金 鑫，楊黨國，蔡廣平，吳繼飛，徐來武，劉付生2，

(1. 中國航空工業(yè)集團 成都飛機設計研究所，成都 610091；2. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心 空氣動力學國家重點實驗室，綿陽 621000；3. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心 高速空氣動力研究所，綿陽 621000；4. 清華大學 航天航空學院，北京 100084)

0 引 言

新世紀以來，隨著新型作戰(zhàn)模式的轉變發(fā)展和智能化快速作戰(zhàn)能力的迫切需求，以美俄為首的世界各軍事強國都非常重視發(fā)展空軍和海軍的空中武器裝備。在軍事需求和國家安全牽引下，以打贏信息化智能化戰(zhàn)爭為戰(zhàn)略目標，各軍事強國大力開展飛行新概念、新技術、新作戰(zhàn)模式空中武器裝備論證研制工作，發(fā)展了以F-22、F-35 和T-50 戰(zhàn)機為代表的一系列具有隱身功能的新型戰(zhàn)斗機。

出于高機動性、高敏捷性、高氣動效率、低阻力特性、超視距作戰(zhàn)能力、超聲速巡航能力、良好隱（聲）身性能等追求，美國F-22 和F-35、俄羅斯T-50等均采用了武器內埋技術。武器內埋不僅能降低飛機的雷達反射面積，提高作戰(zhàn)生存率；而且能有效減小飛機飛行阻力，特別是超聲速飛行時的波阻，增加作戰(zhàn)航程，提高飛行速度。因此，武器內埋技術成為了國際上新型先進戰(zhàn)斗機、遠程轟炸機和未來無人作戰(zhàn)飛機等必須采用的關鍵技術，是實現(xiàn)技戰(zhàn)術指標、提高作戰(zhàn)效能的基本前提，有著非常重要的地位和廣闊的應用前景。

然而，內埋武器投放分離過程中，武器艙將演變成（帶艙門）大尺度空腔。高速飛行條件下（0.6≤Ma≤2.0），武器艙繞流會不可避免地出現(xiàn)流動分離、剪切層不穩(wěn)定、波/渦/剪切層干擾[1]，當滿足一定條件時還會出現(xiàn)流激振蕩和聲腔共鳴現(xiàn)象。武器艙內壓力脈動劇烈，噪聲環(huán)境惡劣，易導致武器艙及內埋武器系統(tǒng)結構振動，艙門打不開或關不上，武器出艙時出現(xiàn)俯仰、偏擺等非預期運動，產生以下嚴重后果：1）艙內電控系統(tǒng)工作失靈失效，影響武器系統(tǒng)的有效控制；2）影響武器出艙和投放分離，危及飛機安全；3）武器艙及內埋武器系統(tǒng)結構疲勞甚至破壞，縮短使用壽命，增加維護成本；4）降低內埋武器瞄準精度和飛機的操穩(wěn)品質，進而影響作戰(zhàn)效能。

