基于升力體環(huán)流控制技術(shù)的改良?xì)鈩?dòng)模型

韓思琦

摘 要：基于升力體環(huán)流控制技術(shù)的改良?xì)鈩?dòng)模型，氣動(dòng)舵面及其后續(xù)升級(jí)就一直與飛行器的迭代密切相關(guān)，升力體環(huán)流控制技術(shù)則是對(duì)傳統(tǒng)氣動(dòng)舵面的全面革新，在不大幅增加對(duì)核心機(jī)功率要求，不采用推力矢量的情況下，能實(shí)現(xiàn)飛行器機(jī)動(dòng)性和可操縱性的跨步式提升。目前，新的多用途、多功能。隱身性的飛行器的研制，已經(jīng)成為現(xiàn)在世界各個(gè)國(guó)家軍事的研究和發(fā)展的方向和重點(diǎn)。隱身的功能在軍事空軍上有巨大的潛力，隱身技術(shù)即將成為各個(gè)國(guó)家軍隊(duì)競(jìng)相于高科技武器的裝備上的核心技術(shù)。就目前升力體環(huán)流控制技術(shù)改良模型的基本架構(gòu)，升力體環(huán)流控制技術(shù)的組成，升力體環(huán)流控制技術(shù)方面做出詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞：升力體環(huán)流控制；核心機(jī)；氣動(dòng)模型

中圖分類號(hào)：TG76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）19-0088-03

1 前言

自從大氣層內(nèi)飛行器被大規(guī)模工程應(yīng)用，氣動(dòng)舵面及其后續(xù)升級(jí)就一直與飛行器的迭代密切相關(guān)，但基于翼端壓力載荷差動(dòng)的傳統(tǒng)氣動(dòng)舵面在“逃逸層、超低空”與“附面層解耦”時(shí)——即飛行包線的兩個(gè)極端上存在的舵效差、效率低、可靠性不足等問(wèn)題日趨突顯，限制了飛行器任務(wù)包線的外拓與氣動(dòng)效率的提升[1]。因此界內(nèi)產(chǎn)生了“機(jī)械偏轉(zhuǎn)量”與“改良?xì)鈩?dòng)操縱”的兩種思想。其中前者以沃爾夫?qū)恼哿靼逶O(shè)計(jì)和NASA的X-31驗(yàn)證機(jī)為先導(dǎo)，并擁有F110、F135系列矢量高推比渦扇裝機(jī)的成就；后者則滲透入新型機(jī)設(shè)計(jì)的各領(lǐng)域，包括采用非常規(guī)翼形、邊條翼與鴨翼的氣動(dòng)機(jī)提升、翼身融合模型等，尤以F104“星式”的“附面層操縱”為引領(lǐng)者。而本文所論述的升力體環(huán)流控制技術(shù)則是對(duì)傳統(tǒng)氣動(dòng)舵面的全面革新，在不采用推力矢量，不大幅增加對(duì)核心機(jī)功率要求的情況下，能實(shí)現(xiàn)飛行器的機(jī)動(dòng)性和可操控性的跨步式提高。

2 關(guān)于升力體環(huán)流控制技術(shù)改良模型的基本架構(gòu)

在改良模型設(shè)計(jì)中應(yīng)熟悉了解架構(gòu)的總體的尺寸設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)外形的整體布局設(shè)計(jì)，在飛行力學(xué)中的具體性能的設(shè)計(jì)，核心機(jī)的選擇上的設(shè)計(jì)，對(duì)模型機(jī)設(shè)備的整體布置的重量分布設(shè)置以及對(duì)改良的傳統(tǒng)氣動(dòng)舵面的設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要注重整體結(jié)構(gòu)受力形式選擇、受力組成構(gòu)件的分布、開(kāi)口的分布、分離面和所連接樣式的設(shè)計(jì)。完成好整體的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)出適合的，滿足要求的機(jī)體結(jié)構(gòu)。要注重各個(gè)構(gòu)件之間和構(gòu)件與內(nèi)部裝載間的形狀協(xié)調(diào)、位置。

