陳克 金玲 雷豹 王聰偉 聶青

（1 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076）

0 引言

高速飛行器是快速精確打擊體系發(fā)展的重要標(biāo)志，而折疊翼/舵是高速飛行器領(lǐng)域目前的研究熱點(diǎn)。高速飛行器采用折疊翼/舵具有的重要意義：滿足發(fā)射平臺(tái)對(duì)翼/舵的橫向尺寸約束，滿足飛行剖面中不同飛行段對(duì)控制能力的不同需求，提升平臺(tái)裝載能力，形成多平臺(tái)適裝性，便于地面勤務(wù)處理，因此折疊翼/舵應(yīng)用需求迫切。

高速飛行器在復(fù)雜環(huán)境下的快速起控過(guò)程[1]和高性能飛行對(duì)折疊翼/舵設(shè)計(jì)技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。高速飛行器在執(zhí)行起控動(dòng)作時(shí)，折疊翼/舵在大動(dòng)壓高負(fù)載環(huán)境中自動(dòng)快速展開(kāi)并可靠鎖緊成整體；高速飛行器在飛行時(shí)，折疊翼/舵作為一個(gè)整體在大載荷高熱流環(huán)境中承受?chē)?yán)酷力熱耦合作用[2]。當(dāng)前高速飛行器折疊翼/舵設(shè)計(jì)面臨難以集折疊與防熱功能于一體的問(wèn)題。傳統(tǒng)的高速飛行器翼/舵采用金屬骨架蒙皮外加復(fù)合材料防熱套的結(jié)構(gòu)形式，其中前者和后者分別實(shí)現(xiàn)承載和防熱的功能，鑒于連接、轉(zhuǎn)動(dòng)部位的熱密封、熱匹配性能難以保證，該結(jié)構(gòu)形式不適用于分體結(jié)構(gòu)，無(wú)法滿足折疊需求。傳統(tǒng)的折疊翼/舵無(wú)熱防護(hù)措施或防熱結(jié)構(gòu)，普遍應(yīng)用于低速領(lǐng)域，在低速領(lǐng)域的工程應(yīng)用和理論研究較為成熟，但截至目前尚未應(yīng)用于高速領(lǐng)域且缺乏相關(guān)研究。因此針對(duì)高速飛行器的飛行剖面，亟須探索新型的折疊翼/舵設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)折疊翼/舵在大動(dòng)壓高負(fù)載條件下展開(kāi)及鎖緊、在大載荷高熱流條件下防熱和承載的功能需求。

1 折疊翼/舵總體設(shè)計(jì)技術(shù)

1.1 工作時(shí)序

首先明確高速飛行器折疊翼/舵的工作時(shí)序：飛行器在無(wú)起控需求時(shí)，折疊翼/舵處于初始折疊鎖緊狀態(tài)→飛行器需要起控時(shí)，電氣系統(tǒng)在t1時(shí)間內(nèi)接通供電→初始折疊解鎖反饋信號(hào)接通，折疊翼/舵在t2時(shí)間內(nèi)完成解鎖、展開(kāi)及鎖緊動(dòng)作，到位展開(kāi)鎖緊反饋信號(hào)接通→折疊翼/舵處于到位展開(kāi)鎖緊狀態(tài)，飛行器起控以穩(wěn)定姿態(tài)，通過(guò)擺舵實(shí)現(xiàn)控制，如圖1所示。因此折疊翼/舵主要經(jīng)歷三個(gè)階段：1）起控前的初始折疊鎖緊狀態(tài)；2）起控段的解鎖、展開(kāi)及鎖緊過(guò)程；3）起控后的到位展開(kāi)鎖緊狀態(tài)。

圖1 折疊翼/舵工作時(shí)序 Fig.1 The work order of folding wing/rudder

1.2 總體設(shè)計(jì)流程

基于折疊翼/舵的工作階段，總結(jié)其總體設(shè)計(jì)流程。折疊翼/舵系統(tǒng)作為一套多功能系統(tǒng)，涉及的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域十分廣泛，其總體設(shè)計(jì)流程是多學(xué)科耦合設(shè)計(jì)的過(guò)程，如圖2所示。

