高速面对称飞行器总体抗失控设计方法

李华光, 张 静, 郑宏涛, 蔡巧言, 李贵成

(中国运载火箭技术研究院, 北京 100076)

引 言

从早期美国超声速飞行器发生的失控事故到近期更高速度飞行器的多次失利, 越来越多的证据表明: 随着飞行速度的提高, 传统观念中操稳性良好的保守设计变得不再保险. 传统只考虑静稳定性、 舵面配平和操纵能力的稳定性设计方法已难以适应高速面对称飞行器的设计需求[1]. 高速飞行器面临更高Mach数的机动飞行过程, 稳定性和有效控制已经成为飞行器速度提升的短板.

高速飞行器设计与传统的惯性再入飞行器设计有根本性差别. 传统惯性再入飞行器的流场结构相对简单, 耦合特性对飞行器总体性能的影响非常小, 往往可以忽略, 通常采用解耦设计得到的可行解即能够满足整体性能指标要求, 这也是目前多数飞行器所采用的设计思路. 但是对于更高速飞行器, 其面临更为复杂的流场结构、 通道间耦合严重、 耦合干扰和不确定性影响力与控制力变为一个数量级, 因此不可忽略, 且总体机动性、 航程、 飞行时间等飞行性能要求更高. 上述多种因素限制下, 传统设计方法体系难以满足这种更高速飞行器的设计需求[2].

高速飞行器追求高升阻比特性, 气动构型优先考虑扁平尖外形, 但该构型会给结构布局和防热设计带来困难. 同时, 为实现可靠飞行控制、 降低控制难度, 需要尽量提高三通道静稳定性、 增大舵效、 减小气动耦合、 降低姿态机……