陳克 金玲 雷豹 王聰偉 聶青
(1 北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076;2 中國運載火箭技術(shù)研究院,北京 100076)
高速飛行器是快速精確打擊體系發(fā)展的重要標(biāo)志,而折疊翼/舵是高速飛行器領(lǐng)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(fā)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(wù)處理,因此折疊翼/舵應(yīng)用需求迫切。
高速飛行器在復(fù)雜環(huán)境下的快速起控過程[1]和高性能飛行對折疊翼/舵設(shè)計技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。高速飛行器在執(zhí)行起控動作時,折疊翼/舵在大動壓高負載環(huán)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(huán)境中承受嚴酷力熱耦合作用[2]。當(dāng)前高速飛行器折疊翼/舵設(shè)計面臨難以集折疊與防熱功能于一體的問題。傳統(tǒng)的高速飛行器翼/舵采用金屬骨架蒙皮外加復(fù)合材料防熱套的結(jié)構(gòu)形式,其中前者和后者分別實現(xiàn)承載和防熱的功能,鑒于連接、轉(zhuǎn)動部位的熱密封、熱匹配性能難以保證,該結(jié)構(gòu)形式不適用于分體結(jié)構(gòu),無法滿足折疊需求。傳統(tǒng)的折疊翼/舵無熱防護措施或防熱結(jié)構(gòu),普遍應(yīng)用于低速領(lǐng)域,在低速領(lǐng)域的工程應(yīng)用和理論研究較為成熟,但截至目前尚未應(yīng)用于高速領(lǐng)域且缺乏相關(guān)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(shè)計方法,實現(xiàn)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。
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(tài)→飛行器需要起控時,電氣系統(tǒng)在t1時間內(nèi)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(nèi)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(tài),飛行器起控以穩(wěn)定姿態(tài),通過擺舵實現(xiàn)控制,如圖1所示。因此折疊翼/舵主要經(jīng)歷三個階段:1)起控前的初始折疊鎖緊狀態(tài);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(tài)。
圖1 折疊翼/舵工作時序 Fig.1 The work order of folding wing/rudder
基于折疊翼/舵的工作階段,總結(jié)其總體設(shè)計流程。折疊翼/舵系統(tǒng)作為一套多功能系統(tǒng),涉及的專業(yè)領(lǐng)域十分廣泛,其總體設(shè)計流程是多學(xué)科耦合設(shè)計的過程,如圖2所示。
圖2 折疊翼/舵總體設(shè)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(gòu)設(shè)計路線
1)根據(jù)飛行剖面,進行全程穩(wěn)定飛行控制能力需求分析,提出控制力需求;2)根據(jù)控制力需求,進行翼/舵面外形尺寸設(shè)計;3)根據(jù)發(fā)射平臺空間包絡(luò)、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(shè)計提供指導(dǎo);5)進行無控過程氣動特性分析;6)根據(jù)無控過程的氣動特性和運動參數(shù),進行初始起控特性分析,并進行相關(guān)時序設(shè)計,提出折疊翼/舵展開時間要求;7)基于以上內(nèi)容,開展折疊展開和解鎖/鎖緊機構(gòu)詳細設(shè)計、機構(gòu)運動仿真分析;8)根據(jù)設(shè)計方案,開展解鎖、展開、鎖緊試驗。
1.2.2 翼/舵面結(jié)構(gòu)設(shè)計路線
1)根據(jù)飛行剖面,進行飛行熱環(huán)境分析;2)基于翼/舵面的熱環(huán)境,開展翼/舵面三維傳熱分析;3)根據(jù)翼/舵面?zhèn)鳠岱治鼋Y(jié)果,開展翼/舵面防熱形式與材料的選擇;4)基于以上內(nèi)容,開展翼/舵面結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計、結(jié)構(gòu)強度和剛度仿真分析、結(jié)構(gòu)動特性和氣動彈性仿真分析;5)根據(jù)設(shè)計方案,開展靜力、靜熱、動特性、氣動彈性、力熱聯(lián)合試驗。
1.2.3 迭代設(shè)計過程
經(jīng)過以上設(shè)計、分析、優(yōu)化、試驗的迭代過程,在結(jié)果滿足技術(shù)指標(biāo)要求后,進行氣動、起控特性詳細分析,滿足起控要求后,設(shè)計方案閉環(huán)。
根據(jù)高速飛行器折疊翼/舵在工作時序中主要經(jīng)歷的三個階段,梳理其總體設(shè)計主要涉及以下關(guān)鍵技術(shù):展開過程氣動載荷設(shè)計、折疊展開和解鎖/鎖緊機構(gòu)設(shè)計、翼/舵面結(jié)構(gòu)設(shè)計。
