韓光松 李 萍

（1.國防大學(xué)聯(lián)合作戰(zhàn)學(xué)院 石家莊 050084）（2.96941部隊(duì) 北京 102206）

1 引言

海灣戰(zhàn)爭中，美軍F-15E戰(zhàn)斗機(jī)的一項(xiàng)重要任務(wù)就是摧毀伊軍的“飛毛腿”導(dǎo)彈。由于F-15E 戰(zhàn)斗機(jī)續(xù)航時(shí)間短，無法同時(shí)滿足搜索目標(biāo)和摧毀目標(biāo)兩項(xiàng)任務(wù)，這暴露了傳統(tǒng)飛行器在執(zhí)行多任務(wù)時(shí)存在弱點(diǎn)。隨著飛行器對(duì)機(jī)動(dòng)能力、飛行效率、任務(wù)適應(yīng)能力等需求的不斷提高，設(shè)計(jì)高效靈活的智能變形飛行器逐漸成為研究熱點(diǎn)。

鳥兒可以在飛行過程中改變翅膀的形狀，完成滑翔、盤旋、攻擊等動(dòng)作，例如在低速飛行時(shí)伸展翼面，在高速飛行時(shí)收縮翼面，通過扭轉(zhuǎn)翅膀?qū)崿F(xiàn)機(jī)動(dòng)飛行。人類對(duì)飛行器的研究動(dòng)機(jī)和靈感正是來源于自然界的鳥類和昆蟲。飛行器變形可以追溯到100多年前，1903年美國的萊特兄弟首次實(shí)現(xiàn)了有動(dòng)力載人的可控飛行，設(shè)計(jì)了一種可以扭轉(zhuǎn)變形的機(jī)翼，采用“機(jī)翼翹曲”方式實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的橫側(cè)向控制，這是人類飛行史上最早使用變形機(jī)翼的嘗試。

智能變形飛行器是指飛行器在飛行過程中能夠根據(jù)飛行環(huán)境、飛行任務(wù)、飛行控制要求的變化，自適應(yīng)變形或基于感知系統(tǒng)的受控變形，以滿足在大空域里高效率執(zhí)行多種飛行任務(wù)（如起降、巡航、機(jī)動(dòng)、盤旋、攻擊等）的要求，并保持在全飛行包絡(luò)內(nèi)不同任務(wù)剖面具備良好的技術(shù)性能［1］。與離散改變后掠角或控制面角度的傳統(tǒng)方法不同，智能變形可以有效地實(shí)現(xiàn)外形在不同空間尺度和時(shí)間尺度分布式連續(xù)變化。因此，智能變形不包括導(dǎo)彈級(jí)間分離等變形方式。

與固定外形的飛行器相比，智能變形飛行器具有諸多優(yōu)勢，例如多飛行任務(wù)時(shí)具有優(yōu)化的氣動(dòng)性能，增強(qiáng)操縱及控制的能力，降低飛行能耗等。智能變形飛行器作為一種按需應(yīng)變的多用途、多形態(tài)的新概念飛行器，代表了未來先進(jìn)飛行器的一種發(fā)展方向［2］。通過新型智能材料、作動(dòng)器、傳感器和控制系統(tǒng)的綜合運(yùn)用，飛行器可以柔順、平滑地改變外形，使其在整個(gè)飛行過程中保持氣動(dòng)性能全階段優(yōu)化，最大化提高飛行性能以及突防與生存能力。

2 智能變形飛行器

與鳥兒的變形類似，飛行器變形主要是針對(duì)翼的改變。通過改變翼的幾何參數(shù)和布局，改善飛行器的空氣動(dòng)力學(xué)性能，用可連續(xù)、光滑變形的結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)操作面還可提高飛行器的隱身性能等。

2.1 智能變形飛機(jī)

1890 年，法國的Clément Ader 提出了變形機(jī)翼的設(shè)想，首次提出偵察機(jī)機(jī)翼應(yīng)設(shè)計(jì)成類似于蝙蝠或鳥翅膀的形狀，框架可折疊，面積可縮小1/3～1/2，蒙皮膜應(yīng)有彈性［3］。1914 年，美國的Edson 率先提出“可變形飛行器”的概念并申請(qǐng)專利。變形飛行器起初采用剛性變形，通過機(jī)構(gòu)的連續(xù)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)外形改變，例如變后掠翼、可變傾角機(jī)頭、傾轉(zhuǎn)旋翼等。

