潜射无人机几种不同折叠翼方案分析比较

姚 铭，董高原，尹 翔

(南京航空航天大学 无人机研究院，江苏 南京 210016)

潜射无人机几种不同折叠翼方案分析比较

姚 铭，董高原，尹 翔

(南京航空航天大学 无人机研究院，江苏 南京 210016)

潜射无人机因其平台的特殊性，有干式、湿式等不同的发射方式，其中关键技术之一是机翼折叠技术。设定潜射无人机的运动过程为从水中到空中，将水流场分为水下无粘条件和水下有粘k-e条件，通过计算不同折叠翼方案潜射无人机的主要气动性能，分析比较得出：机翼纵向后掠部分折叠的方案比较适合潜射无人机的湿式发射，机翼纵向完全折叠进入机身的方案比较适合干式发射。

潜射无人机；折叠翼；气动性能

潜射无人机是由潜艇携带，主要通过潜艇的鱼雷发射管、模块式桅杆、弹道导弹发射筒等发射的无人机。潜艇作战人员对无人机及其机载设备进行控制，用于情报侦察、目标监视、目标打击、毁伤评估、战场侦察、战场预警、战果评估及通讯中转[1]等作战任务，任务完成后由潜艇或地面己方人员进行回收或自毁。

国外对潜射无人机的研制起步较早。美国海军情报局于1994年就对潜艇控制无人机的相关技术进行研究，潜艇在潜航状态下只需将天线前端露出水面就可对无人机进行控制。1996年美海军“阿什维尔”号潜艇发射由洛克希德·马丁公司和诺思罗普·格鲁曼公司共同研制的“海上搜索者”无人机获得了成功；1996年美海军成功地在“芝加哥”号潜艇和“捕食者”无人机间建立了数据链路，实现了潜艇对无人机及其机载设备的控制以及侦察信息的实时传递。

2003年，美国国防部高级计划研究局授予洛克希德·马丁公司和通用动力电船公司进行“潜射与回收多功能无人机”可行性研究的合同，洛克希德·马丁公司此后开发出了“鸬鹚”潜射无人机，该机机翼折叠后通过“三叉戟”潜艇的导弹发射管发射，并于2006年11月初完成发射、溅落与回收全过程实验。德国也拥有小型的潜射无人机，该机采用了模块式桅杆发射方式进行发射。

目前，国内对潜射无人机的研究还处于起步阶段，主要是介绍国外的现有技术和进行理论研究。本文主要对潜射无人机的不同折叠翼方式进行分析比较，为进一步的研究提供技术支持。

1 潜射无人机发射方式

按无人机在发射过程中机体是否与水接触，潜射无人机的发射方式可分为干式发射与湿式发射两大类[2]。干式发射是将无人机装在一个密封的运载器内，发射时运载器携带无人机一齐通过鱼雷发射管或其他发射装置脱离潜艇，待运载器(又分为无动力与有动力)到达水面时，运载器舱门开启，无人机发射升空。潜射反舰导弹一般采取这种发射方式，此方式避免了无人机水下发射的密封和抗压问题，而且可以从潜艇的鱼雷发射管等管道发射。但该方式存在水上回收困难的问题，无人机完成任务后一般由地面人员回收或者自毁,而且无人机需装于运载器内，对尺寸、质量等的限制较为严格，使用运载器也增加了全系统的复杂性。模块式桅杆发射方式属于干式发射。

湿式发射是无人机直接从水下发射，对无人机的尺寸限制等较小，但需解决无人机的水密和抗压问题。湿式发射方式又可分为2种，一种方式是无人机直接从水下点火发射，例如“鸬鹚”无人机，但因存在助推火箭燃气排导的问题，无人机一般需先伸出艇外才能发射，此时无人机可在发射前先行展开折叠的翼面。另一种方式是无人机由艇载发射装置直接弹射出水，在空中完成助推火箭点火及展开翼面等动作。潜射巡航导弹及弹道导弹大都采用该发射方式，这种发射方式作战反应速度最快，但发射深度比水下直接点火发射要稍浅。