1.3.1 展開過程氣動載荷設(shè)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(guī)律復(fù)雜[3],應(yīng)根據(jù)定常氣動特性計算和起控過程姿態(tài)仿真,結(jié)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(yōu)化。展開過程氣動載荷是后續(xù)機構(gòu)詳細設(shè)計的關(guān)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(gòu)設(shè)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(gòu)擁有合理的驅(qū)動能力,保證動翼/舵展開時間達到預(yù)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(gòu)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(luò)一般約束動翼/舵折疊角度超過100°,要求彈性元件扭轉(zhuǎn)相應(yīng)折疊角度不失效,但驅(qū)動能力與折疊角度的設(shè)計存在相互約束,大驅(qū)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(gòu)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(yīng)合理設(shè)計和優(yōu)化彈性元件的材料、截面、長度和預(yù)扭轉(zhuǎn)角度,在驅(qū)動能力和折疊角度之間尋求協(xié)調(diào),實現(xiàn)機構(gòu)小型化,降低折疊展開機構(gòu)對氣動外形的不利影響?;鸸ぱb置主要的設(shè)計技術(shù)指標(biāo)有工作時間、作動行程、藥室裝藥量、燃氣壓力、產(chǎn)品尺寸、沖擊過載、阻尼形式,須在結(jié)構(gòu)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(gòu)一般為插銷結(jié)構(gòu),如采用以彈簧驅(qū)動的彈簧銷鎖緊機構(gòu),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(xiàn)鎖緊,彈簧仍處于壓縮狀態(tài),提供預(yù)緊力防止解鎖,螺母用于固定彈簧以調(diào)節(jié)彈簧初始長度,保證可靠的工作范圍。初始鎖緊機構(gòu)的解鎖方案主要有兩種,一種解鎖方案為聯(lián)動解鎖,利用伺服機構(gòu)預(yù)置動作使插銷解鎖,但增加解鎖時間和結(jié)構(gòu)復(fù)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?guī)磔^大沖擊。
折疊展開和解鎖/鎖緊機構(gòu)是折疊翼/舵設(shè)計技術(shù)的核心,應(yīng)在機構(gòu)運動仿真的基礎(chǔ)上,結(jié)合空載/風(fēng)洞展開試驗,驗證解鎖、展開和鎖緊能力,獲取運動參數(shù)并分析氣動力和摩擦力的影響,為機構(gòu)的迭代設(shè)計提供依據(jù)。
1.3.3 翼/舵面結(jié)構(gòu)設(shè)計
翼/舵面結(jié)構(gòu)設(shè)計包含熱防護設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。數(shù)據(jù)表明,當(dāng)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(huán)境下的折疊翼/舵,開展熱防護方案選擇,從工藝技術(shù)、占用空間、結(jié)構(gòu)重量、經(jīng)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(xiàn)重量或力學(xué)特性等指標(biāo)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,并開展折疊翼/舵靜力、靜熱、力熱聯(lián)合等環(huán)境試驗,考核其對飛行環(huán)境的適應(yīng)性。
基于高速飛行器折疊翼/舵總體設(shè)計技術(shù),建立其結(jié)構(gòu)設(shè)計通用指標(biāo)體系,如圖3所示,對其結(jié)構(gòu)設(shè)計流程形成參考指導(dǎo)。
圖3 折疊翼/舵結(jié)構(gòu)設(shè)計通用指標(biāo)體系 Fig.3 The structure design common indicator system of folding wing/rudder
基于高速飛行器折疊翼/舵總體設(shè)計流程和結(jié)構(gòu)設(shè)計通用指標(biāo)體系,總結(jié)折疊翼/舵結(jié)構(gòu)設(shè)計流程,如圖4所示。
圖4 折疊翼/舵結(jié)構(gòu)設(shè)計流程 Fig.4 The structure design process of folding wing/rudder
2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析路線
根據(jù)外形尺寸、飛行熱環(huán)境、折疊展開結(jié)構(gòu)布局、展開到位后氣動載荷等要求,開展翼/舵面及防熱結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計、結(jié)構(gòu)強度和剛度仿真分析、結(jié)構(gòu)動特性和氣動彈性仿真分析,并結(jié)合靜力、靜熱、動特性、氣動彈性、力熱聯(lián)合試驗,驗證設(shè)計方案的載荷與環(huán)境適應(yīng)性、功能滿足性,確定展開鎖緊時間和展開不同步性,根據(jù)仿真與試驗結(jié)果開展耦合迭代設(shè)計,優(yōu)化翼/舵面及防熱結(jié)構(gòu)、折疊展開結(jié)構(gòu)布局、鎖緊機構(gòu)、材料選擇等,形成在一定約束條件下較優(yōu)的翼/舵面結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。