圖2 折疊翼/舵總體設(shè)計(jì)流程 Fig.2 The overall design process of folding wing/rudder

1.2.1 折疊展開(kāi)和解鎖/鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)路線

1）根據(jù)飛行剖面，進(jìn)行全程穩(wěn)定飛行控制能力需求分析，提出控制力需求；2）根據(jù)控制力需求，進(jìn)行翼/舵面外形尺寸設(shè)計(jì)；3）根據(jù)發(fā)射平臺(tái)空間包絡(luò)、翼/舵面外形尺寸等約束，確定翼/舵的折疊展開(kāi)方向；4）進(jìn)行不同折疊展開(kāi)方向條件下的動(dòng)翼/舵面載荷特性分析，為折疊展開(kāi)方向設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)；5）進(jìn)行無(wú)控過(guò)程氣動(dòng)特性分析；6）根據(jù)無(wú)控過(guò)程的氣動(dòng)特性和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)行初始起控特性分析，并進(jìn)行相關(guān)時(shí)序設(shè)計(jì)，提出折疊翼/舵展開(kāi)時(shí)間要求；7）基于以上內(nèi)容，開(kāi)展折疊展開(kāi)和解鎖/鎖緊機(jī)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析；8）根據(jù)設(shè)計(jì)方案，開(kāi)展解鎖、展開(kāi)、鎖緊試驗(yàn)。

1.2.2 翼/舵面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)路線

1）根據(jù)飛行剖面，進(jìn)行飛行熱環(huán)境分析；2）基于翼/舵面的熱環(huán)境，開(kāi)展翼/舵面三維傳熱分析；3）根據(jù)翼/舵面?zhèn)鳠岱治鼋Y(jié)果，開(kāi)展翼/舵面防熱形式與材料的選擇；4）基于以上內(nèi)容，開(kāi)展翼/舵面結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度仿真分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)特性和氣動(dòng)彈性仿真分析；5）根據(jù)設(shè)計(jì)方案，開(kāi)展靜力、靜熱、動(dòng)特性、氣動(dòng)彈性、力熱聯(lián)合試驗(yàn)。

1.2.3 迭代設(shè)計(jì)過(guò)程

經(jīng)過(guò)以上設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化、試驗(yàn)的迭代過(guò)程，在結(jié)果滿足技術(shù)指標(biāo)要求后，進(jìn)行氣動(dòng)、起控特性詳細(xì)分析，滿足起控要求后，設(shè)計(jì)方案閉環(huán)。

1.3 關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)

根據(jù)高速飛行器折疊翼/舵在工作時(shí)序中主要經(jīng)歷的三個(gè)階段，梳理其總體設(shè)計(jì)主要涉及以下關(guān)鍵技術(shù)：展開(kāi)過(guò)程氣動(dòng)載荷設(shè)計(jì)、折疊展開(kāi)和解鎖/鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、翼/舵面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.3.1 展開(kāi)過(guò)程氣動(dòng)載荷設(shè)計(jì)

折疊翼/舵在飛行器需要起控時(shí)展開(kāi)，展開(kāi)過(guò)程中翼/舵所受氣動(dòng)載荷較大且變化規(guī)律復(fù)雜[3]，應(yīng)根據(jù)定常氣動(dòng)特性計(jì)算和起控過(guò)程姿態(tài)仿真，結(jié)合定常和非定常氣動(dòng)特性計(jì)算差異性評(píng)估，進(jìn)行不同折疊展開(kāi)方向、角度和不同初始舵偏角條件下的氣動(dòng)特性分析，完成展開(kāi)過(guò)程氣動(dòng)載荷優(yōu)化。展開(kāi)過(guò)程氣動(dòng)載荷是后續(xù)機(jī)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵初始條件，直接影響折疊翼/舵的解鎖、展開(kāi)及鎖緊過(guò)程。