本文針對先進戰(zhàn)斗機內埋武器系統(tǒng)研制需求，重點分析了武器內埋的關鍵技術難點，并介紹了國內外的主要研究進展，指出了未來需要深入研究的問題。

1 國內外武器內埋戰(zhàn)斗機發(fā)展情況

美國在20 世紀50 年代研發(fā)的超聲速截擊機F-106 上采用了武器內埋方式攜帶空空導彈，開展了武器內埋相關問題的研究；70 年代開始對內埋武器艙技術開展系統(tǒng)而深入的全面研究。美國國家航空航天局（NASA）[2-5]和阿諾德工程發(fā)展中心（AEDC）[6-9]開展了內埋武器問題研究，母機模型采用F-111 飛機1∶15 縮比模型，武器模型采用B-43、B-57 的1∶15 縮比模型（見圖1），在洛克希德CFWT 設備和AEDC-4T設備中進行了F-22 內埋武器艙氣動和武器分離風洞試驗研究（見圖2），建立了完備的地面試驗數據庫。另外，美國空軍軍械技術實驗室（AFATL）[10-11]、空軍飛行動力實驗室（AFFDL）[12-15]、空軍科學研究局（AFOSR）[16-17]、海軍水面武器中心（NSWC）[18]、空軍研究實驗室（AFRL）[19]以及空軍武器實驗室（AFWAL）[20-22]等多家軍方單位也對內埋武器艙問題開展了相關研究，建立了以風洞試驗為主的研究體系，對內埋武器艙系統(tǒng)氣動問題進行全面深入的研究，并開展大量飛行試驗綜合驗證工作。其取得的研究成果為美國先進轟炸機和戰(zhàn)斗機內埋武器艙系統(tǒng)關鍵氣動問題的解決提供了有力的技術支持。

圖1 F-111 內埋武器分離風洞試驗[8]Fig. 1 Separation test of F-111 internal weapons bay[8]

圖2 F-22 內埋武器分離風洞試驗[9]Fig. 2 Separation test of F-22 internal weapons bay[9]

美國雖然成功研制了全球最先進的F-22 和F-35戰(zhàn)機，并已列裝，但這兩型飛機仍存在武器艙及內埋武器系統(tǒng)振動與噪聲問題。如F-22 戰(zhàn)機武器艙及艙門壁板在聲疲勞試驗中出現(xiàn)了裂紋[23]（見圖3 和圖4）。2013 年1 月美國國防部作戰(zhàn)試驗與鑒定部發(fā)布了F-35 戰(zhàn)機的測評報告，指出因F-35A 戰(zhàn)機內埋武器艙艙門結構強度問題，該機2012 年部分測試點試飛計劃被延遲；F-35B 戰(zhàn)機在內埋武器艙疲勞試驗中結構出現(xiàn)裂紋，試驗被迫中止。

圖3 F-22 內埋武器艙振動噪聲試驗[23]Fig. 3 Noise and vibration test of F-22 internal weapons bay[23]

圖4 F-22 內埋武器艙門壁板聲疲勞裂紋[23]Fig. 4 Acoustical fatigue of F-22 internal weapons bay[23]

俄羅斯在先進戰(zhàn)機內埋武器艙研制方面也取得了突破。T-50 戰(zhàn)機武器全部內埋，內置3 個武器艙，實現(xiàn)了氣動特性和雷達隱身綜合性能，雷達可探測性大大降低，具備隱身性能好、起降距離短、機動敏捷性強、超聲速巡航等特點。預計到2025 年，俄羅斯將用T-50 全部替換米格-29 和蘇-27 飛機。同時俄羅斯還在進行先進無人機的研制，米格公司已推出“電鰩”噴氣式隱身無人戰(zhàn)斗機（武器采用內埋裝載方式）。歐洲六國（法國、西班牙、意大利、希臘、瑞典和瑞士）歷時5 年研制的“神經元”隱形無人戰(zhàn)機，于2012 年在法國南部的伊斯特爾空軍基地首飛成功。該機采用飛翼氣動布局，進氣道和尾噴口都采用了隱形設計，機身覆蓋隱身涂層，武器采用內埋技術。2010 年7 月，韓國與印尼達成了共同開發(fā)下一代隱身戰(zhàn)斗機KFX 的意向，并于三年后，首次公布了其內埋武器艙和電子系統(tǒng)的最新設計成果。2013 年2 月，印度在航展上展示了其最新的四代機AMCA 概念設計，該機構型與美國的F-22 戰(zhàn)機類似，采用了武器內埋技術。