潜射无人机的几种发射方式中以模块式桅杆发射技术难度最小，运载器发射方式次之，湿式发射技术难度最大。然而从作战效能的角度看则以湿式发射最为显著，桅杆发射方式最小。湿式发射方式反应速度快，而且无人机可重复利用，是潜射无人机未来的发展方向。

2 潜射无人机折叠翼方案分析

2.1概述

潜射无人机的关键技术之一是机翼折叠技术[3]。本文提出3种不同的折叠翼方案，考虑到潜射无人机不同的发射方式，将3种不同方案的折叠翼运动过程设定为先水中、后空中，即折叠前无人机在水中运动，出水后在空中展开机翼，进入飞行状态。这样设定的好处是，如为湿式发射，则对整个发射过程(水中到空中)的数据进行分析比较，选择较优方案；如为干式发射，则只需比较空中过程的数据即可。

本文所分析的所有潜射无人机折叠机翼展开后的气动布局完全相同，均为圆型截面机身，双垂尾布局，双垂尾结构是成90°夹角的对称翼型垂尾，采用翼型RAE2822，垂尾展弦比1～2，根梢比2.0～3.5，翼型相对厚度为10%～12%。展开状态下的机翼采用大展弦比机翼，翼型 RAE2822，梯形平直中单翼，展弦比6～8，根梢比2.5～3.0，翼型选择相对厚度为10%～14%的高升力高升阻比外形。展开状态下各布局的机翼大小相同，安装角一致。

取发射角为15°时的状态，对不同折叠翼方案的潜射无人机在发射过程中所受的阻力和产生的升力进行计算比较。为了更具代表性，假设潜射无人机折叠翼展开前所处的水流场分为水下无粘条件下和水下有粘k-e条件下，分别对折叠翼展开前的模型进行计算；同时，计算机翼展开后潜射无人机在空中迎角为1°状态时的升阻比[4]。因模型纵向对称，为了节约计算时间，只计算半个模型的数据，计算结果乘以2即得整机的数值。

以下为潜射无人机机翼展开后的圆型截面机身机翼无折叠的气动布局及分析结果。圆型截面机身机翼无折叠的气动布局三维图如图1所示，它是无人机各种不同折叠翼方案展开后的状态。

图1 机翼无折叠的气动布局

该气动布局的有限元网格图如图2所示，面网格数51 446，体网格数843 584。该气动布局的无人机在空中展开后升力为54 881.523 90N，阻力为5 005.021 34N，升阻比为10.965 3。水下无粘条件下该气动布局的潜射无人机升力为68 340.159 00N，阻力为3 881.494 50N；水下有粘k-e条件下该气动布局的潜射无人机升力为63 636.523 00N，阻力为9 667.223 10N。

图2 机翼无折叠有限元网格图

模仿气动升阻比的概念，定义比值K=水下升力/水下阻力，浮阻比K数值越大说明该气动外形在水下性能越好。因此比较圆型截面机身机翼无折叠的气动布局和3种不同机翼折叠方式的气动布局的水下有粘k-e条件下的K值，即可得出布局最好之方案。

圆型截面机身机翼无折叠的气动布局的K值为6.582 709 672 0。

2.2横向折叠翼方案

潜射无人机横向折叠翼方案是指采用传统的横向折叠翼的方式将机翼收起，该方案容易实现，有可用的技术基础，而且展开机构相对简单。对无人机来说可采用翼梢加装小火箭或采用弹性机构来完成机翼展开[5]。但该方案的缺点是，当无人机从水中到空中的过程中横向折叠翼打开时，受实际海况影响，无法确定是在水中还是在空中完成机翼展开，如是在水下打开横向折叠的翼梢，容易受水压影响，可能会导致机翼展开延时甚至无法展开，从而导致发射失败。横向折叠翼折叠状态如图3所示，展开状态如图4所示。