其改良模型的基本架構(gòu)包括遙控器、飛控、電調(diào)、電機(jī)、機(jī)架、正反槳葉、電池、GPS、夜航燈和防撞圈等。其中遙控器是向飛控發(fā)出信號(hào)實(shí)現(xiàn)飛；飛控是核心，它是飛行器的大腦，來(lái)保持自身穩(wěn)定飛行，接收遙控器發(fā)出的信號(hào)，并將信號(hào)傳輸給電調(diào)來(lái)告訴它將如何飛行；電調(diào)是飛控的控制信號(hào)，其轉(zhuǎn)變成電流的大小，來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。其中包括動(dòng)力裝置、機(jī)翼、機(jī)身、起落裝置尾翼組成。動(dòng)力裝置是在動(dòng)力裝置上，主要用來(lái)產(chǎn)生力量，其包括拉力和推力，使模型機(jī)前進(jìn)。其次還可為機(jī)身上的其他用儲(chǔ)存電量的裝置[2]。現(xiàn)在飛機(jī)動(dòng)力裝置應(yīng)用較廣泛的有：航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)加螺旋槳推進(jìn)器、渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)。除了發(fā)動(dòng)機(jī)本身，動(dòng)力裝置還包括一系列保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的系統(tǒng)。機(jī)翼的主要功用是產(chǎn)生升力，以支持飛機(jī)在空中飛行，同時(shí)也起到一定的穩(wěn)定和操作作用。在機(jī)翼上一般安裝有副翼和襟翼，進(jìn)行對(duì)副翼的操作可以使機(jī)身實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)操作襟翼可以提升升力，加大升力。在機(jī)翼上還可安裝核心機(jī)，起落時(shí)用的架子。在不同用途的飛行機(jī)上其機(jī)翼形狀、大小也各有不同。機(jī)身的主要主要用處是能承載東西，其中包括乘客，物品，和一些設(shè)備，可以將飛機(jī)的其他部件如連接成一個(gè)整體。起落裝置是飛機(jī)的起落架大都由減震支柱和機(jī)輪組成，功能是能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起飛，平穩(wěn)下降，安全著地和滑翔，地面滑行和停放時(shí)支撐飛機(jī)。尾翼包括水平和垂直尾翼。水平尾翼由固定的水平安定面和可動(dòng)的升降舵組成，有的高速飛機(jī)將水平安定面和升降舵合為一體成為全動(dòng)平尾。垂直尾翼中包括固定翼尾垂直的和能動(dòng)性的裝置。尾翼的作用是操縱機(jī)身的視角和偏俯度，進(jìn)而能確保機(jī)身能平穩(wěn)地飛行。

3 關(guān)于升力體環(huán)流控制/補(bǔ)償技術(shù)

3.1 采用升力體環(huán)流控制技術(shù)的作用

在采用升力體環(huán)流技術(shù)的同時(shí)，會(huì)帶來(lái)很多便利之處和增強(qiáng)性能提高上的作用。它能提升人造升力體的航向控制能力與頭部指向性能，能減少控制機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)死重，能提高流體附層的簡(jiǎn)潔度，能全面降低升力體的多方向電磁反射性能，提高雷性隱身性能，并能配合其它技術(shù)，提高系統(tǒng)集成度，提高控制機(jī)構(gòu)的可靠性等。綜合以上在采用升力體環(huán)流技術(shù)性能提高上的作用做出以下五部分詳細(xì)的說(shuō)明。

3.1.1 提升人造升力體的航向控制能力與頭部指向性能

采用升力體環(huán)流控制技術(shù)在航向控制能力上會(huì)比不采用的更具有靈活性和能動(dòng)性，在飛控的時(shí)間能更好的控制其方位，能行之有效的減少飛行器的意外碰觸事件發(fā)生[3]。在其航向控制能力的前提下，在頭部指向性能上的提高也會(huì)更加明顯，在控制了方位的同時(shí)能使飛行的位置更加精準(zhǔn)，提高了飛行的效率也避免了一些其他事故的發(fā)生。

