先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)武器內(nèi)埋發(fā)展趨勢(shì)與關(guān)鍵氣動(dòng)問(wèn)題

金 鑫，楊黨國(guó)，蔡廣平，吳繼飛，徐來(lái)武，劉付生2，

(1. 中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán) 成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，成都 610091；2. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，綿陽(yáng) 621000；3. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 高速空氣動(dòng)力研究所，綿陽(yáng) 621000；4. 清華大學(xué) 航天航空學(xué)院，北京 100084)

0 引 言

新世紀(jì)以來(lái)，隨著新型作戰(zhàn)模式的轉(zhuǎn)變發(fā)展和智能化快速作戰(zhàn)能力的迫切需求，以美俄為首的世界各軍事強(qiáng)國(guó)都非常重視發(fā)展空軍和海軍的空中武器裝備。在軍事需求和國(guó)家安全牽引下，以打贏信息化智能化戰(zhàn)爭(zhēng)為戰(zhàn)略目標(biāo)，各軍事強(qiáng)國(guó)大力開(kāi)展飛行新概念、新技術(shù)、新作戰(zhàn)模式空中武器裝備論證研制工作，發(fā)展了以F-22、F-35 和T-50 戰(zhàn)機(jī)為代表的一系列具有隱身功能的新型戰(zhàn)斗機(jī)。

出于高機(jī)動(dòng)性、高敏捷性、高氣動(dòng)效率、低阻力特性、超視距作戰(zhàn)能力、超聲速巡航能力、良好隱（聲）身性能等追求，美國(guó)F-22 和F-35、俄羅斯T-50等均采用了武器內(nèi)埋技術(shù)。武器內(nèi)埋不僅能降低飛機(jī)的雷達(dá)反射面積，提高作戰(zhàn)生存率；而且能有效減小飛機(jī)飛行阻力，特別是超聲速飛行時(shí)的波阻，增加作戰(zhàn)航程，提高飛行速度。因此，武器內(nèi)埋技術(shù)成為了國(guó)際上新型先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)、遠(yuǎn)程轟炸機(jī)和未來(lái)無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)等必須采用的關(guān)鍵技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)、提高作戰(zhàn)效能的基本前提，有著非常重要的地位和廣闊的應(yīng)用前景。

然而，內(nèi)埋武器投放分離過(guò)程中，武器艙將演變成（帶艙門(mén)）大尺度空腔。高速飛行條件下（0.6≤Ma≤2.0），武器艙繞流會(huì)不可避免地出現(xiàn)流動(dòng)分離、剪切層不穩(wěn)定、波/渦/剪切層干擾[1]，當(dāng)滿(mǎn)足一定條件時(shí)還會(huì)出現(xiàn)流激振蕩和聲腔共鳴現(xiàn)象。武器艙內(nèi)壓力脈動(dòng)劇烈，噪聲環(huán)境惡劣，易導(dǎo)致武器艙及內(nèi)埋武器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)，艙門(mén)打不開(kāi)或關(guān)不上，武器出艙時(shí)出現(xiàn)俯仰、偏擺等非預(yù)期運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生以下嚴(yán)重后果：1）艙內(nèi)電控系統(tǒng)工作失靈失效，影響武器系統(tǒng)的有效控制；2）影響武器出艙和投放分離，危及飛機(jī)安全；3）武器艙及內(nèi)埋武器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)疲勞甚至破壞，縮短使用壽命，增加維護(hù)成本；4）降低內(nèi)埋武器瞄準(zhǔn)精度和飛機(jī)的操穩(wěn)品質(zhì)，進(jìn)而影響作戰(zhàn)效能。

本文針對(duì)先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)內(nèi)埋武器系統(tǒng)研制需求，重點(diǎn)分析了武器內(nèi)埋的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，并介紹了國(guó)內(nèi)外的主要研究進(jìn)展，指出了未來(lái)需要深入研究的問(wèn)題。

1 國(guó)內(nèi)外武器內(nèi)埋戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)展情況

