臨近空間飛行器氣動(dòng)布局的高升阻比設(shè)計(jì)

朱廣生，楊 攀，段 毅，李思怡，苗 萌

（1. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076；2. 空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100076）

0 引 言

對(duì)于臨近空間高速飛行器，升阻比是核心的設(shè)計(jì)指標(biāo)之一，主要原因是升阻比與飛行器的最大飛行距離存在直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

對(duì)于無動(dòng)力高速飛行器，推導(dǎo)平衡飛行的最大縱向距離L，假設(shè)飛行過程中升阻比保持不變，可以獲得如下表達(dá)式：

可以發(fā)現(xiàn)：最大平衡飛行距離與升阻比之間存在線性關(guān)系，在速度約束一定的情況下，升阻比越大，最大飛行距離就越大。因此，在工程設(shè)計(jì)中，往往通過高升阻比設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)飛行器長(zhǎng)距離飛行的能力。

對(duì)于臨近空間高速飛行器的高升阻比設(shè)計(jì)，氣動(dòng)外形是核心的設(shè)計(jì)要素。飛行器的氣動(dòng)外形是總體方案的基礎(chǔ)，與飛行器總體布局、飛行狀態(tài)、裝填空間大小、控制品質(zhì)等緊密相關(guān)，在很大程度上決定了飛行器總體方案的優(yōu)劣。因此，在進(jìn)行高升阻比設(shè)計(jì)時(shí)氣動(dòng)外形的設(shè)計(jì)還必須滿足各種復(fù)雜的約束條件。

本文給出了在工程中開展飛行器氣動(dòng)外形高升阻比設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的一般性設(shè)計(jì)原則，分析了影響升阻比的關(guān)鍵要素，討論了高升阻比設(shè)計(jì)需考慮的復(fù)雜工程約束，并提出了未來應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的設(shè)計(jì)方向。

1 高升阻比氣動(dòng)外形的設(shè)計(jì)原則與影響因素

1.1 設(shè)計(jì)狀態(tài)對(duì)升阻比的影響

在飛行過程中，隨著飛行狀態(tài)的變化，飛行器升阻比的量值也會(huì)發(fā)生變化。對(duì)升阻比量值影響最大的飛行狀態(tài)參數(shù)包括攻角、飛行高度和飛行馬赫數(shù)。

1.1.1 攻角影響

飛行器的升阻比隨飛行攻角變化而發(fā)生變化。升阻比隨攻角變化的一般規(guī)律如圖1 所示，在零升力攻角狀態(tài)，升阻比為零；隨著攻角的增加，升力系數(shù)逐漸增加，升阻比亦隨之增大；但是，隨著攻角的繼續(xù)增加，阻力系數(shù)開始顯著增加；同時(shí)，一定攻角后，升力線斜率減小，在攻角增至某一量值后升力轉(zhuǎn)而開始減小，相應(yīng)地升阻比會(huì)在增至某個(gè)峰值后轉(zhuǎn)而開始逐漸減小。

圖1 升阻比隨攻角變化的一般規(guī)律Fig.1 Universal Law of Lift-drag Ratio Varying with Angle of Attack

1.1.2 飛行高度影響

飛行高度會(huì)對(duì)升阻比量值產(chǎn)生明顯影響，飛行高度對(duì)升阻比的影響規(guī)律如圖2 所示，飛行高度越高，粘性作用影響越大，升阻比將顯著降低。

圖2 飛行高度對(duì)升阻比的影響Fig.2 The Effect of Flight Altitude on Lift-drag Ratio

1.1.3 飛行馬赫數(shù)影響

飛行馬赫數(shù)會(huì)對(duì)升阻比量值產(chǎn)生影響，飛行馬赫數(shù)對(duì)升阻比的影響規(guī)律如圖3所示，相同飛行高度下，馬赫數(shù)增加，摩阻減小，法向力系數(shù)減?。蛔枇ο禂?shù)降低比例大于升力系數(shù)，體現(xiàn)為峰值升阻比增大。

圖3 飛行馬赫數(shù)對(duì)升阻比的影響Fig.3 The Effect of Mach Number on Lift-drag Ratio

對(duì)于飛行器而言，存在一個(gè)最大升阻比攻角，該攻角的量值由飛行器外形所決定，為了實(shí)現(xiàn)最大飛行距離，通常會(huì)盡可能在飛行全程采用最大升阻比攻角飛行。