3.1.2 減少控制機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)死重

采用升力體環(huán)流控制技術(shù)，可增強(qiáng)飛行器的機(jī)動(dòng)性和靈敏性，進(jìn)而減少控制機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)死重現(xiàn)象的發(fā)生。機(jī)構(gòu)覺(jué)得結(jié)構(gòu)死重現(xiàn)象會(huì)給飛行器帶來(lái)很大的弊端，最嚴(yán)重的情況下會(huì)使飛行器死機(jī)，直接在空中掉落，此技術(shù)的采用會(huì)使飛行器在未來(lái)的發(fā)展中實(shí)現(xiàn)質(zhì)的跨越。

3.1.3 有助于提高流體附層的簡(jiǎn)潔度，優(yōu)化氣動(dòng)性能

采用升力體環(huán)流控制技術(shù)能使飛行器在飛行狀態(tài)下所受的阻力會(huì)有所減少，升力會(huì)有所提高，力的方向會(huì)更準(zhǔn)確，力的大小會(huì)加大，其自身飛行的穩(wěn)定性會(huì)有所提高，有利于使渦系更加穩(wěn)定，推遲了渦的破裂，提升了很好的渦升力。并且有助于提高流體附層的簡(jiǎn)潔度進(jìn)而提高飛行的速度和效率。

3.1.4 全面降低升力體的多方向電磁反射性能，提升雷達(dá)隱身性能

采用升力體環(huán)流控制技術(shù)提高其雷達(dá)隱身技術(shù)，并在隱身性能、生存能力、自我分析能力上加速提高。多方向的電磁反射性能，其雷達(dá)的反射面積越大，目標(biāo)在雷達(dá)屏上的點(diǎn)就會(huì)越大，同樣的同等的雷達(dá)就可以在更遠(yuǎn)的地方探測(cè)到這個(gè)目標(biāo)反之就不能，隱身飛機(jī)就是通過(guò)促進(jìn)雷達(dá)波的散射（比如說(shuō)機(jī)身設(shè)計(jì)得光滑）或者折射（比如說(shuō)棱角的機(jī)頭，傾斜尾翼）等來(lái)降低飛機(jī)的雷達(dá)反射面積，從而達(dá)到電子隱身的目的，像F22的正面雷達(dá)截面約只有0。001平方米，普通L波段偵查雷達(dá)和X/C波段火控雷達(dá)根本無(wú)法偵測(cè)。目前，新一代多用途、多功能。隱身性的飛行器的研制，已經(jīng)成為現(xiàn)在世界各個(gè)國(guó)家軍事的研究和發(fā)展的方向和重點(diǎn)。隱身的功能在軍事空軍上有巨大的潛力，隱身技術(shù)即將成為各個(gè)國(guó)家軍隊(duì)競(jìng)相于高科技武器的裝備上的核心技術(shù)[4]。

3.1.5 配合其它技術(shù)，提高系統(tǒng)集成度，提高控制機(jī)構(gòu)的可靠性

采用升力體環(huán)流控制技術(shù)可以配合其氣動(dòng)模型和其他技術(shù)的相結(jié)合，進(jìn)而提高整個(gè)氣動(dòng)模型的集成度，來(lái)提高控制機(jī)構(gòu)的可靠性和實(shí)用性。

3.2 升力體環(huán)流控制技術(shù)的系統(tǒng)組成

升力體環(huán)流控制技術(shù)的基本原理是通過(guò)人為制造流體環(huán)流，以中壓來(lái)干涉附面層，渦扇來(lái)制造可用壓力差。

3.2.1 核心機(jī)