2.2.2 機構(gòu)設(shè)計及分析路線
根據(jù)空間包絡(luò)、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(gòu)詳細設(shè)計、機構(gòu)運動仿真分析,并結(jié)合空載/風(fēng)洞展開試驗,驗證設(shè)計方案的功能滿足性、載荷與環(huán)境適應(yīng)性,確定展開鎖緊時間和展開不同步性,根據(jù)仿真與試驗結(jié)果開展耦合迭代設(shè)計,優(yōu)化折疊展開和解鎖/鎖緊機構(gòu)、翼/舵面外形尺寸、折疊展開結(jié)構(gòu)布局、展開過程氣動載荷等,形成在一定約束條件下較優(yōu)的折疊展開和解鎖/鎖緊機構(gòu)設(shè)計方案。
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(jié)構(gòu)形式在大載荷高熱流環(huán)境中的傳熱特性和承載能力,從結(jié)構(gòu)和整體的角度分析結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性,為詳細的結(jié)構(gòu)、機構(gòu)設(shè)計和相關(guān)的力/熱試驗提供理論參考。
b)折疊翼/舵相關(guān)的力/熱試驗主要包含靜熱試驗、靜力試驗和力熱聯(lián)合試驗,折疊翼/舵的靜熱試驗旨在考核其防熱材料和結(jié)構(gòu)對高溫環(huán)境的適應(yīng)性,并對前緣、折疊轉(zhuǎn)軸、活動部位等關(guān)鍵區(qū)域的熱環(huán)境適應(yīng)性裕度進行摸底,以及校準(zhǔn)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(yīng)力分布、在氣動載荷工況下的變形規(guī)律,以及校準(zhǔn)靜力有限元仿真分析模型。
折疊翼/舵的力熱聯(lián)合試驗旨在考核其在飛行力熱環(huán)境下的整體強度和剛度、在飛行力熱環(huán)境下的整體變形匹配性能、生產(chǎn)和制造工藝是否滿足結(jié)構(gòu)承載的要求,并獲得其在飛行力熱環(huán)境下的整體溫度分布、在飛行力熱環(huán)境下的整體變形規(guī)律。
2.3.2 虛擬樣機仿真分析和空載/風(fēng)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(jié)構(gòu)形式在大動壓高負載環(huán)境中,不同氣動和摩擦作用工況條件下的動態(tài)特性和運動規(guī)律,從機構(gòu)和分體的角度分析結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性,為詳細的結(jié)構(gòu)、機構(gòu)設(shè)計和相關(guān)的空載/風(fēng)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(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)強度是否滿足設(shè)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(shù),以及校準(zhǔn)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(fēng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)強度進行摸底,以及獲取動態(tài)過程的沖擊環(huán)境參數(shù),為結(jié)構(gòu)、機構(gòu)的改進優(yōu)化設(shè)計與伺服系統(tǒng)等相關(guān)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。
目前該領(lǐng)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(shè)計的優(yōu)化研究。
Y.Yuan等[6]采用非定常CFD方法對折疊翼動態(tài)展開過程進行了數(shù)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(guī)律,為折展機構(gòu)的設(shè)計提供了輸入條件;李東等[7]采用風(fēng)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(fēng)洞試驗研究了折疊舵展開過程中展開角、馬赫數(shù)、側(cè)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(fēng)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(guī)律;蔣坤等[10]介紹了高速風(fēng)洞試驗方法與測試設(shè)備,形成了折疊舵展開過程試驗技術(shù),并將其有效的應(yīng)用于對折疊舵氣動特性隨氣流參數(shù)、折疊角度的變化規(guī)律的研究中;單繼祥等[11]采用數(shù)值模擬方法研究了低速條件不同狀態(tài)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(shù)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(shù)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(yīng)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(huán)境考慮,區(qū)別于傳統(tǒng)對折的翼/舵面反折等新方式、不同于傳統(tǒng)零舵偏的舵面預(yù)置舵偏角等新布局將逐漸應(yīng)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(jié)構(gòu)、機構(gòu)設(shè)計。
