具有冗余气动布局的乘波飞行器及其操控方法技术

本发明专利技术公开了一种具有冗余气动布局的乘波飞行器，该乘波飞行器是以理想乘波构型为前体，该乘波飞行器的尾部两侧设有可转动的全动控制舵，乘波飞行器的尾部上、下表面均开设有可转动的嵌入式控制面，乘波飞行器的底面两侧分别开设有两组斜切喷管。本发明专利技术的具有冗余气动布局的乘波飞行器不仅气动力性能优异、操控性好、鲁棒性强，而且可实现阻尼调节。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于乘波飞行器的总体结构设计
，尤其涉及一种。
技术介绍
气动布局设计是滑翔式飞行器设计的基础。在高超声速条件下，乘波构型具有较好的气动力性能，成为突破传统飞行器高超声速飞行面临的“升阻比屏障”的一种有效尝试。然而，理想乘波构型没有任何姿态调节的操纵机构，在滑翔式飞行器气动布局设计过程中，需要对理想乘波构型进行修形处理。经过我们的分析发现，现有乘波飞行器的气动布局仅在理想乘波构型的基础上，对边缘进行了适当钝化修形，并配合以底部平面的小喷管进行姿态操控。这样的布局设计，使得乘波飞行器虽然在整体构型上偏离理想乘波构型较小，具有较好的气动力性能，但在防热系统设计上面临较大挑战。与此同时，由于现有乘波飞行器进行姿态控制的手段十分有限，其控制系统的鲁棒性差，在操控能力上存在缺陷。此外，由于现有乘波飞行器的俯仰阻尼小，其俯仰通道很容易失稳。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、气动力性能优异、操控性好、鲁棒性强、可实现阻尼调节的具有冗余气动布局的乘波飞行器，还提供一种简单易行的该乘波飞行器的操控方法。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为一种具有冗余气动布局的乘波飞行器，该乘波飞行器是以理想乘波构型为前体，所述乘波飞行器的尾部两侧设有可转动的全动控制舵，所述乘波飞行器的尾部上、下表面均开设有可转动的嵌入式控制面，所述乘波飞行器的底面两侧分别开设有两组斜切喷管。上述本专利技术的技术方案，通过将多种控制部件运用到基于乘波构型设计的气动布局中，不同控制部件之间进行相互组合，可以形成多种控制手段；根据该布局三通道(含俯仰、偏航、滚转)在不同飞行阶段(包括飞行高度、飞行速度等差异)姿态控制系统的需求，可以采用不同的组合控制手段以实现对乘波飞行器姿态最有效、最优化地控制。上述的具有冗余气动布局的乘波飞行器中，优选的，所述全动控制舵包括左全动舵和右全动舵，所述左全动舵和右全动舵沿所述乘波飞行器的中平面呈对称布置；所述乘波飞行器尾部的两侧设有两个与中平面基本平行的安装平面(该安装平面是通过削去理想乘波构型后部最外两侧的两个类三棱锥体后得到)，所述全动控制舵的安装转轴垂直于安装平面装设。所述左全动舵和右全动舵能够绕各自的安装转轴转动。当左全动舵和右全动舵进行同向偏转(即左全动舵和右全动舵绕各自的安装转轴同时进行顺时针或逆时针偏转)相同角度时，可实现对乘波飞行器的俯仰通道的控制；当左全动舵和右全动舵进行差动偏转(即左全动舵和右全动舵绕各自的安装转轴同时朝相反方向偏转)相同角度时可实现乘波飞行器滚转通道的控制；当偏转角度不同时，由于受力不对称，对俯仰、偏航和滚转通道都会有影响，可以实现对乘波飞行器的滚动和偏航控制。所述全动控制舵的控制舵面的面积大小、形状和安装位置一般与所选取的乘波构型具体形状参数以及所需要的设计性能相关，本领域技术人员可以通过气动设计方法进行计算确定。