美國(guó)在20 世紀(jì)50 年代研發(fā)的超聲速截?fù)魴C(jī)F-106 上采用了武器內(nèi)埋方式攜帶空空導(dǎo)彈，開(kāi)展了武器內(nèi)埋相關(guān)問(wèn)題的研究；70 年代開(kāi)始對(duì)內(nèi)埋武器艙技術(shù)開(kāi)展系統(tǒng)而深入的全面研究。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）[2-5]和阿諾德工程發(fā)展中心（AEDC）[6-9]開(kāi)展了內(nèi)埋武器問(wèn)題研究，母機(jī)模型采用F-111 飛機(jī)1∶15 縮比模型，武器模型采用B-43、B-57 的1∶15 縮比模型（見(jiàn)圖1），在洛克希德CFWT 設(shè)備和AEDC-4T設(shè)備中進(jìn)行了F-22 內(nèi)埋武器艙氣動(dòng)和武器分離風(fēng)洞試驗(yàn)研究（見(jiàn)圖2），建立了完備的地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。另外，美國(guó)空軍軍械技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（AFATL）[10-11]、空軍飛行動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室（AFFDL）[12-15]、空軍科學(xué)研究局（AFOSR）[16-17]、海軍水面武器中心（NSWC）[18]、空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）[19]以及空軍武器實(shí)驗(yàn)室（AFWAL）[20-22]等多家軍方單位也對(duì)內(nèi)埋武器艙問(wèn)題開(kāi)展了相關(guān)研究，建立了以風(fēng)洞試驗(yàn)為主的研究體系，對(duì)內(nèi)埋武器艙系統(tǒng)氣動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行全面深入的研究，并開(kāi)展大量飛行試驗(yàn)綜合驗(yàn)證工作。其取得的研究成果為美國(guó)先進(jìn)轟炸機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)內(nèi)埋武器艙系統(tǒng)關(guān)鍵氣動(dòng)問(wèn)題的解決提供了有力的技術(shù)支持。

圖1 F-111 內(nèi)埋武器分離風(fēng)洞試驗(yàn)[8]Fig. 1 Separation test of F-111 internal weapons bay[8]

圖2 F-22 內(nèi)埋武器分離風(fēng)洞試驗(yàn)[9]Fig. 2 Separation test of F-22 internal weapons bay[9]

美國(guó)雖然成功研制了全球最先進(jìn)的F-22 和F-35戰(zhàn)機(jī)，并已列裝，但這兩型飛機(jī)仍存在武器艙及內(nèi)埋武器系統(tǒng)振動(dòng)與噪聲問(wèn)題。如F-22 戰(zhàn)機(jī)武器艙及艙門(mén)壁板在聲疲勞試驗(yàn)中出現(xiàn)了裂紋[23]（見(jiàn)圖3 和圖4）。2013 年1 月美國(guó)國(guó)防部作戰(zhàn)試驗(yàn)與鑒定部發(fā)布了F-35 戰(zhàn)機(jī)的測(cè)評(píng)報(bào)告，指出因F-35A 戰(zhàn)機(jī)內(nèi)埋武器艙艙門(mén)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題，該機(jī)2012 年部分測(cè)試點(diǎn)試飛計(jì)劃被延遲；F-35B 戰(zhàn)機(jī)在內(nèi)埋武器艙疲勞試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋，試驗(yàn)被迫中止。

圖3 F-22 內(nèi)埋武器艙振動(dòng)噪聲試驗(yàn)[23]Fig. 3 Noise and vibration test of F-22 internal weapons bay[23]

圖4 F-22 內(nèi)埋武器艙門(mén)壁板聲疲勞裂紋[23]Fig. 4 Acoustical fatigue of F-22 internal weapons bay[23]