目前該領(lǐng)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(gòu)驅(qū)動能力普遍較小、不具備初始鎖緊機構(gòu)、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(gòu)設(shè)計的研究。俞渭良等[13]對某折疊舵進行了設(shè)計,展開機構(gòu)由扭簧、扭桿、轉(zhuǎn)軸和扭頭組成,鎖緊機構(gòu)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(shè)計,內(nèi)翼與外翼通過扭桿套筒連接,外翼由扭桿套筒內(nèi)的扭桿驅(qū)動展開,展開到位后縱向和軸向鎖緊均通過彈簧驅(qū)動的鎖緊銷實現(xiàn);曾清香[15]對折疊翼進行了設(shè)計,展開機構(gòu)由扭片、轉(zhuǎn)軸和定位銷組成,鎖緊機構(gòu)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(qū)動扭簧的優(yōu)化模型,通過退火算法對扭簧進行了參數(shù)優(yōu)化和數(shù)值仿真,并通過動力學(xué)仿真進行了驗證;甄文強等[17]設(shè)計了具有軸向和展向鎖緊機構(gòu)的折疊翼,分析了折疊翼驅(qū)動扭桿的截面形式和設(shè)計參數(shù)對性能的影響,以扭桿總質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)建立了扭桿的優(yōu)化設(shè)計模型,對扭桿進行了參數(shù)優(yōu)化并得到了理想?yún)?shù),考慮展開過程中氣動阻力和摩擦力的作用建立動力學(xué)模型,從理論、仿真和試驗三方面進行了驗證。
隨著后續(xù)材料和工藝技術(shù)水平的不斷發(fā)展,為適應(yīng)動態(tài)過程中的大動壓高負載環(huán)境和產(chǎn)品的長期貯存環(huán)境,具有形狀記憶效應(yīng)、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(yīng)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(fù)使用性。
目前該領(lǐng)域已經(jīng)取得的研究成果較少,以改善力學(xué)特性為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計為主,缺少對力熱耦合環(huán)境下飛行的折疊舵的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析。
王曉慧等[18]利用連續(xù)體拓撲優(yōu)化技術(shù)對折疊翼進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,以結(jié)構(gòu)應(yīng)變能最小為目標(biāo),通過優(yōu)化翼梢單元相對密度和蒙皮厚度得到了最優(yōu)結(jié)構(gòu)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(biāo)對舵面結(jié)構(gòu)進行了拓撲優(yōu)化設(shè)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(jié)構(gòu)動力學(xué)問題簡化為靜力學(xué)模型,利用拓撲優(yōu)化技術(shù)得到了擁有更大顫振臨界速度的折疊舵結(jié)構(gòu);李雙江等[21]對折疊翼進行了輕量化設(shè)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(jié)構(gòu)參數(shù)進行了質(zhì)量優(yōu)化;鄧怡超等[22]對折疊舵采用建立連接結(jié)構(gòu)的方法將銷釘?shù)倪B接剛度考慮在內(nèi),對折疊舵進行了模態(tài)分析和動態(tài)響應(yīng)仿真,并設(shè)置均勻低溫度場300℃分析了熱對折疊舵力學(xué)特性的影響。為適應(yīng)飛行過程中的大載荷高熱流環(huán)境,防熱承載一體化碳化硅陶瓷基復(fù)合材料等新型熱結(jié)構(gòu)材料、輕質(zhì)高強的耐高溫金屬拓撲結(jié)構(gòu)等新型結(jié)構(gòu)將逐漸應(yīng)用,以有效應(yīng)對折疊翼/舵飛行過程中惡劣的力熱耦合環(huán)境。
折疊翼/舵設(shè)計技術(shù)是未來高速飛行器發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),可有效提升飛行器的技術(shù)指標(biāo)和滿足飛行器的功能性能要求,以應(yīng)對飛行器在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用,高速飛行器折疊翼/舵設(shè)計技術(shù)相比傳統(tǒng)飛行器更加復(fù)雜。為完善高速飛行器折疊翼/舵設(shè)計技術(shù)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(jié)構(gòu)形式仍需開展深入研究,還應(yīng)重視多學(xué)科、多專業(yè)、多維度的交叉研究,如折疊展開方向及布局的氣動-結(jié)構(gòu)-載荷一體化設(shè)計與優(yōu)化等內(nèi)容,從而推進其工程應(yīng)用。