作为对上述技术方案的进一步改进，所述乘波飞行器上表面的中后部开设有两个类三棱锥状的上凹槽(通过在理想乘波构型上表面靠近后缘和外侧的位置进行修形，削成两个对称式平台)，所述乘波飞行器下表面的中后部开设有两个类三棱锥状的下凹槽(通过在理想乘波构型下表面靠近后缘和外侧的位置进行修形，削成两个对称式平台)，所述上凹槽和下凹槽的尾部均设有嵌入式控制面，所述上凹槽、下凹槽和嵌入式控制面均沿所述乘波飞行器的中平面呈对称布置。更优选的，所述嵌入式控制面位于可转动的三棱柱体上，所述三棱柱体的旋转轴沿垂直于所述中平面的方向装设在所述上凹槽和下凹槽中。所述三棱柱体的底面优选平行于所述中平面，所述旋转轴与三棱柱体的一条侧棱相邻并平行。在上述优选的技术方案中，所述嵌入式控制面的旋转角度受来流状态和对称式平台角度等参数约束。上凹槽中对称设置的两个嵌入式控制面或下凹槽中对称设置的两个嵌入式控制面在同方向偏转相同角度时，可实现乘波飞行器俯仰通道的控制；而差动偏转时，则可实现对乘波飞行器俯仰、偏航和滚转通道的控制；当上凹槽中的嵌入式控制面向上偏转，而下凹槽中的嵌入式控制面向下偏转时，则可增大乘波飞行器气动布局的阻尼，改善理想乘波构型阻尼小的缺陷；当偏转角度不同时，由于受力不对称，对俯仰、偏航和滚转通道都会有影响。作为对上述技术方案的进一步改进，所述乘波飞行器中，每组所述的斜切喷管是由上斜切喷管单元、中斜切喷管单元和下斜切喷管单元组成，所述两组斜切喷管沿所述乘波飞行器的中平面呈对称布置。更优选的，所述上、下斜切喷管单元位于同一竖直平面内，且相比中斜切喷管单元更靠近所述的中平面；所述上斜切喷管单元的喷射方向朝上，所述下斜切喷管单元的喷射方向朝下，所述中斜切喷管单元的喷射方向朝外。通过我们的反复实验测算，所述上斜切喷管单元的中轴线与水平面优选呈30° 60°仰角，所述下斜切喷管单元的中轴线与水平面优选呈30° 60°俯角(特别优选和上斜切喷管单元的仰角角度相同)，所述中斜切喷管单元的中轴线与中平面优选呈30° 60°夹角。两组斜切喷管主要在再入初期大气比较稀薄时使用当两个上斜切喷管单元同时工作或两个下斜切喷管单元同时工作时，可实现乘波飞行器俯仰通道的控制；而左侧或右侧的中斜切喷管单元单独工作时，则可实现乘波飞行器偏航通道的控制；当左侧的上斜切喷管单元与右侧的下斜切喷管单元同时工作，或者当左侧的下斜切喷管单元与右侧的上斜切喷管单元同时工作时，则可实现乘波飞行器滚转通道的控制。作为一个总的技术构思，本专利技术还提供一种上述乘波飞行器的操控方法，通过乘波飞行器飞行时来流动压的大小对乘波飞行器进行组合式操控，具体包括以下操作当来流动压小于某一值(优选如100帕)时(对应乘波飞行器再入滑翔过程的初始阶段)，此时乘波飞行器的飞行高度偏高、大气稀薄、动压较低，各个气动控制面(包括全动控制舵和嵌入式控制面)的操纵力较小，不能够提供足够力矩控制乘波飞行器姿态，几乎起不到姿态控制的作用，此时，斜切喷管的控制起主导作用，可利用所述的两组斜切喷管实现对乘波飞行器姿态的有效控制；由于本专利技术乘波飞行器中斜切喷管和气动控制面的工作效率均与来流动压紧密相关，因此，当来流动压增大时，斜切喷管的工作效率下降，气动控制面的工作效率则上升；当来流动压大于某一值(优选如460帕)时(对应再入滑翔过程的主要阶段时)，则可利用所述的全动控制舵和嵌入式控制面进行组合操纵，实现对乘波飞行器姿态的有效控制；当来流动压介于两分界值之间(例如100帕 460帕之间)时，通过所述的两组斜切喷管、全动控制舵和嵌入式控制面进行共同组合操纵，实现对乘波飞行器姿态的有效控制。