適用于大氣層內(nèi)飛行器時(shí)，動(dòng)力源包括中壓、渦扇、液體或固體火箭等，使用壓力機(jī)與多級(jí)能閥和增壓機(jī)。當(dāng)適用于大氣層內(nèi)飛行時(shí)，動(dòng)力源包括電動(dòng)機(jī)、熱力輪機(jī)或?qū)Ｓ脷庠?，采用低壓工質(zhì)泵與高壓泵。核心機(jī)提供的力有兩部分構(gòu)成，一部分是渦噴直接提供的力渦噴力，另一部分是渦輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇提的力渦扇力。這兩部分力占的比值決定了核心機(jī)的基本構(gòu)造，也就是說(shuō)這渦輪是要把力分配給風(fēng)扇還是直接噴出去，這也是渦扇核心機(jī)區(qū)別和比渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)更復(fù)雜的原因，渦扇力（渦輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇力）和渦噴力的比值決定了涵道比，這兩個(gè)力的比值不同決定了渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的最根本設(shè)計(jì)，由核心機(jī)的渦輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇力和渦噴力比值可以看出太行系列的核心機(jī)技術(shù)很前沿，已經(jīng)為環(huán)流控制技術(shù)奠定了動(dòng)力基礎(chǔ)。

3.2.2 舵效噴口

替代傳統(tǒng)的水平舵、垂直舵、副翼、襟翼等舵面的作用。具有可調(diào)流量、流速，可調(diào)矢量的功能，也是該系統(tǒng)的關(guān)鍵部位。對(duì)材料提出高比模量、高可塑性的要求，對(duì)實(shí)際工藝提出批量生產(chǎn)異性多元噴管的要求。發(fā)動(dòng)機(jī)推力方向都和飛機(jī)前進(jìn)方向一致[5]。前邊是尾翼配平。只有尾翼產(chǎn)生抬頭力矩。尾翼面積小，偏轉(zhuǎn)角度大。后邊是矢量配平。整個(gè)機(jī)身、機(jī)翼都產(chǎn)生抬頭矢量。偏轉(zhuǎn)角度小。矢量配平，機(jī)身、機(jī)翼、尾翼都在一個(gè)相對(duì)平整的流場(chǎng)中，所以阻力小一些。尾翼配平，尾翼和機(jī)身、主翼有偏轉(zhuǎn)角，在流場(chǎng)中產(chǎn)生擾亂，阻力增大。另外，尾翼已經(jīng)有了較大偏轉(zhuǎn)角度，很難再增加偏轉(zhuǎn)角度使飛行器抬頭機(jī)動(dòng)。起飛時(shí)，其升力風(fēng)扇上部和下部的排風(fēng)口打開(kāi)，矢量噴口向下，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)輸出動(dòng)力，兩個(gè)向下的力升起飛機(jī)；達(dá)到一定高度后，矢量噴口恢復(fù)正常位置，機(jī)頭抬起一定角度，升力風(fēng)扇排風(fēng)口關(guān)閉，切斷動(dòng)力攻擊，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)全推力，利用其大于1的推重比，推起飛機(jī)完成水平方向的加速和飛行。

3.2.3 （前緣）干涉噴口

替代傳統(tǒng)的前緣機(jī)動(dòng)襟翼，甚至部分取代近距離耦合鴨翼的干涉功能的作用。技術(shù)要求低于舵效噴口，只需具有可調(diào)流量的功能。噴口的工作原理是發(fā)動(dòng)機(jī)前裝有空氣壓縮機(jī)，在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子有葉片，在核心機(jī)發(fā)動(dòng)之后，壓縮機(jī)會(huì)吸入外部的空氣而進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在外界的空氣被吸進(jìn)來(lái)以后，這事壓縮機(jī)就會(huì)實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)點(diǎn)的往后壓縮，會(huì)使被吸入的氣體的濃度增大，當(dāng)然其中的壓力也會(huì)隨之增加，當(dāng)壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)最后一次的壓縮時(shí)，這時(shí)氣體的壓力就會(huì)達(dá)到最大值。渦輪軸上裝渦輪盤(pán)，渦輪盤(pán)周圈裝滿葉片，會(huì)通過(guò)渦輪旋轉(zhuǎn)再一點(diǎn)點(diǎn)向后壓，壓縮機(jī)就會(huì)實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)點(diǎn)的往后壓縮，會(huì)使被吸入的氣體的濃度增大，最后，通過(guò)尾部噴口噴出。產(chǎn)生反作用力，使飛機(jī)向前飛。