美國在變形飛機(jī)領(lǐng)域起步較早，1951 年第一架變后掠飛機(jī)X-5 首次飛行，隨后研制的F-111、F-14A 戰(zhàn)斗機(jī)以及B-1 轟炸機(jī)等均具有變后掠能力，XB-70 超音速轟炸機(jī)翼尖可向下彎曲，制造壓縮升力。俄羅斯也擁有一些變后掠飛機(jī)，例如米格-23戰(zhàn)斗機(jī)、蘇-24戰(zhàn)斗轟炸機(jī)、圖-160戰(zhàn)略轟炸機(jī)等。英國、德國、意大利聯(lián)合研制的“狂風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)也采用了變后掠翼技術(shù)。變后掠翼飛機(jī)是為了同時(shí)兼顧短距起降能力、亞音速飛行性能和超音速飛行性能，其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)重量增加、復(fù)雜性增加、控制效率偏低等。

現(xiàn)代意義上的變形飛機(jī)研究是從20世紀(jì)80年代末開始。2003 年，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局啟動(dòng)了“變形飛機(jī)結(jié)構(gòu)”項(xiàng)目，其中Lockheed Martin公司提出了“折疊翼”方案，NextGen公司提出了“滑動(dòng)蒙皮”方案，Raytheon 公司提出了“伸縮機(jī)翼”方案。但最終僅NextGen 公司于2007 年和2008 年成功完成了飛行演示驗(yàn)證，希望解決長航時(shí)無人機(jī)在阿富汗和伊拉克戰(zhàn)場上使用的局限性，實(shí)現(xiàn)察打一體化。

機(jī)翼的幾何形狀是影響飛機(jī)氣動(dòng)性能和過載能力的主要因素，隨著材料、控制等技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的柔性變形，如任務(wù)自適應(yīng)機(jī)翼、主動(dòng)氣動(dòng)彈性機(jī)翼、旋折/折疊機(jī)翼等。機(jī)翼變形按變形尺度可分為大尺度變形、中等尺度變形和小尺度變形，大、中尺度變形可以提高飛行性能，小尺度變形可以控制顫振［4～5］。機(jī)翼大、中尺度變形包括以下三類:

1）平面形狀的變形，包括變展長、變弦長、變后掠等；

2）平面外變形，包括翼的扭轉(zhuǎn)、上反角、展向彎曲等；

3）翼型變化，包括翼型的彎度和厚度等。

2.2 智能變形巡航導(dǎo)彈

亞音速巡航導(dǎo)彈主要依靠隱身技術(shù)和超低空飛行完成突防，由于飛行速度慢，導(dǎo)彈很容易被攔截。1998 年的“沙漠之狐”行動(dòng)中，伊軍指揮體系遭到致命性打擊，自動(dòng)化防空系統(tǒng)被摧毀，并受到美軍強(qiáng)大火力壓制。在此情況下，伊軍靠目測用機(jī)槍和高速炮進(jìn)行反擊，擊落十枚“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈。

2003年，Raytheon公司提出發(fā)展可根據(jù)不同任務(wù)、目標(biāo)特性在飛行中改變結(jié)構(gòu)外形的導(dǎo)彈設(shè)計(jì)計(jì)劃，在美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局的支持下，提出了一種伸縮翼巡航導(dǎo)彈方案，以“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈為對(duì)象，巡航飛行時(shí)彈翼展開獲取最大升力，高速俯沖時(shí)翼面收縮提高機(jī)動(dòng)能力［3］。這種設(shè)計(jì)的最大挑戰(zhàn)是彈翼上承受的載荷很高，而巡航導(dǎo)彈的彈翼又相對(duì)較薄，用來安裝使彈翼展開和收回的作動(dòng)器的空間有限。Mcdaniel等［6］研究了傾斜彈翼的巡航導(dǎo)彈，低速飛行時(shí)彈翼與彈身垂直，外形類似巡航導(dǎo)彈；高速飛行時(shí)彈翼旋轉(zhuǎn)至與彈身平行的位置，外形類似于彈道導(dǎo)彈，可以最大限度減小阻力。