為了適應國際復雜的環(huán)境，我國也在加緊開展武器內埋戰(zhàn)機研制，同樣也面臨武器內埋技術關鍵問題，亟需解決。從公開發(fā)表的文獻來看，20 世紀90 年代我國就有部分學者對空腔和內埋武器艙問題進行了研究。一些高校和科研機構圍繞先進戰(zhàn)斗機內埋武器艙復雜流動、振動噪聲難題及內埋武器系統(tǒng)功能實現(xiàn)性、結構安全性等問題開展了大量研究[24-42]，獲得的某機武器艙馬赫數2.0 以下的試驗結果表明，武器艙內噪聲總聲壓級約為145～170 dB，遠高于《軍用飛機結構強度規(guī)范》（GJB 67A-2008）要求（即噪聲總聲壓級大于140 dB 時就需要進行結構動強度分析和聲疲勞試驗）。高強度噪聲載荷將對武器艙結構安全和使用壽命產生不利影響。為此中國空氣動力研究與發(fā)展中心聯(lián)合飛機設計單位共同構建了戰(zhàn)斗機內埋武器艙流動/振動/噪聲多場耦合試驗模擬平臺和仿真技術，揭示了馬赫數2.0 以下的武器艙復雜流動和聲振載荷產生機理，并提出了工程實用的武器艙振動噪聲控制對策，為建立武器內埋技術研發(fā)體系和地面評估手段奠定了堅實的研究基礎，在促進我國先進戰(zhàn)斗機裝備研制水平、生存能力、實戰(zhàn)能力的快速提升方面起到了積極作用。

2 戰(zhàn)斗機內埋武器系統(tǒng)設計要求

內埋武器系統(tǒng)設計成功與否直接關系到戰(zhàn)斗機的戰(zhàn)斗力生成和作戰(zhàn)效能的有效發(fā)揮。隨著現(xiàn)代先進戰(zhàn)斗機的戰(zhàn)技指標和內埋武器系統(tǒng)使用條件、適應邊界的不斷提升，內埋武器系統(tǒng)有了更嚴苛更復雜的設計要求。

2.1 內埋武器系統(tǒng)設計總體方案

內埋武器系統(tǒng)設計總體方案：

1）選擇合適的武器艙幾何尺寸和形狀，滿足武器裝載方案、懸掛裝置、電氣接口和機械接口以及維護間隙檢查等要求；

2）武器排列和安裝方法要使載機和武器的使用包線大，滿足分離安全和投放精度要求；

3）優(yōu)化的武器裝載、投放使用能力，有利于減少任務準備時間和再次出動時間，并且達到良好的綜保水平，具備維護工作量小等特點。

2.2 內埋武器艙設計要求

內埋武器艙幾何構型、外形參數、結構形式和艙門開閉方式等結構完整性設計，會影響到內埋武器的投放安全、飛機性能、穩(wěn)定性和操縱性，甚至影響到進氣道性能。因此，內埋武器艙設計初期就需要考慮武器艙總體、氣動、載荷、結構、強度、控制等一體化設計要求，減少武器艙掛載和作戰(zhàn)使用中的武器分離、顫振和振動、噪聲（疲勞）等問題。否則，在戰(zhàn)斗機飛行試驗后或服役過程中才暴露這些嚴重問題，將給飛機的設計和使用帶來顛覆性和反復性問題。

2.3 內埋武器系統(tǒng)設計要求

內埋武器裝載要求：武器構型多，武器幾何尺寸、舵面控制、穩(wěn)定性對武器艙振動和噪聲環(huán)境提出要求。

內埋武器使用要求：包線范圍大、大過載、高馬赫數，面臨諸多嚴酷的載荷作用環(huán)境，對結構安全性提出要求。

內埋武器功能要求：任務載荷變化，不局限于導彈、炸彈，還有雷達、電子戰(zhàn)吊艙。

內埋武器發(fā)射要求：全向打擊發(fā)射、高效彈射裝置、清潔能源、變彈射力、折疊彈翼等。

因此，機/彈/掛架/發(fā)射系統(tǒng)的綜合集成設計成為未來內埋武器系統(tǒng)設計和提升作戰(zhàn)性能的必然趨勢。此外，載機平臺作戰(zhàn)使命決定了內埋武器的主要性能指標，小型化、智能化、多功能化、高密度裝載成為內埋武器的發(fā)展方向，在內埋武器系統(tǒng)設計中可采用“設計-使用-再設計”螺旋式研制技術，以實現(xiàn)內埋武器系統(tǒng)綜合功能要求[43]。