俄羅斯在先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)內(nèi)埋武器艙研制方面也取得了突破。T-50 戰(zhàn)機(jī)武器全部?jī)?nèi)埋，內(nèi)置3 個(gè)武器艙，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)特性和雷達(dá)隱身綜合性能，雷達(dá)可探測(cè)性大大降低，具備隱身性能好、起降距離短、機(jī)動(dòng)敏捷性強(qiáng)、超聲速巡航等特點(diǎn)。預(yù)計(jì)到2025 年，俄羅斯將用T-50 全部替換米格-29 和蘇-27 飛機(jī)。同時(shí)俄羅斯還在進(jìn)行先進(jìn)無(wú)人機(jī)的研制，米格公司已推出“電鰩”噴氣式隱身無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)（武器采用內(nèi)埋裝載方式）。歐洲六國(guó)（法國(guó)、西班牙、意大利、希臘、瑞典和瑞士）歷時(shí)5 年研制的“神經(jīng)元”隱形無(wú)人戰(zhàn)機(jī)，于2012 年在法國(guó)南部的伊斯特爾空軍基地首飛成功。該機(jī)采用飛翼氣動(dòng)布局，進(jìn)氣道和尾噴口都采用了隱形設(shè)計(jì)，機(jī)身覆蓋隱身涂層，武器采用內(nèi)埋技術(shù)。2010 年7 月，韓國(guó)與印尼達(dá)成了共同開(kāi)發(fā)下一代隱身戰(zhàn)斗機(jī)KFX 的意向，并于三年后，首次公布了其內(nèi)埋武器艙和電子系統(tǒng)的最新設(shè)計(jì)成果。2013 年2 月，印度在航展上展示了其最新的四代機(jī)AMCA 概念設(shè)計(jì)，該機(jī)構(gòu)型與美國(guó)的F-22 戰(zhàn)機(jī)類(lèi)似，采用了武器內(nèi)埋技術(shù)。

為了適應(yīng)國(guó)際復(fù)雜的環(huán)境，我國(guó)也在加緊開(kāi)展武器內(nèi)埋戰(zhàn)機(jī)研制，同樣也面臨武器內(nèi)埋技術(shù)關(guān)鍵問(wèn)題，亟需解決。從公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)來(lái)看，20 世紀(jì)90 年代我國(guó)就有部分學(xué)者對(duì)空腔和內(nèi)埋武器艙問(wèn)題進(jìn)行了研究。一些高校和科研機(jī)構(gòu)圍繞先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)內(nèi)埋武器艙復(fù)雜流動(dòng)、振動(dòng)噪聲難題及內(nèi)埋武器系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)性、結(jié)構(gòu)安全性等問(wèn)題開(kāi)展了大量研究[24-42]，獲得的某機(jī)武器艙馬赫數(shù)2.0 以下的試驗(yàn)結(jié)果表明，武器艙內(nèi)噪聲總聲壓級(jí)約為145～170 dB，遠(yuǎn)高于《軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度規(guī)范》（GJB 67A-2008）要求（即噪聲總聲壓級(jí)大于140 dB 時(shí)就需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)強(qiáng)度分析和聲疲勞試驗(yàn)）。高強(qiáng)度噪聲載荷將對(duì)武器艙結(jié)構(gòu)安全和使用壽命產(chǎn)生不利影響。為此中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心聯(lián)合飛機(jī)設(shè)計(jì)單位共同構(gòu)建了戰(zhàn)斗機(jī)內(nèi)埋武器艙流動(dòng)/振動(dòng)/噪聲多場(chǎng)耦合試驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)和仿真技術(shù)，揭示了馬赫數(shù)2.0 以下的武器艙復(fù)雜流動(dòng)和聲振載荷產(chǎn)生機(jī)理，并提出了工程實(shí)用的武器艙振動(dòng)噪聲控制對(duì)策，為建立武器內(nèi)埋技術(shù)研發(fā)體系和地面評(píng)估手段奠定了堅(jiān)實(shí)的研究基礎(chǔ)，在促進(jìn)我國(guó)先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)裝備研制水平、生存能力、實(shí)戰(zhàn)能力的快速提升方面起到了積極作用。

2 戰(zhàn)斗機(jī)內(nèi)埋武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

內(nèi)埋武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功與否直接關(guān)系到戰(zhàn)斗機(jī)的戰(zhàn)斗力生成和作戰(zhàn)效能的有效發(fā)揮。隨著現(xiàn)代先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的戰(zhàn)技指標(biāo)和內(nèi)埋武器系統(tǒng)使用條件、適應(yīng)邊界的不斷提升，內(nèi)埋武器系統(tǒng)有了更嚴(yán)苛更復(fù)雜的設(shè)計(jì)要求。