1.3.2 折疊展開(kāi)和解鎖/鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

折疊翼/舵解鎖、展開(kāi)及鎖緊過(guò)程受到氣動(dòng)力和摩擦力的綜合作用，要求折疊展開(kāi)機(jī)構(gòu)擁有合理的驅(qū)動(dòng)能力，保證動(dòng)翼/舵展開(kāi)時(shí)間達(dá)到預(yù)定要求并對(duì)定翼/舵造成的沖擊盡可能小，因此折疊展開(kāi)機(jī)構(gòu)采用扭簧等彈性元件或以小過(guò)載火工作動(dòng)筒為代表的火工裝置。平臺(tái)空間包絡(luò)一般約束動(dòng)翼/舵折疊角度超過(guò)100°，要求彈性元件扭轉(zhuǎn)相應(yīng)折疊角度不失效，但驅(qū)動(dòng)能力與折疊角度的設(shè)計(jì)存在相互約束，大驅(qū)動(dòng)力要求彈性元件整體長(zhǎng)度小、剛度大，大折疊角度要求彈性元件整體長(zhǎng)度大、剛度小。此外折疊展開(kāi)機(jī)構(gòu)的存在使折疊軸部分直徑加粗和長(zhǎng)度增長(zhǎng)，超出理論外形，因此應(yīng)合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化彈性元件的材料、截面、長(zhǎng)度和預(yù)扭轉(zhuǎn)角度，在驅(qū)動(dòng)能力和折疊角度之間尋求協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)小型化，降低折疊展開(kāi)機(jī)構(gòu)對(duì)氣動(dòng)外形的不利影響。火工裝置主要的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)有工作時(shí)間、作動(dòng)行程、藥室裝藥量、燃?xì)鈮毫?、產(chǎn)品尺寸、沖擊過(guò)載、阻尼形式，須在結(jié)構(gòu)空間的限制下保證沖擊過(guò)載盡可能小，降低火工裝置作動(dòng)對(duì)翼/舵的不利影響。

初始和到位鎖緊機(jī)構(gòu)一般為插銷(xiāo)結(jié)構(gòu)，如采用以彈簧驅(qū)動(dòng)的彈簧銷(xiāo)鎖緊機(jī)構(gòu)，由鎖緊銷(xiāo)、彈簧、螺母組成，通過(guò)彈簧壓縮儲(chǔ)能為鎖緊銷(xiāo)提供動(dòng)能，鎖緊銷(xiāo)在動(dòng)翼/舵展開(kāi)到位時(shí)插入動(dòng)翼/舵實(shí)現(xiàn)鎖緊，彈簧仍處于壓縮狀態(tài)，提供預(yù)緊力防止解鎖，螺母用于固定彈簧以調(diào)節(jié)彈簧初始長(zhǎng)度，保證可靠的工作范圍。初始鎖緊機(jī)構(gòu)的解鎖方案主要有兩種，一種解鎖方案為聯(lián)動(dòng)解鎖，利用伺服機(jī)構(gòu)預(yù)置動(dòng)作使插銷(xiāo)解鎖，但增加解鎖時(shí)間和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性；另一種解鎖方案為火工拔銷(xiāo)器解鎖，但增加多路火工品及電纜連接且?guī)?lái)較大沖擊。

折疊展開(kāi)和解鎖/鎖緊機(jī)構(gòu)是折疊翼/舵設(shè)計(jì)技術(shù)的核心，應(yīng)在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的基礎(chǔ)上，結(jié)合空載/風(fēng)洞展開(kāi)試驗(yàn)，驗(yàn)證解鎖、展開(kāi)和鎖緊能力，獲取運(yùn)動(dòng)參數(shù)并分析氣動(dòng)力和摩擦力的影響，為機(jī)構(gòu)的迭代設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1.3.3 翼/舵面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

