-14戰(zhàn)機(jī)能在任何飛行狀態(tài)時(shí)改變后掠角來提升飛行性能相比,這些替代技術(shù)對(duì)飛機(jī)飛行性能的改善作用仍很有限。

采用變后掠翼技術(shù)是滿足現(xiàn)代超聲速飛機(jī)一系列相互矛盾要求的保證[2]。作為當(dāng)前研究熱點(diǎn)“飛機(jī)變形技術(shù)”中的一項(xiàng)主要內(nèi)容,可變后掠翼技術(shù)伴隨著材料、控制等技術(shù)發(fā)展,在新的歷史時(shí)期有望實(shí)現(xiàn)重大突破。

然而變后掠翼技術(shù)想取得新的突破,在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,還需要解決以下問題:(1)合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)(驅(qū)動(dòng))機(jī)構(gòu)以簡化變后掠系統(tǒng),解決飛機(jī)超重和可靠性問題;(2)選擇適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)軸位置,合理確定變后掠翼變化范圍以減小氣動(dòng)中心的變化量;(3)綜合考慮性能要求和操穩(wěn)性要求。

針對(duì)變后掠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)重量大、可靠性不理想的問題,除了采用具有自適應(yīng)特點(diǎn)的彈性變后掠機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思想外,近年來迅速發(fā)展的形狀記憶合金(SMA)也為可變后掠翼飛機(jī)的變后掠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提出了新的設(shè)計(jì)思路。形狀記憶合金在外部刺激(熱、電、磁、濕度、光等)作用下會(huì)產(chǎn)生較大的形變,在外部刺激消失后的一定時(shí)間里,又會(huì)恢復(fù)原來形狀。SMA運(yùn)用在機(jī)翼結(jié)構(gòu)中,可以為機(jī)翼變形提供驅(qū)動(dòng)力。利用飛機(jī)飛行時(shí)機(jī)翼受到的阻力及扭轉(zhuǎn)力矩作為驅(qū)動(dòng)力,只要找到飛機(jī)機(jī)翼阻力及扭轉(zhuǎn)力矩隨飛行速度變化關(guān)系,同時(shí)找出飛機(jī)各個(gè)飛行狀態(tài)下的最佳后掠角度,這種自適應(yīng)改變機(jī)翼后掠角的方法也為變后掠翼技術(shù)提供了一種解決思路,是否可行,尚且需要進(jìn)一步的研究。

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