在工程設(shè)計(jì)中，根據(jù)設(shè)計(jì)的飛行剖面確定開展高升阻比設(shè)計(jì)的具體狀態(tài)十分重要，不僅是因?yàn)樯璞鹊牧恐禃?huì)隨飛行狀態(tài)的變化而變化，更重要的是，設(shè)計(jì)狀態(tài)的選擇還會(huì)對(duì)氣動(dòng)外形高升阻比的設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生影響。Fetterman 等對(duì)“半錐體+三角翼”組合體外形的升阻比影響要素進(jìn)行了分析，圖4 給出了馬赫數(shù)對(duì)翼身干擾的影響。當(dāng)馬赫數(shù)較低時(shí)，機(jī)身和機(jī)翼存在有利的干擾，平頂外形的升阻比更高。總體而言，有利的干擾效果將隨著馬赫數(shù)的增加而消失，當(dāng)馬赫數(shù)約為11 時(shí)完全消失，平底外形的升阻比將更高。

圖4 馬赫數(shù)對(duì)翼身干擾的影響Fig.4 The Effect of Mach Number on Wing-body Interference

1.2 高升阻比設(shè)計(jì)原則與關(guān)鍵因素

針對(duì)確定的設(shè)計(jì)狀態(tài)，一般從增加升力和減小阻力兩個(gè)方面來開展氣動(dòng)外形的高升阻比設(shè)計(jì)。在一定攻角下，飛行器迎風(fēng)面在激波的強(qiáng)壓縮作用下產(chǎn)生高壓，與背風(fēng)面低壓形成的壓差是飛行器升力的主要來源。激波后物面的高壓帶來的壓差阻力和流動(dòng)粘性作用產(chǎn)生的摩擦阻力是飛行器阻力的兩個(gè)主要來源。

飛行器的容積率是影響飛行器壓差阻力的關(guān)鍵指標(biāo)，容積率對(duì)升阻比的影響如圖5 所示，容積率越小，升阻比越大。另外，在一定攻角下高馬赫數(shù)飛行，飛行器的迎風(fēng)面對(duì)壓差阻力的敏感度遠(yuǎn)大于背風(fēng)面，迎風(fēng)面越平坦，壓差阻力越小。因此，為獲得高升阻比特性，往往將有效裝填空間設(shè)計(jì)在飛行器背風(fēng)面，且橫截面積越小越好。

圖5 容積率對(duì)峰值升阻比的影響Fig.5 The Effect of Volume Ratio on Peak Lift-drag Ratio

飛行器的端頭與翼前緣鈍度也是影響飛行器壓差阻力的關(guān)鍵指標(biāo)，鈍度對(duì)升阻比的影響如圖6 所示，鈍度越小，升阻比越大。

圖6 鈍度對(duì)升阻比的影響Fig.6 The Effect of Bluntness on Lift-drag Ratio

利用乘波體設(shè)計(jì)思想，按流場(chǎng)激波面進(jìn)行飛行器前緣和迎風(fēng)表面型面的設(shè)計(jì)，是使飛行器下表面獲得盡可能的高壓，提高飛行器升力的重要設(shè)計(jì)方法。為實(shí)現(xiàn)飛行器“乘著激波飛行”，理論上要求飛行器前緣激波完全附體，這在工程中是無法實(shí)現(xiàn)的。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，頭部與翼前緣必須要考慮保持一定的鈍度，以及結(jié)構(gòu)與工藝的可實(shí)現(xiàn)性；并關(guān)注飛行剖面內(nèi)不同飛行狀態(tài)的乘波特性差異。另外，乘波設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是飛行器的迎風(fēng)面，因此在增升設(shè)計(jì)同時(shí)還需要關(guān)注對(duì)阻力的影響。

2 高升阻比設(shè)計(jì)的工程約束

飛行器的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)不是一個(gè)單純的氣動(dòng)問題，氣動(dòng)外形集中反映總體和各相關(guān)專業(yè)的設(shè)計(jì)訴求，實(shí)質(zhì)是對(duì)高升阻比的追求和各專業(yè)約束折衷的工程實(shí)現(xiàn)過程，氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)必須要滿足各種工程約束條件。