西北工業(yè)大學(xué)的王江華等［7］基于伸縮彈翼改變巡航導(dǎo)彈的外形，提出超音速巡航與亞音速盤旋相結(jié)合的飛行任務(wù)，優(yōu)化結(jié)果顯示三級(jí)伸縮翼巡航導(dǎo)彈的燃料消耗量減少12%，且伸縮彈翼能有效提高導(dǎo)彈在整個(gè)飛行任務(wù)中的氣動(dòng)性能。西安長峰機(jī)電研究所的鐘世宏等［8］根據(jù)巡航導(dǎo)彈可折疊彈翼支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和展開過程的工作狀態(tài)，分析了彈翼支架在導(dǎo)彈正常飛行和地面試驗(yàn)時(shí)的受力情況，指出兩種工作狀態(tài)產(chǎn)生差異的原因。北京航空航天大學(xué)的魏東輝等［9］以巡航導(dǎo)彈變后掠與變展長為例，基于計(jì)算氣動(dòng)數(shù)據(jù)分析了變后掠與變展長對(duì)導(dǎo)彈氣動(dòng)特性的影響，揭示了導(dǎo)彈的變形機(jī)理，并提出分級(jí)遞階的變形協(xié)調(diào)控制體系結(jié)構(gòu)。

3 新型智能變形巡航導(dǎo)彈

未來的巡航導(dǎo)彈應(yīng)具備射程遠(yuǎn)、突防強(qiáng)、智能化、精確打擊等綜合戰(zhàn)術(shù)性能，適應(yīng)空域及飛行速度的大范圍變化，靈活執(zhí)行多種作戰(zhàn)任務(wù)，在體系作戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用。將智能變形技術(shù)應(yīng)用到巡航導(dǎo)彈上，針對(duì)戰(zhàn)場環(huán)境、作戰(zhàn)任務(wù)、飛行控制要求等靈活地改變外形，提高導(dǎo)彈的射程、機(jī)動(dòng)能力和隱身性能等，從而在一個(gè)飛行平臺(tái)上完成多種任務(wù)。

3.1 巡航導(dǎo)彈變形方案

1）彈翼變形

巡航導(dǎo)彈在飛行過程中要經(jīng)歷爬升、巡航、突防、攻擊等階段，各階段對(duì)導(dǎo)彈氣動(dòng)性能有不同要求?；谥悄茏冃物w行器技術(shù)，根據(jù)飛行狀態(tài)實(shí)時(shí)改變彈翼的外形，使導(dǎo)彈在飛行過程中保持最優(yōu)的氣動(dòng)外形，實(shí)現(xiàn)巡航導(dǎo)彈的阻力特性和升力特性在不同飛行階段達(dá)到最優(yōu)。

智能變形巡航導(dǎo)彈能夠在不同升力需求下通過變形獲得最佳的氣動(dòng)外形。各階段的需求分析如下。

在巡航階段，期望導(dǎo)彈的阻力特性最優(yōu)，即阻力盡可能小。巡航階段需要的機(jī)動(dòng)過載較小，只需要滿足升力和重力平衡的條件即可。

在機(jī)動(dòng)突防與攻擊階段，期望導(dǎo)彈的升力特性最優(yōu)，能夠提供足夠大的可用過載，即機(jī)動(dòng)能力。根據(jù)機(jī)動(dòng)要求和目標(biāo)特性，確定導(dǎo)彈的過載需求，以此作為升力約束條件。

巡航導(dǎo)彈的折疊翼通過折疊機(jī)構(gòu)與彈身相連，折疊在彈身內(nèi)或彈身表面，與機(jī)翼相比，彈翼具有結(jié)構(gòu)簡單、占用空間小等優(yōu)點(diǎn)。但為保證翼面展開后的強(qiáng)度，大大限制了彈翼的變形能力。在滿足升力、過載需求的前提條件下，通過后掠角、翼展長、折疊角等簡單變形，盡量減少巡航導(dǎo)彈在飛行過程中的阻力，達(dá)到增大飛行航程和提高機(jī)動(dòng)能力的目的。后掠角、翼展長、折疊角的取值與馬赫數(shù)、海拔高度、攻角等密切相關(guān)，相關(guān)參數(shù)的選擇可采用導(dǎo)彈氣動(dòng)特性分析軟件Missile Datcom 進(jìn)行分析。文獻(xiàn)［10］開發(fā)了一套基于Datcom 在線計(jì)算與Matlab/Simulink 協(xié)同的虛擬飛行仿真系統(tǒng)，可用于本文的仿真分析。