翼/舵面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含熱防護(hù)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。數(shù)據(jù)表明，當(dāng)飛行器飛行速度達(dá)Ma5時(shí)，翼/舵將要承受650～750℃的高溫[4]，達(dá)Ma8時(shí)翼/舵前緣駐點(diǎn)溫度將會(huì)超過(guò)1200℃[5]。針對(duì)力熱耦合環(huán)境下的折疊翼/舵，開(kāi)展熱防護(hù)方案選擇，從工藝技術(shù)、占用空間、結(jié)構(gòu)重量、經(jīng)濟(jì)成本等角度進(jìn)行綜合對(duì)比評(píng)估，保證大面積和局部熱防護(hù)、間隙熱密封和不同材料之間的熱匹配。此外，在一定約束條件下實(shí)現(xiàn)重量或力學(xué)特性等指標(biāo)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并開(kāi)展折疊翼/舵靜力、靜熱、力熱聯(lián)合等環(huán)境試驗(yàn)，考核其對(duì)飛行環(huán)境的適應(yīng)性。

2 折疊翼/舵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通用指標(biāo)體系

基于高速飛行器折疊翼/舵總體設(shè)計(jì)技術(shù)，建立其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通用指標(biāo)體系，如圖3所示，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程形成參考指導(dǎo)。

圖3 折疊翼/舵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通用指標(biāo)體系 Fig.3 The structure design common indicator system of folding wing/rudder

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

基于高速飛行器折疊翼/舵總體設(shè)計(jì)流程和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通用指標(biāo)體系，總結(jié)折疊翼/舵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程，如圖4所示。

圖4 折疊翼/舵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程 Fig.4 The structure design process of folding wing/rudder

2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析路線

根據(jù)外形尺寸、飛行熱環(huán)境、折疊展開(kāi)結(jié)構(gòu)布局、展開(kāi)到位后氣動(dòng)載荷等要求，開(kāi)展翼/舵面及防熱結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度仿真分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)特性和氣動(dòng)彈性仿真分析，并結(jié)合靜力、靜熱、動(dòng)特性、氣動(dòng)彈性、力熱聯(lián)合試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的載荷與環(huán)境適應(yīng)性、功能滿足性，確定展開(kāi)鎖緊時(shí)間和展開(kāi)不同步性，根據(jù)仿真與試驗(yàn)結(jié)果開(kāi)展耦合迭代設(shè)計(jì)，優(yōu)化翼/舵面及防熱結(jié)構(gòu)、折疊展開(kāi)結(jié)構(gòu)布局、鎖緊機(jī)構(gòu)、材料選擇等，形成在一定約束條件下較優(yōu)的翼/舵面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

2.2.2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析路線

根據(jù)空間包絡(luò)、外形尺寸、展開(kāi)過(guò)程氣動(dòng)載荷、解鎖展開(kāi)鎖緊時(shí)間等要求，開(kāi)展折疊展開(kāi)和解鎖/鎖緊機(jī)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析，并結(jié)合空載/風(fēng)洞展開(kāi)試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的功能滿足性、載荷與環(huán)境適應(yīng)性，確定展開(kāi)鎖緊時(shí)間和展開(kāi)不同步性，根據(jù)仿真與試驗(yàn)結(jié)果開(kāi)展耦合迭代設(shè)計(jì)，優(yōu)化折疊展開(kāi)和解鎖/鎖緊機(jī)構(gòu)、翼/舵面外形尺寸、折疊展開(kāi)結(jié)構(gòu)布局、展開(kāi)過(guò)程氣動(dòng)載荷等，形成在一定約束條件下較優(yōu)的折疊展開(kāi)和解鎖/鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

2.3 仿真分析和試驗(yàn)

2.3.1 有限元仿真分析和力/熱試驗(yàn)

a）折疊翼/舵的防熱和承載性能有限元仿真，用于分析其結(jié)構(gòu)形式在大載荷高熱流環(huán)境中的傳熱特性和承載能力，從結(jié)構(gòu)和整體的角度分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性，為詳細(xì)的結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和相關(guān)的力/熱試驗(yàn)提供理論參考。

b）折疊翼/舵相關(guān)的力/熱試驗(yàn)主要包含靜熱試驗(yàn)、靜力試驗(yàn)和力熱聯(lián)合試驗(yàn)，折疊翼/舵的靜熱試驗(yàn)旨在考核其防熱材料和結(jié)構(gòu)對(duì)高溫環(huán)境的適應(yīng)性，并對(duì)前緣、折疊轉(zhuǎn)軸、活動(dòng)部位等關(guān)鍵區(qū)域的熱環(huán)境適應(yīng)性裕度進(jìn)行摸底，以及校準(zhǔn)傳熱有限元仿真分析模型。折疊翼/舵的靜力試驗(yàn)旨在考核其在氣動(dòng)載荷工況下的強(qiáng)度和剛度，并獲得其在氣動(dòng)載荷工況下的應(yīng)力分布、在氣動(dòng)載荷工況下的變形規(guī)律，以及校準(zhǔn)靜力有限元仿真分析模型。