由于本专利技术提出的上述冗余气动布局没有包含垂直尾翼，因此乘波飞行器的横向静稳定性则主要依靠所述全动控制舵的上反设计实现。当乘波飞行器产生侧滑时，上反的全动控制舵将导致乘波飞行器左右两侧受到的升力及其分布出现差异，从而产生滚转恢复力矩。本专利技术提出的上述冗余气动布局还可以通过所述嵌入式控制面以阻力方向舵模式工作来产生偏航力矩。但是，在实际设计过程中，对于采用乘波构型作为基本布局的高超声速滑翔式乘波飞行器的力、热特征对偏航角十分敏感，其横航向机动主要通过控制滚转通道姿态变化，以侧倾转弯方式实现。与现有技术相比，本专利技术的优点在于本专利技术冗余气动布局偏离理想本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有冗余气动布局的乘波飞行器，该乘波飞行器是以理想乘波构型为前体，其特征在于：所述乘波飞行器的尾部两侧设有可转动的全动控制舵，所述乘波飞行器的尾部上、下表面均开设有可转动的嵌入式控制面，所述乘波飞行器的底面两侧分别开设有两组斜切喷管。

【技术特征摘要】
1.一种具有冗余气动布局的乘波飞行器，该乘波飞行器是以理想乘波构型为前体，其特征在于所述乘波飞行器的尾部两侧设有可转动的全动控制舵，所述乘波飞行器的尾部上、下表面均开设有可转动的嵌入式控制面，所述乘波飞行器的底面两侧分别开设有两组斜切喷管。2.根据权利要求1所述的具有冗余气动布局的乘波飞行器，其特征在于所述全动控制舵包括左全动舵和右全动舵，所述左全动舵和右全动舵沿所述乘波飞行器的中平面呈对称布置；所述乘波飞行器尾部的两侧设有两个与中平面基本平行的安装平面，所述全动控制舵的安装转轴垂直于安装平面装设。3.根据权利要求1或2所述的具有冗余气动布局的乘波飞行器，其特征在于所述乘波飞行器的上表面的中后部开设有两个类三棱锥状的上凹槽，所述乘波飞行器的下表面的中后部开设有两个类三棱锥状的下凹槽，所述上凹槽和下凹槽的尾部均设有嵌入式控制面，所述上凹槽、下凹槽和嵌入式控制面均沿所述乘波飞行器的中平面呈对称布置。4.根据权利要求3所述的具有冗余气动布局的乘波飞行器，其特征在于所述嵌入式控制面位于可转动的三棱柱体上，所述三棱柱体的旋转轴沿垂直于所述中平面的方向装设在所述上凹槽和下凹槽中。5.根据权利要求4所述的具有冗余气动布局的乘波飞行器，其特征在于所述三棱柱体的底面平行于所述中平面，所述旋转轴与三棱柱体的一条侧棱相邻并平行。6.根据权利要求1或2所述的具有冗余气动布局的乘波飞行器，其特征在于每组所述的斜切喷管是由上斜切喷管单元、中斜切喷管单元和下斜切喷管单元组成，所述两组斜切喷管沿所述乘波飞行器的中平面呈对称布置。7.根据权利要求6所述的具有冗余气动布局的乘波飞行器，其特征在于所述上、下斜切喷管单元位于同一竖直平面内，且相比中斜切喷管单元更靠近所述的中平面；所述上斜切喷管单元的喷射方向朝上，所述下斜切喷管单元的喷射方向朝下，所述中斜切喷管单元的喷射方向朝外。8.根据权利要求7所述的具有冗余气动布局的乘波飞行器，其特征在于所述上斜切喷管单元的中轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯中喜，郭正，陈小庆，刘建霞，王鹏，范戎飞，蒋洁，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：