通過應(yīng)用靈敏的傳感器和作動(dòng)器，光滑而持續(xù)地改變彈翼的形狀，對(duì)不斷改變的飛行條件做出響應(yīng)，從而使巡航導(dǎo)彈能像鳥兒一樣自由地在空中飛行。也就是說，變形彈翼可從根本上改善巡航導(dǎo)彈的機(jī)動(dòng)能力和作戰(zhàn)效能。

2）油箱變形

巡航導(dǎo)彈是一類特殊的飛行器，未來的強(qiáng)對(duì)抗作戰(zhàn)需要導(dǎo)彈具備良好的機(jī)動(dòng)能力、隱身性能等。智能變形巡航導(dǎo)彈不僅是針對(duì)彈翼的變形，還需要有更加智能的變形方式。縱觀世界各國巡航導(dǎo)彈可以發(fā)現(xiàn)，其油箱長度是固定的，存在以下不足之處。

一是巡航導(dǎo)彈的油箱較長。油箱約占二級(jí)彈身長度的1/3以上，在飛行過程中，隨著燃油的不斷消耗，空油箱部分逐漸增大，卻仍跟隨巡航導(dǎo)彈一起飛行，必將制約巡航導(dǎo)彈的機(jī)動(dòng)能力和隱身性能，且被高射機(jī)槍等攔截的概率大大增加。

二是巡航導(dǎo)彈載油量固定。如果巡航導(dǎo)彈打擊的目標(biāo)較近，飛行到攻擊段時(shí)油箱剩余燃油過多，將制約導(dǎo)彈的機(jī)動(dòng)能力，甚至不能滿足任務(wù)規(guī)劃的約束條件。雖然可以通過多種方法消耗掉油箱內(nèi)的多余燃油，但是這些方法在戰(zhàn)時(shí)將大大降低巡航導(dǎo)彈的生存概率。

為提高巡航導(dǎo)彈的機(jī)動(dòng)能力、隱身性能以及生存能力，我們首次提出針對(duì)油箱的變形方案，即巡航導(dǎo)彈油箱是可以伸縮的，具體如下。

1）發(fā)射前，基于巡航導(dǎo)彈燃油消耗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合特定的飛行航跡確定燃油量，將油箱中多余的燃油導(dǎo)出，并壓縮油箱長度使其處于飽和狀態(tài)，使得二級(jí)彈身長度盡可能地小，降低其雷達(dá)散射截面積（RCS），提高導(dǎo)彈在突防過程中的生存能力。

2）飛行過程中，巡航導(dǎo)彈根據(jù)燃油消耗速率沿彈軸方向?qū)崟r(shí)壓縮油箱，保證油箱始終處于飽和狀態(tài)，彈體長度始終處于最短狀態(tài)。這對(duì)于提高巡航導(dǎo)彈的機(jī)動(dòng)能力和降低雷達(dá)散射截面積具有重要的意義。

油箱壓縮過程中，巡航導(dǎo)彈的壓力中心不斷改變，需要設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制器，調(diào)節(jié)彈身腹部的彈翼根在導(dǎo)軌上的位置，保持導(dǎo)彈飛行過程處于平衡狀態(tài)，相關(guān)控制問題在這里不進(jìn)行討論。這種變形油箱的箱體結(jié)構(gòu)可采用交互式滑動(dòng)肋結(jié)構(gòu)或蜂窩結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

智能變形巡航導(dǎo)彈外形改變包括彈頭、彈身和翼面結(jié)構(gòu)，相關(guān)變形設(shè)計(jì)可推動(dòng)新型智能材料、仿生設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、先進(jìn)傳感技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)新概念巡航導(dǎo)彈的預(yù)研和技術(shù)儲(chǔ)備具有深遠(yuǎn)的意義。