3 關鍵氣動問題主要特征

先進戰(zhàn)斗機內埋武器艙流場是復雜流動的典型代表之一，主要存在三個典型特征：一是強耦合。多尺度旋渦結構、復雜波系相互干擾、剪切層不穩(wěn)定是武器艙空腔高速流動的典型特征，是誘發(fā)強烈噪聲的根本原因。流場和聲場之間的強耦合作用于武器艙結構，導致武器艙出現(xiàn)聲振耦合現(xiàn)象。二是預測難。高速條件下武器艙內流動呈現(xiàn)非定常，誘發(fā)的武器艙噪聲和結構振動也呈現(xiàn)非定常、非線性，導致武器艙流動/振動/噪聲特性預測方法難建立。三是控制難。實現(xiàn)武器艙流動/振動/噪聲同時控制，必須厘清武器艙復雜流動/振動/噪聲產生機理，才能建立有效的控制措施；但武器艙振動與噪聲產生機理復雜，流聲/聲振耦合作用強，這導致難以同時實現(xiàn)武器艙流控-減振-降噪的控制，如圖5 所示。

圖5 內埋武器系統(tǒng)關鍵氣動問題Fig. 5 Key aerodynamic problems of internal weapons system

面臨的主要問題如下：

1）內埋武器系統(tǒng)復雜流動問題。高速氣流流經不同形式的武器艙時，可能會形成完全不同的流動方式。一般而言，武器艙流動可以分為“開式流動”、“過渡式流動”和“閉式流動”三種典型流動狀態(tài)。對于“開式流動”，氣流將直接跨過武器艙向后流動，艙內靜壓梯度較小，此時武器艙對周圍流場干擾較小。從內埋武器氣動力特性方面考慮，該類武器艙流場較適合內埋武器分離，且對全機氣動力特性影響較小。而對于“閉式流動”，氣流將在武器艙前緣發(fā)生分離，在艙底前段再附，之后在武器艙后壁附近再次分離，艙內壓力梯度較大。武器從該類武器艙流場分離時往往會產生較大的抬頭力矩，不利于武器安全分離；另外，該類武器艙流場還將使全機阻力大大增加，并可能影響飛機的操縱性和穩(wěn)定性?！斑^渡式流動”則介于“開式流動”與“閉式流動”兩者之間。工程上，除了氣動特性因素之外，武器艙設計還需綜合考慮總體、結構、武器類型、發(fā)射方式等要求，故不同作戰(zhàn)任務的飛機武器艙可能對應不同的流動類型。