2.1 內(nèi)埋武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案

內(nèi)埋武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案：

1）選擇合適的武器艙幾何尺寸和形狀，滿(mǎn)足武器裝載方案、懸掛裝置、電氣接口和機(jī)械接口以及維護(hù)間隙檢查等要求；

2）武器排列和安裝方法要使載機(jī)和武器的使用包線(xiàn)大，滿(mǎn)足分離安全和投放精度要求；

3）優(yōu)化的武器裝載、投放使用能力，有利于減少任務(wù)準(zhǔn)備時(shí)間和再次出動(dòng)時(shí)間，并且達(dá)到良好的綜保水平，具備維護(hù)工作量小等特點(diǎn)。

2.2 內(nèi)埋武器艙設(shè)計(jì)要求

內(nèi)埋武器艙幾何構(gòu)型、外形參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式和艙門(mén)開(kāi)閉方式等結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)，會(huì)影響到內(nèi)埋武器的投放安全、飛機(jī)性能、穩(wěn)定性和操縱性，甚至影響到進(jìn)氣道性能。因此，內(nèi)埋武器艙設(shè)計(jì)初期就需要考慮武器艙總體、氣動(dòng)、載荷、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、控制等一體化設(shè)計(jì)要求，減少武器艙掛載和作戰(zhàn)使用中的武器分離、顫振和振動(dòng)、噪聲（疲勞）等問(wèn)題。否則，在戰(zhàn)斗機(jī)飛行試驗(yàn)后或服役過(guò)程中才暴露這些嚴(yán)重問(wèn)題，將給飛機(jī)的設(shè)計(jì)和使用帶來(lái)顛覆性和反復(fù)性問(wèn)題。

2.3 內(nèi)埋武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

內(nèi)埋武器裝載要求：武器構(gòu)型多，武器幾何尺寸、舵面控制、穩(wěn)定性對(duì)武器艙振動(dòng)和噪聲環(huán)境提出要求。

內(nèi)埋武器使用要求：包線(xiàn)范圍大、大過(guò)載、高馬赫數(shù)，面臨諸多嚴(yán)酷的載荷作用環(huán)境，對(duì)結(jié)構(gòu)安全性提出要求。

內(nèi)埋武器功能要求：任務(wù)載荷變化，不局限于導(dǎo)彈、炸彈，還有雷達(dá)、電子戰(zhàn)吊艙。

內(nèi)埋武器發(fā)射要求：全向打擊發(fā)射、高效彈射裝置、清潔能源、變彈射力、折疊彈翼等。

因此，機(jī)/彈/掛架/發(fā)射系統(tǒng)的綜合集成設(shè)計(jì)成為未來(lái)內(nèi)埋武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)和提升作戰(zhàn)性能的必然趨勢(shì)。此外，載機(jī)平臺(tái)作戰(zhàn)使命決定了內(nèi)埋武器的主要性能指標(biāo)，小型化、智能化、多功能化、高密度裝載成為內(nèi)埋武器的發(fā)展方向，在內(nèi)埋武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可采用“設(shè)計(jì)-使用-再設(shè)計(jì)”螺旋式研制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)埋武器系統(tǒng)綜合功能要求[43]。

3 關(guān)鍵氣動(dòng)問(wèn)題主要特征

先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)內(nèi)埋武器艙流場(chǎng)是復(fù)雜流動(dòng)的典型代表之一，主要存在三個(gè)典型特征：一是強(qiáng)耦合。多尺度旋渦結(jié)構(gòu)、復(fù)雜波系相互干擾、剪切層不穩(wěn)定是武器艙空腔高速流動(dòng)的典型特征，是誘發(fā)強(qiáng)烈噪聲的根本原因。流場(chǎng)和聲場(chǎng)之間的強(qiáng)耦合作用于武器艙結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致武器艙出現(xiàn)聲振耦合現(xiàn)象。二是預(yù)測(cè)難。高速條件下武器艙內(nèi)流動(dòng)呈現(xiàn)非定常，誘發(fā)的武器艙噪聲和結(jié)構(gòu)振動(dòng)也呈現(xiàn)非定常、非線(xiàn)性，導(dǎo)致武器艙流動(dòng)/振動(dòng)/噪聲特性預(yù)測(cè)方法難建立。三是控制難。實(shí)現(xiàn)武器艙流動(dòng)/振動(dòng)/噪聲同時(shí)控制，必須厘清武器艙復(fù)雜流動(dòng)/振動(dòng)/噪聲產(chǎn)生機(jī)理，才能建立有效的控制措施；但武器艙振動(dòng)與噪聲產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜，流聲/聲振耦合作用強(qiáng)，這導(dǎo)致難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)武器艙流控-減振-降噪的控制，如圖5 所示。