圖1 可壓縮油箱箱體結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 巡航導(dǎo)彈變形關(guān)鍵技術(shù)

智能變形是把功能材料與變形結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，再加上智能控制［11］。實(shí)現(xiàn)巡航導(dǎo)彈智能變形的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下三個(gè)方面。

1）智能蒙皮

智能蒙皮技術(shù)主要包括外形蒙皮、智能寬頻帶吸波與透波、自適應(yīng)變形蒙皮等技術(shù)。蒙皮中植入智能結(jié)構(gòu)就成為智能蒙皮，智能結(jié)構(gòu)包括探測元件（傳感器）、微處理控制系統(tǒng)（信號(hào)處理器）和驅(qū)動(dòng)元件等，這不僅可用于隱身，還可用于監(jiān)視、預(yù)警和通信等［12］。

目前，硅橡膠和形狀記憶聚合物等材料的變形蒙皮已經(jīng)應(yīng)用于變形機(jī)翼結(jié)構(gòu)上。巡航導(dǎo)彈的彈翼與油箱變形對(duì)蒙皮結(jié)構(gòu)提出了新的要求，蒙皮不僅要保持常規(guī)蒙皮重量輕、在面法向剛度大、可以承受并傳遞氣動(dòng)載荷等，同時(shí)還要具備足夠的光滑連續(xù)性和大尺度變形等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)重量、變形能力和承載能力滿足變形方案的柔性蒙皮結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)智能變形巡航導(dǎo)彈的一項(xiàng)重要工作。

2）智能變形結(jié)構(gòu)

智能變形結(jié)構(gòu)包括智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、智能柔性結(jié)構(gòu)和智能機(jī)械結(jié)構(gòu)。智能變形巡航導(dǎo)彈的變形結(jié)構(gòu)應(yīng)具備重量輕、分布式、響應(yīng)快、易控制等特點(diǎn)，各單元之間協(xié)同完成連續(xù)、光滑地外形變化。傳統(tǒng)的電機(jī)和液壓驅(qū)動(dòng)方式過于笨重且復(fù)雜，難以適應(yīng)智能變形巡航導(dǎo)彈的設(shè)計(jì)需求，基于智能材料設(shè)計(jì)輕質(zhì)高效的變形結(jié)構(gòu)應(yīng)作為后續(xù)發(fā)展的方向，比如磁致伸縮變形結(jié)構(gòu)、壓電陶瓷變形結(jié)構(gòu)以及形狀記憶材料變形結(jié)構(gòu)等。

3）智能控制

智能變形巡航導(dǎo)彈的控制包括飛行控制與變形控制兩個(gè)方面。為實(shí)現(xiàn)智能變形巡航導(dǎo)彈在不同工作狀態(tài)下穩(wěn)定地切換，需要對(duì)飛行控制與變形控制進(jìn)行協(xié)調(diào)，這里不討論該問題，相關(guān)內(nèi)容可參考文獻(xiàn)［9，13］。

巡航導(dǎo)彈的變形控制既可以是利用驅(qū)動(dòng)裝置控制的主動(dòng)變形，也可以是利用主動(dòng)流動(dòng)控制誘發(fā)的被動(dòng)變形，例如主動(dòng)氣動(dòng)彈性機(jī)翼、智能混合變形機(jī)翼［14］。從控制的精確性和靈活性來講，最好是將主動(dòng)變形與被動(dòng)變形有機(jī)結(jié)合起來，以適應(yīng)復(fù)雜飛行環(huán)境、飛行任務(wù)、飛行控制的需要。

4 結(jié)語

飛行器變形技術(shù)在多任務(wù)適應(yīng)、增加續(xù)航能力以及提高隱身性能等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，將推動(dòng)導(dǎo)彈的智能化發(fā)展。本文僅研究了巡航導(dǎo)彈的彈翼變形與油箱變形，未來的智能變形導(dǎo)彈能夠根據(jù)飛行條件的變化調(diào)整外形，實(shí)現(xiàn)彈型轉(zhuǎn)換和機(jī)動(dòng)變軌等，導(dǎo)彈的生存能力和攻擊范圍將大大提高。