圍繞這一問題的研究集中于兩個方面：一是關于武器艙復雜流動影響因素和演化機理等的研究；二是探尋降低艙內壓力梯度的主/被動流動控制措施，改善艙內流動。

2）內埋武器系統(tǒng)振動與噪聲問題。內埋武器艙流場結構異常復雜，流動呈高度的非平穩(wěn)隨機性，伴隨一系列的波/渦/剪切層相互干擾和耦合，誘發(fā)武器艙內部及周圍產生強烈的氣動噪聲。然而，“開式流動”、“過渡式流動”和“閉式流動”三種流動類型的武器艙內的振動與噪聲量級一般差別較小，但頻率特性不同?！伴_式流動”武器艙內存在嚴重的流激振蕩聲模態(tài)，聲腔耦合放大導致艙內出現(xiàn)多個聲壓峰值激振頻率，且容易引起局部結構強烈振動，更容易發(fā)生共振；“過渡式流動”武器艙內同樣也存在流激振蕩聲模態(tài)，但聲模態(tài)往往階數較少；“閉式流動”武器艙內幾乎沒有流激振蕩聲模態(tài)，但因其艙深度很淺，一般的武器艙不采用此種結構形式。武器艙高速復雜流動和結構振動產生的、作用于結構表面的脈動壓力載荷，可引起武器艙及內埋武器系統(tǒng)的結構振動，導致結構疲勞，影響使用壽命。腔內高強噪聲還會引起電控系統(tǒng)工作失靈失效。刺耳的“嘯叫”聲會影響飛行員工作。武器艙壁板受到氣流撞擊和噪聲載荷作用時，在滿足一定的空氣動力學與結構動力學條件下，出現(xiàn)的腔壁結構振動，不僅引起交變應力，而且對機載電子儀器儀表的正常工作也會產生不利影響。當氣動激勵頻率、噪聲頻率接近艙壁結構固有頻率時，易發(fā)生共振，導致艙壁結構破壞、武器機械零件松動、控制管線通路故障，甚至造成武器系統(tǒng)損壞。美國在研制內埋武器艙的過程中，高強振動與噪聲曾造成F-111 武器失效、B-1 艙門結構損壞，以及多種飛機電氣系統(tǒng)損壞等嚴重問題。

圍繞武器艙振動與噪聲問題方面的研究集中于兩方面：一是關于武器艙振動與噪聲產生及演變機理的研究。這類研究主要分析各種參數對武器艙氣動噪聲的影響規(guī)律，探索聲學回路形成機制及發(fā)聲機理，發(fā)展武器艙振動與噪聲測試技術。二是武器艙振動與噪聲抑制方法研究。這類研究會采用主/被動流動控制方法破壞武器艙噪聲回路，抑制武器艙流場誘發(fā)的強振動與噪聲，改善動力學環(huán)境。

3）艙門運動與武器艙流場耦合問題。艙門是內埋武器艙系統(tǒng)的重要組成部分。在內埋武器發(fā)射時，艙門需快速開啟；當內埋武器發(fā)射完成后，艙門需快速關閉。艙門快速運動可能加劇武器艙流場的非定常效應，從而使武器艙流場更加復雜。而處于復雜流場且快速運動的艙門，其本身的氣動特性也是須重點研究的內容。武器艙所引發(fā)的復雜流動可能導致內埋武器艙門系統(tǒng)出現(xiàn)故障，造成艙門打不開或關不上。另外，在非定常氣動力作用下，武器艙艙門可能出現(xiàn)流致振動、抖振等現(xiàn)象，影響飛機操縱和飛行品質，并可能引發(fā)結構疲勞和損傷，甚至會出現(xiàn)艙門破裂、危及飛行安全的嚴重問題。而在氣動力、慣性力和結構彈性共同作用下，武器艙艙門甚至可能出現(xiàn)顫振，產生結構破壞，造成飛行事故。

因此，開展艙門運動與武器艙流場耦合問題研究十分必要，獲取相關動態(tài)數據對內埋武器艙載荷準確估算、結構設計與優(yōu)化等都具有重要意義。

4）內埋武器分離安全問題。受武器艙空間結構限制，內埋武器涉及到的機/彈分離相容性環(huán)節(jié)較多，加之內埋武器艙流場流動特性較為復雜，因此，內埋武器分離安全性難以通過經驗公式或數值模擬進行準確評估。艙內強渦流可引起武器艙內壓力急劇變化，從而導致內埋武器分離過程中產生抬頭、翹尾、橫向滾動等不穩(wěn)定狀態(tài)，甚至碰撞艙壁或艙門，危及武器安全分離和載機飛行安全（見圖6）[43]。內埋武器機/彈分離相容性研究的主要任務是分析內埋武器與載機是否能安全分離，并確保武器的安全分離姿態(tài)。導彈需在艙門打開后的極短時間內從武器艙繞流中穿過，并在離開機身一定距離后獲得一個良好的姿態(tài)，適時點火、發(fā)射，提高命中目標的概率。

圖6 F-15 投放GBU-12 碰撞事故[43]Fig. 6 Collision accident of F-15 during the launch of GBU-12