圖5 內(nèi)埋武器系統(tǒng)關(guān)鍵氣動(dòng)問(wèn)題Fig. 5 Key aerodynamic problems of internal weapons system

面臨的主要問(wèn)題如下：

1）內(nèi)埋武器系統(tǒng)復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題。高速氣流流經(jīng)不同形式的武器艙時(shí)，可能會(huì)形成完全不同的流動(dòng)方式。一般而言，武器艙流動(dòng)可以分為“開(kāi)式流動(dòng)”、“過(guò)渡式流動(dòng)”和“閉式流動(dòng)”三種典型流動(dòng)狀態(tài)。對(duì)于“開(kāi)式流動(dòng)”，氣流將直接跨過(guò)武器艙向后流動(dòng)，艙內(nèi)靜壓梯度較小，此時(shí)武器艙對(duì)周?chē)鲌?chǎng)干擾較小。從內(nèi)埋武器氣動(dòng)力特性方面考慮，該類(lèi)武器艙流場(chǎng)較適合內(nèi)埋武器分離，且對(duì)全機(jī)氣動(dòng)力特性影響較小。而對(duì)于“閉式流動(dòng)”，氣流將在武器艙前緣發(fā)生分離，在艙底前段再附，之后在武器艙后壁附近再次分離，艙內(nèi)壓力梯度較大。武器從該類(lèi)武器艙流場(chǎng)分離時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生較大的抬頭力矩，不利于武器安全分離；另外，該類(lèi)武器艙流場(chǎng)還將使全機(jī)阻力大大增加，并可能影響飛機(jī)的操縱性和穩(wěn)定性。“過(guò)渡式流動(dòng)”則介于“開(kāi)式流動(dòng)”與“閉式流動(dòng)”兩者之間。工程上，除了氣動(dòng)特性因素之外，武器艙設(shè)計(jì)還需綜合考慮總體、結(jié)構(gòu)、武器類(lèi)型、發(fā)射方式等要求，故不同作戰(zhàn)任務(wù)的飛機(jī)武器艙可能對(duì)應(yīng)不同的流動(dòng)類(lèi)型。

圍繞這一問(wèn)題的研究集中于兩個(gè)方面：一是關(guān)于武器艙復(fù)雜流動(dòng)影響因素和演化機(jī)理等的研究；二是探尋降低艙內(nèi)壓力梯度的主/被動(dòng)流動(dòng)控制措施，改善艙內(nèi)流動(dòng)。

2）內(nèi)埋武器系統(tǒng)振動(dòng)與噪聲問(wèn)題。內(nèi)埋武器艙流場(chǎng)結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，流動(dòng)呈高度的非平穩(wěn)隨機(jī)性，伴隨一系列的波/渦/剪切層相互干擾和耦合，誘發(fā)武器艙內(nèi)部及周?chē)a(chǎn)生強(qiáng)烈的氣動(dòng)噪聲。然而，“開(kāi)式流動(dòng)”、“過(guò)渡式流動(dòng)”和“閉式流動(dòng)”三種流動(dòng)類(lèi)型的武器艙內(nèi)的振動(dòng)與噪聲量級(jí)一般差別較小，但頻率特性不同?！伴_(kāi)式流動(dòng)”武器艙內(nèi)存在嚴(yán)重的流激振蕩聲模態(tài)，聲腔耦合放大導(dǎo)致艙內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)聲壓峰值激振頻率，且容易引起局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈振動(dòng)，更容易發(fā)生共振；“過(guò)渡式流動(dòng)”武器艙內(nèi)同樣也存在流激振蕩聲模態(tài)，但聲模態(tài)往往階數(shù)較少；“閉式流動(dòng)”武器艙內(nèi)幾乎沒(méi)有流激振蕩聲模態(tài)，但因其艙深度很淺，一般的武器艙不采用此種結(jié)構(gòu)形式。武器艙高速?gòu)?fù)雜流動(dòng)和結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生的、作用于結(jié)構(gòu)表面的脈動(dòng)壓力載荷，可引起武器艙及內(nèi)埋武器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞，影響使用壽命。腔內(nèi)高強(qiáng)噪聲還會(huì)引起電控系統(tǒng)工作失靈失效。刺耳的“嘯叫”聲會(huì)影響飛行員工作。武器艙壁板受到氣流撞擊和噪聲載荷作用時(shí)，在滿(mǎn)足一定的空氣動(dòng)力學(xué)與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)條件下，出現(xiàn)的腔壁結(jié)構(gòu)振動(dòng)，不僅引起交變應(yīng)力，而且對(duì)機(jī)載電子儀器儀表的正常工作也會(huì)產(chǎn)生不利影響。當(dāng)氣動(dòng)激勵(lì)頻率、噪聲頻率接近艙壁結(jié)構(gòu)固有頻率時(shí)，易發(fā)生共振，導(dǎo)致艙壁結(jié)構(gòu)破壞、武器機(jī)械零件松動(dòng)、控制管線(xiàn)通路故障，甚至造成武器系統(tǒng)損壞。美國(guó)在研制內(nèi)埋武器艙的過(guò)程中，高強(qiáng)振動(dòng)與噪聲曾造成F-111 武器失效、B-1 艙門(mén)結(jié)構(gòu)損壞，以及多種飛機(jī)電氣系統(tǒng)損壞等嚴(yán)重問(wèn)題。