3.2.4 基于任務(wù)計(jì)算機(jī)的飛、推、（火）一體操作的系統(tǒng)

備份有三余度液壓應(yīng)急操縱系統(tǒng)。如果發(fā)生應(yīng)急情況（如安全協(xié)議外的操作，或飛控系統(tǒng)損壞）而增加飛行器中數(shù)據(jù)處理的負(fù)擔(dān)，這時(shí)會(huì)通過(guò)對(duì)液壓電動(dòng)泵進(jìn)行控制的形式，進(jìn)而盡可能地減少液體壓出現(xiàn)的一系列的問(wèn)題和故障，從而減輕飛行器中處理的困難[6]。當(dāng)減少了困難的情況下，會(huì)使機(jī)身更具有靈敏性和高效性的發(fā)展。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)任務(wù)計(jì)算機(jī)的飛，推、（火）一體操作的整個(gè)過(guò)程。

3.2.5 前緣進(jìn)氣口

如果采用噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，可以與熱機(jī)進(jìn)氣口整合，具體建議在低壓渦輪后并聯(lián)管路，若無(wú)高涵道比進(jìn)氣口或者不具有外涵道，應(yīng)選裝預(yù)增壓風(fēng)扇、二級(jí)壓機(jī)、低壓渦輪。當(dāng)空氣流過(guò)機(jī)身時(shí)，在離機(jī)身很近的地方受摩擦影響，流速減慢，氣流紊亂，尤其是離機(jī)身表面幾毫米甚至幾厘米以內(nèi)的地方，稱“附面層”。如果附面層中的不穩(wěn)定氣流進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，會(huì)擾亂發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的流場(chǎng)，使之工作不穩(wěn)定。而前緣進(jìn)氣口可以使飛行器更具有穩(wěn)定性，靈敏性和可操作性。

4 結(jié)語(yǔ)

基于升力體環(huán)流控制技術(shù)的改良?xì)鈩?dòng)模型中，所才能用的技術(shù)運(yùn)用到實(shí)際民事生活和軍事生活，將會(huì)是這方面很大的進(jìn)步和質(zhì)的跨越，將會(huì)提高國(guó)家軍事上的能力。其中該技術(shù)中升力體環(huán)流控制技術(shù)在應(yīng)用于氣動(dòng)模型渦輪中，推進(jìn)了該模型的每一個(gè)其組成的部件，其中可以用來(lái)改善氣動(dòng)和熱力性能，如果以后的發(fā)動(dòng)機(jī)能采用升力體環(huán)流控制的技術(shù)，就可能會(huì)提高氣動(dòng)模型飛行器的性能，并能減輕其重量[7]。升力體環(huán)流控制技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)氣動(dòng)舵面的全面革新，在不采用推力矢量，不大幅增加對(duì)核心機(jī)功率要求的情況下，實(shí)現(xiàn)飛行器機(jī)動(dòng)性、可操縱性的跨代式提升。目前國(guó)內(nèi)研究升力體環(huán)流控制技術(shù)的改良?xì)鈩?dòng)模型距離國(guó)外的水平還有一定的差距，要綜合考慮到其在民用生活的領(lǐng)域和在軍事上的重要性，我們國(guó)家要加大這方面的研究和投入加各個(gè)方面力量的投入，鼓勵(lì)和支持該技術(shù)的發(fā)展，將該技術(shù)發(fā)展到成熟并能應(yīng)用到實(shí)際的領(lǐng)域。新一代多用途、多功能。隱身性的飛行器的研制，已經(jīng)成為現(xiàn)在世界各個(gè)國(guó)家軍事的研究和發(fā)展的方向和重點(diǎn)。隱身的功能在軍事空軍上有巨大的潛力，隱身技術(shù)即將成為各個(gè)國(guó)家軍隊(duì)競(jìng)相于高科技武器的裝備上的核心技術(shù)。

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