图3 机翼横向折叠状态图

图4 机翼展开状态图

圆型截面机身机翼横向折叠的气动布局，机翼横向折叠后可以有效减小无人机的横截面积，使无人机能更加便于储运和发射。气动布局的三维图如图5所示。

图5 机翼横向折叠的气动布局的三维图

该气动布局的有限元网格图如图6所示，面网格数57 334，体网格数970 807，水下压力图如图7和图8所示。图7为水下无粘条件下的压力图，图8为水下有粘k-e条件下的压力图。水下无粘条件下该气动布局的折叠翼无人机升力为28 837.962 00N，阻力为3 237.828 60N。水下有粘k-e条件下该气动布局的折叠翼无人机升力为27 096.906 00N，阻力为8 732.462 00N。

图6 机翼横向折叠的气动布局有限元网格图

圆型截面机身机翼横向折叠翼的气动布局的K值为3.103 008 750 6。

图7 水下无粘条件下的压力图

图8 水下有粘k-e条件下的压力图

2.3机翼纵向完全折叠方案

潜射无人机机翼纵向完全折叠方案如图9所示，展开后如图4所示。该方案机翼纵向完全折叠。对潜射无人机而言，考虑水下存在大量鱼类、海藻等，将机翼完全折叠于机身外部存在较高被撞击、缠绕风险，因而采用无人机机翼纵向完全折叠收缩于机身内部的方案。采用该方案的折叠翼无人机外型无明显凸起面，所受阻力较小，为发射无人机需要对发射器(如鱼雷管、导弹井等)进行的改造较少，甚至可无需改造，直接通过鱼雷管或导弹井发射[6]。

图9 机翼纵向完全折叠状态图

但机翼完全纵向折叠于机身，要求机身必须有足够空间来安置机翼以及相应的机翼展开机构，而且机翼展开时间较长，在展开过程中因为运动部分面积大，运动行程长，其受气流、水流冲击影响较大。无人机从机翼折叠到机翼展开的过程中其外形改变很大，可能会导致无人机运动姿态的大幅改变。

圆型截面机身机翼纵向完全折叠进入机身的气动布局三维图如图10所示。

图10 机翼纵向折叠进入机身的气动布局的三维图

该气动布局的有限元网格图如图11所示，面网格数34 652，体网格数463 165，水下压力图如图12和图13所示。图12为水下无粘条件下的压力图，图13为水下有粘k-e条件下的压力图。水下无粘条件下该气动布局的潜射无人机升力为14 887.303 00N，阻力为2 216.677 00N。水下有粘k-e条件下该气动布局的潜射无人机升力为13 668.352 00N，阻力为5 108.809 90N。

圆型截面机身机翼纵向完全折叠翼的气动布局的K值为2.675 447 368 0。

图11 机翼纵向折叠进入机身的气动布局有限元网格图

图12 水下无粘条件下的压力图

图13 水下有粘k-e条件下的压力图

2.4机翼纵向后掠部分折叠方案

潜射无人机机翼纵向后掠部分折叠方案如图14所示，展开后如图15所示。该方案机翼后掠将机翼包含襟副翼的部分纵向折叠于机身内部，能有效保护襟副翼的结构在水下不被生物撞击、缠绕，而且在机体外的部分机翼形成一个升力面，机翼后掠也能减小无人机所受阻力。当机翼展开时机翼运动行程很小，无人机外形状态改变较小，对无人机运动姿态的影响较小。但该方案对完成机翼展开的机构要求较高[7]。

图14 机翼纵向后掠部与折叠状态图

圆型截面机身机翼纵向后掠部分折叠的气动布局三维图如图15所示。

图15 机翼纵向后掠部分折叠的气动布局三维图

该气动布局的有限元网格图如图16所示，面网格数48 994，体网格数752 583。图17为水下无粘条件下的压力图，图18为水下有粘k-e条件下的压力图。水下无粘条件下该气动布局的折叠翼无人机升力为23 680.536 00N，阻力为2 651.135 10N。水下有粘k-e条件下该气动布局的折叠翼无人机升力为23 149.919 00N，阻力为6 569.115 60N。