圍繞武器艙振動(dòng)與噪聲問(wèn)題方面的研究集中于兩方面：一是關(guān)于武器艙振動(dòng)與噪聲產(chǎn)生及演變機(jī)理的研究。這類(lèi)研究主要分析各種參數(shù)對(duì)武器艙氣動(dòng)噪聲的影響規(guī)律，探索聲學(xué)回路形成機(jī)制及發(fā)聲機(jī)理，發(fā)展武器艙振動(dòng)與噪聲測(cè)試技術(shù)。二是武器艙振動(dòng)與噪聲抑制方法研究。這類(lèi)研究會(huì)采用主/被動(dòng)流動(dòng)控制方法破壞武器艙噪聲回路，抑制武器艙流場(chǎng)誘發(fā)的強(qiáng)振動(dòng)與噪聲，改善動(dòng)力學(xué)環(huán)境。

3）艙門(mén)運(yùn)動(dòng)與武器艙流場(chǎng)耦合問(wèn)題。艙門(mén)是內(nèi)埋武器艙系統(tǒng)的重要組成部分。在內(nèi)埋武器發(fā)射時(shí)，艙門(mén)需快速開(kāi)啟；當(dāng)內(nèi)埋武器發(fā)射完成后，艙門(mén)需快速關(guān)閉。艙門(mén)快速運(yùn)動(dòng)可能加劇武器艙流場(chǎng)的非定常效應(yīng)，從而使武器艙流場(chǎng)更加復(fù)雜。而處于復(fù)雜流場(chǎng)且快速運(yùn)動(dòng)的艙門(mén)，其本身的氣動(dòng)特性也是須重點(diǎn)研究的內(nèi)容。武器艙所引發(fā)的復(fù)雜流動(dòng)可能導(dǎo)致內(nèi)埋武器艙門(mén)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，造成艙門(mén)打不開(kāi)或關(guān)不上。另外，在非定常氣動(dòng)力作用下，武器艙艙門(mén)可能出現(xiàn)流致振動(dòng)、抖振等現(xiàn)象，影響飛機(jī)操縱和飛行品質(zhì)，并可能引發(fā)結(jié)構(gòu)疲勞和損傷，甚至?xí)霈F(xiàn)艙門(mén)破裂、危及飛行安全的嚴(yán)重問(wèn)題。而在氣動(dòng)力、慣性力和結(jié)構(gòu)彈性共同作用下，武器艙艙門(mén)甚至可能出現(xiàn)顫振，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞，造成飛行事故。

因此，開(kāi)展艙門(mén)運(yùn)動(dòng)與武器艙流場(chǎng)耦合問(wèn)題研究十分必要，獲取相關(guān)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)內(nèi)埋武器艙載荷準(zhǔn)確估算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化等都具有重要意義。