折疊翼/舵的力熱聯(lián)合試驗(yàn)旨在考核其在飛行力熱環(huán)境下的整體強(qiáng)度和剛度、在飛行力熱環(huán)境下的整體變形匹配性能、生產(chǎn)和制造工藝是否滿足結(jié)構(gòu)承載的要求，并獲得其在飛行力熱環(huán)境下的整體溫度分布、在飛行力熱環(huán)境下的整體變形規(guī)律。

2.3.2 虛擬樣機(jī)仿真分析和空載/風(fēng)洞展開(kāi)試驗(yàn)

a）折疊翼/舵的解鎖、展開(kāi)及鎖緊過(guò)程虛擬樣機(jī)仿真，用于分析其結(jié)構(gòu)形式在大動(dòng)壓高負(fù)載環(huán)境中，不同氣動(dòng)和摩擦作用工況條件下的動(dòng)態(tài)特性和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從機(jī)構(gòu)和分體的角度分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性，為詳細(xì)的結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和相關(guān)的空載/風(fēng)洞展開(kāi)試驗(yàn)提供理論參考。

b）折疊翼/舵的空載展開(kāi)試驗(yàn)旨在驗(yàn)證其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的合理性、展開(kāi)到位后鎖緊功能的可靠性、展開(kāi)到位后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求，并獲得其在空載條件下的展開(kāi)時(shí)間、展開(kāi)角速度、到位沖擊等參數(shù)，以及校準(zhǔn)解鎖、展開(kāi)及鎖緊過(guò)程虛擬樣機(jī)仿真分析模型。折疊翼/舵的風(fēng)洞展開(kāi)試驗(yàn)旨在考核其在氣動(dòng)阻礙作用下展開(kāi)的能量裕度及展開(kāi)時(shí)間、在氣動(dòng)促進(jìn)作用下展開(kāi)到位的鎖緊性能及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并對(duì)其在極限氣動(dòng)阻礙作用下展開(kāi)的能量裕度、在極限氣動(dòng)促進(jìn)作用下展開(kāi)的鎖緊性能及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行摸底，以及獲取動(dòng)態(tài)過(guò)程的沖擊環(huán)境參數(shù)，為結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)的改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)與伺服系統(tǒng)等相關(guān)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3 關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

3.1 展開(kāi)過(guò)程氣動(dòng)載荷設(shè)計(jì)

目前該領(lǐng)域取得的研究成果集中于對(duì)特定展開(kāi)過(guò)程進(jìn)行氣動(dòng)載荷分析，缺少對(duì)不同折疊展開(kāi)方式的氣動(dòng)載荷進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而形成迭代設(shè)計(jì)的優(yōu)化研究。