图16 有限元网格图

圆型截面机身机翼后掠纵向折叠翼的气动布局的K值为3.524 054 136 0。

图17 水下无粘条件下的压力图

图18 水下有粘k-e条件下的压力图

3 总结

从分析可以看出，机翼面积越大其升力就越大，但同时阻力也越大。升力最大的状态是机翼完全展开时，但此时其阻力也最大。阻力最小时是机翼完全纵向折叠进机身内部，但同时其升力也最小。

通过对K值的比较发现，同一圆型机身截面情况下，机翼无折叠时K值最大，机翼后掠纵向折叠次之，机翼纵向折叠进入机身K值最小。但是机翼无折叠的潜射无人机对潜艇的速度和隐身性能有严重影响，而且运输、存储都不方便，所以该方案予以排除。

机翼横向折叠的潜射无人机在从水中到空中的发射过程中，当横向折叠翼打开时，受实际海况影响，无法确定是在水中还是在空气中完成机翼展开，如是在水下打开，横向折叠的翼梢部分容易受水压影响，可能会导致机翼展开延时，甚至无法展开，从而导致发射失败。该方案安全性过低，如无可靠的机翼展开装置，不建议使用。

其余2种方案，如通过鱼雷管发射则需要对潜艇进行小范围改造；如采用附加发射舱的形式，则无需对潜艇进行太多的改动，因而可适用于各型号潜艇，同时储运也较方便。其中机翼后掠纵向折叠方案因为展开行程比机翼纵向折叠进入机身的展开行程小，机翼变化面积也小，所以受海浪、风力等产生的侧向力影响更小，能减小无人机侧向倾覆的可能性，而且机翼后掠纵向折叠的K值比机翼纵向折叠进入机身的K值大，所以建议选择机翼纵向后掠折叠的机翼折叠方案。

本文只是对同一机身截面形状的潜射无人机的不同折叠翼方案进行了简单的分析，后续可以对不同截面形状的机身和各种折叠翼方案组合的潜射无人机进行分析[8]，分析的数据除升力、阻力、升阻比外还可考虑对其他参数进行计算比较，以得出各种发射方式下更好的潜射无人机气动布局。

[1] 谭红明，邓海强，周欲晓，等.潜射无人机发展现状及其关键技术[J].南京航空航天大学学报,2009，41(增1)：1-5.

[2] 张晓东，孙碧娇.美军潜射无人机的发展与关键技术[J].鱼雷技术,2005,13(3)：6-10.

[3] 廖波，袁昌盛，李永泽.折叠机翼无人机的发展现状和关键技术研究[J].机械设计,2012，29(4)：1-4.

[4] 郭述臻，郑祥明，尹崇，等．折叠翼飞机的气动特性分析[J].航空工程进展,2013，4(3)：358-363.

[5] 郭小良，裴锦华，杨忠清，等.无人机折叠机翼展开运动特性研究[J].南京航空航天大学学报,2006，38(4)：438-440.

[6] 丛敏．一次性多用途炮射无人机[J]．飞航导弹，2002(6)：1.

[7] 华光，王华．巡飞器折叠翼的设计要求[J]．飞航导弹，2009(6)：36-39.

[8] 姚铭.一种潜射无人机：中国，201320768668.1[P]．2014-03-17.

Schemecomparisononthefoldingwingofubmarine-launchedUAV

YAO Ming, DONG Gaoyuan, YIN Xiang

(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Jiangsu Nanjing, 210016, China)

Because of the particularity of its platform, submarine-launched UAV has different launch modes, such as dry and wet. One of the key technologies is the folding wing technology. For several different folding wing schemes, it designs a sample with the same body structure. A movement process is set from water to air, and the flow field is divided into underwater non viscous conditions and underwater viscous k-e conditions. The paper compares and analyzes the aerodynamic performance calculations of different folding wing schemes. The results indicate that longitudinal swept partially folding wing scheme is more suitable for wet launch, longitudinal completely folding into the fuselage wing scheme is more suitable for dry launch.

submarine-launched UAV; folding wing; aerodynamic performance

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.10.005

2014-09-19

姚铭(1982—)，男，江苏赣榆人，南京航空航天大学助理研究员，主要研究方向为飞行器总体设计。

V279

A

2095-509X(2014)10-0021-06