4）內(nèi)埋武器分離安全問(wèn)題。受武器艙空間結(jié)構(gòu)限制，內(nèi)埋武器涉及到的機(jī)/彈分離相容性環(huán)節(jié)較多，加之內(nèi)埋武器艙流場(chǎng)流動(dòng)特性較為復(fù)雜，因此，內(nèi)埋武器分離安全性難以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式或數(shù)值模擬進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。艙內(nèi)強(qiáng)渦流可引起武器艙內(nèi)壓力急劇變化，從而導(dǎo)致內(nèi)埋武器分離過(guò)程中產(chǎn)生抬頭、翹尾、橫向滾動(dòng)等不穩(wěn)定狀態(tài)，甚至碰撞艙壁或艙門(mén)，危及武器安全分離和載機(jī)飛行安全（見(jiàn)圖6）[43]。內(nèi)埋武器機(jī)/彈分離相容性研究的主要任務(wù)是分析內(nèi)埋武器與載機(jī)是否能安全分離，并確保武器的安全分離姿態(tài)。導(dǎo)彈需在艙門(mén)打開(kāi)后的極短時(shí)間內(nèi)從武器艙繞流中穿過(guò)，并在離開(kāi)機(jī)身一定距離后獲得一個(gè)良好的姿態(tài)，適時(shí)點(diǎn)火、發(fā)射，提高命中目標(biāo)的概率。

圖6 F-15 投放GBU-12 碰撞事故[43]Fig. 6 Collision accident of F-15 during the launch of GBU-12

對(duì)該類(lèi)問(wèn)題的研究可分為兩個(gè)方面：一是獲取不同流場(chǎng)參數(shù)、不同武器艙幾何參數(shù)下，內(nèi)埋武器分離過(guò)程中的氣動(dòng)力特性，評(píng)估其分離安全性，為內(nèi)埋武器艙/武器氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐；二是流動(dòng)控制方法研究。探索安全可靠且工程實(shí)用的流動(dòng)控制措施，改善內(nèi)埋武器分離過(guò)程中的氣動(dòng)特性，減少影響內(nèi)埋武器安全分離的不利因素，確保武器/載機(jī)分離安全。

4 內(nèi)埋武器系統(tǒng)地面綜合驗(yàn)證

內(nèi)埋武器系統(tǒng)地面綜合驗(yàn)證和考核是完成內(nèi)埋武器系統(tǒng)研制的必經(jīng)階段，就是通過(guò)地面的測(cè)試系統(tǒng)和試驗(yàn)環(huán)境檢驗(yàn)內(nèi)埋武器系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)性、結(jié)構(gòu)完整性。主要有以下幾種方式：

1）懸掛系統(tǒng)的地面彈射試驗(yàn)；

2）武器系統(tǒng)的地面坑投試驗(yàn)；

3）結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的地面振動(dòng)（GVT）試驗(yàn)；

4）武器系統(tǒng)的大型吹襲試驗(yàn)；

5）武器系統(tǒng)的風(fēng)洞驗(yàn)證試驗(yàn)；

6）武器系統(tǒng)的火箭撬試驗(yàn)（見(jiàn)圖7）。

圖7 火箭撬滑車(chē)地面試驗(yàn)Fig. 7 Groud test of rocket sled

國(guó)內(nèi)外開(kāi)展戰(zhàn)斗機(jī)內(nèi)埋武器系統(tǒng)地面綜合驗(yàn)證都是采用多種試驗(yàn)手段相結(jié)合的研究方式。大型吹襲試驗(yàn)的試驗(yàn)條件和參數(shù)范圍較窄，一般的吹襲馬赫數(shù)很難達(dá)到超聲速，且由于流場(chǎng)模擬能力較差，武器艙流動(dòng)、振動(dòng)、噪聲測(cè)量數(shù)據(jù)偏差較大。火箭滑車(chē)試驗(yàn)在地面滑軌上進(jìn)行，試驗(yàn)成本高、準(zhǔn)備周期長(zhǎng)、干擾因素多，且由于地面氣流密度大、載荷大，受武器艙結(jié)構(gòu)載荷限制，試驗(yàn)速度一般很難達(dá)到要求的狀態(tài)。相比較而言，風(fēng)洞試驗(yàn)條件可控、參數(shù)測(cè)量精確、試驗(yàn)安排靈活，更適宜開(kāi)展彈艙流動(dòng)、振動(dòng)、噪聲問(wèn)題研究。只是受風(fēng)洞尺寸限制，一般采用縮比模型進(jìn)行內(nèi)埋武器系統(tǒng)氣動(dòng)問(wèn)題研究，開(kāi)展武器艙流動(dòng)特性、噪聲和振動(dòng)載荷測(cè)量試驗(yàn)，完成武器分離軌跡驗(yàn)證等。然后，采用全尺寸武器艙模型風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行武器系統(tǒng)、掛架系統(tǒng)、作動(dòng)系統(tǒng)等的穩(wěn)定性和可靠性的考核驗(yàn)證，并完成縮比模型風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的修正。