2.1 總體尺寸與裝填約束

總體尺寸與裝填約束是飛行器初始?xì)鈩?dòng)外形的設(shè)計(jì)起點(diǎn)。總體對(duì)飛行器尺寸的約束要求，決定了飛行器可設(shè)計(jì)的升力面積大小，是飛行器升力設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。裝填要求則決定了飛行器的容積率，是飛行器減阻設(shè)計(jì)的核心約束條件。飛行器機(jī)動(dòng)飛行不是目的，它只是為提高自身生存能力和為有效載荷充分發(fā)揮效能而采取的手段。從這個(gè)角度出發(fā)，總是希望飛行器的尺寸能盡可能小、裝填空間盡可能大，這與高升阻比的設(shè)計(jì)原則是矛盾的，因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，氣動(dòng)外形的設(shè)計(jì)跳出氣動(dòng)專業(yè)本身的范疇，真正發(fā)揮飛行器總體設(shè)計(jì)“先行官”的作用，就是從滿足總體尺寸與裝填約束開始的。

2.2 控制設(shè)計(jì)要求與約束

臨近空間飛行器依靠空氣動(dòng)力進(jìn)行飛行姿態(tài)控制，對(duì)飛行器自身的操穩(wěn)特性提出了很高的要求。按扁平化的設(shè)計(jì)原則，飛行器縱向氣動(dòng)特性與橫側(cè)向氣動(dòng)特性在量值上差異較大，普遍存在側(cè)向穩(wěn)定性偏低的問題。為了獲取足夠的橫側(cè)向穩(wěn)定性，往往會(huì)在飛行器身部配置一定的側(cè)向安定面，這些措施都會(huì)直接帶來額外的阻力增加。另外，采用平坦的迎風(fēng)面設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致飛行器操穩(wěn)特性隨攻角變化較大，如何兼顧高空高升阻比飛行與末段機(jī)動(dòng)飛行的操穩(wěn)特性，也是氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)面臨的重要難題。

2.3 結(jié)構(gòu)與防隔熱設(shè)計(jì)約束

在總體尺寸與裝填約束確定的前提下，結(jié)構(gòu)與防隔熱設(shè)計(jì)約束在很大程度上決定了升阻比的設(shè)計(jì)上限。防隔熱專業(yè)對(duì)飛行器鈍度的設(shè)計(jì)要求直接決定了飛行器減阻設(shè)計(jì)的上限，并對(duì)“乘波化”的設(shè)計(jì)效果產(chǎn)生影響?？諝舛妗?cè)向安定面等部件的設(shè)計(jì)需考慮結(jié)構(gòu)與安裝的可實(shí)現(xiàn)性，并需有效控制由此可能帶來的流動(dòng)干擾及其引起的嚴(yán)酷熱環(huán)境。另外，氣動(dòng)外形的設(shè)計(jì)還需要滿足末段大動(dòng)壓飛行狀態(tài)對(duì)飛行器翼、舵結(jié)構(gòu)的載荷約束。

3 結(jié)論與展望

臨近空間飛行器的設(shè)計(jì)狀態(tài)與氣動(dòng)外形是升阻比的兩個(gè)主要影響因素。開展飛行器的高升阻比設(shè)計(jì)，首先應(yīng)明確設(shè)計(jì)狀態(tài)，然后在考慮各種工程約束的條件下，從增加升力和減小阻力兩個(gè)方向，開展氣動(dòng)外形的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

升阻比是高速飛行器重要的氣動(dòng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，除了氣動(dòng)外形的升阻比優(yōu)化，也要在總體層面考慮如何減小飛行器的體積、如何將飛行器特征部位的鈍度設(shè)計(jì)到更小的程度、如何降低飛行高度并保證不發(fā)生邊界層轉(zhuǎn)捩等設(shè)計(jì)要素。

乘波化的設(shè)計(jì)方法可以在一定程度上提高飛行器升力，但在一定的尺寸規(guī)模下，飛行器高升阻比設(shè)計(jì)的核心仍然是減阻設(shè)計(jì)，目前工程中采用的減阻設(shè)計(jì)主要是針對(duì)壓差阻力。圖7 給出了軸向力系數(shù)中粘性項(xiàng)的占比，在高空飛行條件下，飛行器所受阻力中，摩擦阻力占主導(dǎo)?？紤]到降低摩阻的設(shè)計(jì)方法對(duì)提高飛行器升阻比的重要作用，應(yīng)加強(qiáng)主動(dòng)流動(dòng)控制、真實(shí)粗糙表面等方法和因素的減阻研究，為臨近空間飛行器的高升阻比設(shè)計(jì)提供重要支撐。

圖7 摩阻在總阻中的占比Fig.7 Percentage of Skin Friction in Total Drag