Y.Yuan等[6]采用非定常CFD方法對(duì)折疊翼動(dòng)態(tài)展開(kāi)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了折疊角度、角速度、角加速度的時(shí)間歷程，確定了翼面氣動(dòng)載荷大小和變化規(guī)律，為折展機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了輸入條件；李東等[7]采用風(fēng)洞試驗(yàn)方法給出了折疊舵展開(kāi)過(guò)程中的氣動(dòng)載荷，并采用CFD仿真方法對(duì)折疊舵受載進(jìn)行了流場(chǎng)分析，明確了折疊舵展開(kāi)過(guò)程受載變化的機(jī)理；秦永明等[8]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)研究了折疊舵展開(kāi)過(guò)程中展開(kāi)角、馬赫數(shù)、側(cè)滑角對(duì)動(dòng)舵氣動(dòng)特性特別是折疊軸扭矩的影響；劉森等[9]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)方法研究了折疊舵不同折疊角度下動(dòng)舵的氣動(dòng)載荷變化規(guī)律；蔣坤等[10]介紹了高速風(fēng)洞試驗(yàn)方法與測(cè)試設(shè)備，形成了折疊舵展開(kāi)過(guò)程試驗(yàn)技術(shù)，并將其有效的應(yīng)用于對(duì)折疊舵氣動(dòng)特性隨氣流參數(shù)、折疊角度的變化規(guī)律的研究中；單繼祥等[11]采用數(shù)值模擬方法研究了低速條件不同狀態(tài)下折疊翼的氣動(dòng)特性，分析了折疊翼展開(kāi)過(guò)程及各因素對(duì)展開(kāi)運(yùn)動(dòng)特性的影響；范國(guó)芳等[12]對(duì)折疊翼采用定常和非定常數(shù)值模擬方法進(jìn)行了展開(kāi)過(guò)程氣動(dòng)載荷分析，前者研究展開(kāi)角、來(lái)流參數(shù)對(duì)動(dòng)翼氣動(dòng)力的影響，后者研究動(dòng)翼展開(kāi)過(guò)程的載荷情況，分析了非定常效應(yīng)對(duì)氣動(dòng)載荷的影響。

基于改善展開(kāi)過(guò)程中的大動(dòng)壓高負(fù)載環(huán)境考慮，區(qū)別于傳統(tǒng)對(duì)折的翼/舵面反折等新方式、不同于傳統(tǒng)零舵偏的舵面預(yù)置舵偏角等新布局將逐漸應(yīng)用，以大幅降低折疊翼/舵展開(kāi)過(guò)程氣動(dòng)載荷做功，利于折疊翼/舵的結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.2 折疊展開(kāi)和解鎖/鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前該領(lǐng)域已取得了一定研究成果，但集中于低速飛行器折疊翼/舵，此時(shí)折展機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)能力普遍較小、不具備初始鎖緊機(jī)構(gòu)、對(duì)初始解鎖至到位鎖緊時(shí)間要求較低，缺少對(duì)高速飛行器折疊翼/舵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究。俞渭良等[13]對(duì)某折疊舵進(jìn)行了設(shè)計(jì)，展開(kāi)機(jī)構(gòu)由扭簧、扭桿、轉(zhuǎn)軸和扭頭組成，鎖緊機(jī)構(gòu)由鎖銷(xiāo)、壓縮彈簧和止動(dòng)螺釘組成；李雙江[14]對(duì)折疊翼進(jìn)行了設(shè)計(jì)，內(nèi)翼與外翼通過(guò)扭桿套筒連接，外翼由扭桿套筒內(nèi)的扭桿驅(qū)動(dòng)展開(kāi)，展開(kāi)到位后縱向和軸向鎖緊均通過(guò)彈簧驅(qū)動(dòng)的鎖緊銷(xiāo)實(shí)現(xiàn)；曾清香[15]對(duì)折疊翼進(jìn)行了設(shè)計(jì)，展開(kāi)機(jī)構(gòu)由扭片、轉(zhuǎn)軸和定位銷(xiāo)組成，鎖緊機(jī)構(gòu)由套筒、前鎖銷(xiāo)、后鎖銷(xiāo)、彈簧、螺桿和擋塊組成，并進(jìn)行了理論計(jì)算、仿真分析和工程試驗(yàn)；蔡德詠等[16]建立了折疊翼驅(qū)動(dòng)扭簧的優(yōu)化模型，通過(guò)退火算法對(duì)扭簧進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化和數(shù)值仿真，并通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真進(jìn)行了驗(yàn)證；甄文強(qiáng)等[17]設(shè)計(jì)了具有軸向和展向鎖緊機(jī)構(gòu)的折疊翼，分析了折疊翼驅(qū)動(dòng)扭桿的截面形式和設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)性能的影響，以扭桿總質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)建立了扭桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，對(duì)扭桿進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化并得到了理想?yún)?shù)，考慮展開(kāi)過(guò)程中氣動(dòng)阻力和摩擦力的作用建立動(dòng)力學(xué)模型，從理論、仿真和試驗(yàn)三方面進(jìn)行了驗(yàn)證。