5 技術(shù)進(jìn)步需求和研究重點(diǎn)

5.1 內(nèi)埋武器系統(tǒng)發(fā)展需求

武器內(nèi)埋仍將是未來(lái)先進(jìn)隱身戰(zhàn)機(jī)的必選形式，其主要發(fā)展方向是：

1） 高馬赫數(shù)內(nèi)埋武器艙設(shè)計(jì)需求。未來(lái)馬赫數(shù)2.0 以上的武器內(nèi)埋技術(shù)比較缺乏關(guān)鍵氣動(dòng)問(wèn)題的研究。

2） 高密度武器內(nèi)埋掛裝需求。充分利用武器艙空間，增大武器掛載量將成為未來(lái)戰(zhàn)斗機(jī)取得作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)的需求之一。

3） 新型內(nèi)埋武器艙結(jié)構(gòu)布局需求。當(dāng)前的開(kāi)式流動(dòng)武器艙依舊存在系統(tǒng)復(fù)雜、作戰(zhàn)場(chǎng)景不足等問(wèn)題，未來(lái)將開(kāi)展新型武器艙結(jié)構(gòu)布局研究，創(chuàng)新內(nèi)埋武器艙設(shè)計(jì)理念。

4） 多種類(lèi)武器裝載需求。針對(duì)不同作戰(zhàn)使用環(huán)境和作戰(zhàn)需求，發(fā)展多種類(lèi)型的武器裝載方式。如導(dǎo)彈內(nèi)埋、多層掛裝、直接力發(fā)射、前后雙武器艙、傾斜武器艙。

5） 武器智能發(fā)射和精確控制需求。爭(zhēng)取戰(zhàn)爭(zhēng)主動(dòng)權(quán)，提高生存力和戰(zhàn)斗力，就要實(shí)現(xiàn)武器全向發(fā)射和精準(zhǔn)打擊。

5.2 主要?dú)鈩?dòng)問(wèn)題研究重點(diǎn)

未來(lái)的內(nèi)埋武器系統(tǒng)具有構(gòu)型尺度大、武器密集裝載發(fā)射、力學(xué)載荷特征復(fù)雜、約束條件嚴(yán)苛等特點(diǎn)，要求具備內(nèi)埋武器安全投放分離、結(jié)構(gòu)輕質(zhì)安全設(shè)計(jì)、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、疲勞壽命要求高、電控系統(tǒng)工作正常等能力。因此，存在的關(guān)鍵氣動(dòng)問(wèn)題主要有：

1） 復(fù)雜運(yùn)動(dòng)邊界耦合影響的內(nèi)埋武器系統(tǒng)多場(chǎng)載荷預(yù)測(cè)模型與仿真技術(shù)；

2） 多參數(shù)非定常過(guò)程內(nèi)埋武器系統(tǒng)多場(chǎng)載荷試驗(yàn)原理與模擬技術(shù)；

3） 主/被動(dòng)組合調(diào)度的內(nèi)埋武器系統(tǒng)多場(chǎng)載荷自適應(yīng)控制理論和建模方法；

4） 內(nèi)埋武器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)聲振響應(yīng)規(guī)律與抗聲振疲勞設(shè)計(jì)方法；

5） 內(nèi)埋武器系統(tǒng)密集裝載、安全投放與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)降載評(píng)估技術(shù)；

6） 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的內(nèi)埋武器系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合與智能優(yōu)化設(shè)計(jì)；

7） 內(nèi)埋武器系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)性和結(jié)構(gòu)安全性綜合集成演示驗(yàn)證。