隨著后續(xù)材料和工藝技術(shù)水平的不斷發(fā)展，為適應(yīng)動(dòng)態(tài)過(guò)程中的大動(dòng)壓高負(fù)載環(huán)境和產(chǎn)品的長(zhǎng)期貯存環(huán)境，具有形狀記憶效應(yīng)、超彈性和高阻尼性的形狀記憶合金等新型特殊功能材料將逐漸應(yīng)用，以具備合理的解鎖、展開(kāi)及鎖緊能力，并擁有良好的可靠性、貯存性、重復(fù)使用性。

3.3 翼/舵面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前該領(lǐng)域已經(jīng)取得的研究成果較少，以改善力學(xué)特性為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)為主，缺少對(duì)力熱耦合環(huán)境下飛行的折疊舵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析。

王曉慧等[18]利用連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對(duì)折疊翼進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以結(jié)構(gòu)應(yīng)變能最小為目標(biāo)，通過(guò)優(yōu)化翼梢單元相對(duì)密度和蒙皮厚度得到了最優(yōu)結(jié)構(gòu)拓?fù)湫问?，并進(jìn)行建模和分析驗(yàn)證強(qiáng)剛度滿足要求；陳明鳳等[19]針對(duì)折疊舵的氣動(dòng)彈性問(wèn)題，在重量基本不變的前提下，以提高顫振速度為目標(biāo)對(duì)舵面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)；侯政等[20]為改善折疊舵在高速飛行過(guò)程中的顫振特性，將流固耦合問(wèn)題從結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題簡(jiǎn)化為靜力學(xué)模型，利用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)得到了擁有更大顫振臨界速度的折疊舵結(jié)構(gòu)；李雙江等[21]對(duì)折疊翼進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，以展開(kāi)時(shí)間和翼梢撓度限制為約束，在面積不變的條件下通過(guò)改善結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了質(zhì)量?jī)?yōu)化；鄧怡超等[22]對(duì)折疊舵采用建立連接結(jié)構(gòu)的方法將銷(xiāo)釘?shù)倪B接剛度考慮在內(nèi)，對(duì)折疊舵進(jìn)行了模態(tài)分析和動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真，并設(shè)置均勻低溫度場(chǎng)300℃分析了熱對(duì)折疊舵力學(xué)特性的影響。為適應(yīng)飛行過(guò)程中的大載荷高熱流環(huán)境，防熱承載一體化碳化硅陶瓷基復(fù)合材料等新型熱結(jié)構(gòu)材料、輕質(zhì)高強(qiáng)的耐高溫金屬拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等新型結(jié)構(gòu)將逐漸應(yīng)用，以有效應(yīng)對(duì)折疊翼/舵飛行過(guò)程中惡劣的力熱耦合環(huán)境。

4 結(jié)束語(yǔ)

折疊翼/舵設(shè)計(jì)技術(shù)是未來(lái)高速飛行器發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，可有效提升飛行器的技術(shù)指標(biāo)和滿足飛行器的功能性能要求，以應(yīng)對(duì)飛行器在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用，高速飛行器折疊翼/舵設(shè)計(jì)技術(shù)相比傳統(tǒng)飛行器更加復(fù)雜。為完善高速飛行器折疊翼/舵設(shè)計(jì)技術(shù)理論體系，對(duì)于兼具折疊展開(kāi)、解鎖鎖緊功能和熱防護(hù)能力的折疊翼/舵結(jié)構(gòu)形式仍需開(kāi)展深入研究，還應(yīng)重視多學(xué)科、多專(zhuān)業(yè)、多維度的交叉研究，如折疊展開(kāi)方向及布局的氣動(dòng)-結(jié)構(gòu)-載荷一體化設(shè)計(jì)與優(yōu)化等內(nèi)容，從而推進(jìn)其工程應(yīng)用。