對該類問題的研究可分為兩個方面：一是獲取不同流場參數、不同武器艙幾何參數下，內埋武器分離過程中的氣動力特性，評估其分離安全性，為內埋武器艙/武器氣動外形優(yōu)化設計提供技術支撐；二是流動控制方法研究。探索安全可靠且工程實用的流動控制措施，改善內埋武器分離過程中的氣動特性，減少影響內埋武器安全分離的不利因素，確保武器/載機分離安全。

4 內埋武器系統(tǒng)地面綜合驗證

內埋武器系統(tǒng)地面綜合驗證和考核是完成內埋武器系統(tǒng)研制的必經階段，就是通過地面的測試系統(tǒng)和試驗環(huán)境檢驗內埋武器系統(tǒng)的功能實現(xiàn)性、結構完整性。主要有以下幾種方式：

1）懸掛系統(tǒng)的地面彈射試驗；

2）武器系統(tǒng)的地面坑投試驗；

3）結構系統(tǒng)的地面振動（GVT）試驗；

4）武器系統(tǒng)的大型吹襲試驗；

5）武器系統(tǒng)的風洞驗證試驗；

6）武器系統(tǒng)的火箭撬試驗（見圖7）。

圖7 火箭撬滑車地面試驗Fig. 7 Groud test of rocket sled

國內外開展戰(zhàn)斗機內埋武器系統(tǒng)地面綜合驗證都是采用多種試驗手段相結合的研究方式。大型吹襲試驗的試驗條件和參數范圍較窄，一般的吹襲馬赫數很難達到超聲速，且由于流場模擬能力較差，武器艙流動、振動、噪聲測量數據偏差較大?；鸺囋囼炘诘孛婊壣线M行，試驗成本高、準備周期長、干擾因素多，且由于地面氣流密度大、載荷大，受武器艙結構載荷限制，試驗速度一般很難達到要求的狀態(tài)。相比較而言，風洞試驗條件可控、參數測量精確、試驗安排靈活，更適宜開展彈艙流動、振動、噪聲問題研究。只是受風洞尺寸限制，一般采用縮比模型進行內埋武器系統(tǒng)氣動問題研究，開展武器艙流動特性、噪聲和振動載荷測量試驗，完成武器分離軌跡驗證等。然后，采用全尺寸武器艙模型風洞試驗進行武器系統(tǒng)、掛架系統(tǒng)、作動系統(tǒng)等的穩(wěn)定性和可靠性的考核驗證，并完成縮比模型風洞試驗結果的修正。

5 技術進步需求和研究重點

5.1 內埋武器系統(tǒng)發(fā)展需求

武器內埋仍將是未來先進隱身戰(zhàn)機的必選形式，其主要發(fā)展方向是：

1） 高馬赫數內埋武器艙設計需求。未來馬赫數2.0 以上的武器內埋技術比較缺乏關鍵氣動問題的研究。

2） 高密度武器內埋掛裝需求。充分利用武器艙空間，增大武器掛載量將成為未來戰(zhàn)斗機取得作戰(zhàn)優(yōu)勢的需求之一。

3） 新型內埋武器艙結構布局需求。當前的開式流動武器艙依舊存在系統(tǒng)復雜、作戰(zhàn)場景不足等問題，未來將開展新型武器艙結構布局研究，創(chuàng)新內埋武器艙設計理念。

4） 多種類武器裝載需求。針對不同作戰(zhàn)使用環(huán)境和作戰(zhàn)需求，發(fā)展多種類型的武器裝載方式。如導彈內埋、多層掛裝、直接力發(fā)射、前后雙武器艙、傾斜武器艙。

5） 武器智能發(fā)射和精確控制需求。爭取戰(zhàn)爭主動權，提高生存力和戰(zhàn)斗力，就要實現(xiàn)武器全向發(fā)射和精準打擊。

5.2 主要氣動問題研究重點

未來的內埋武器系統(tǒng)具有構型尺度大、武器密集裝載發(fā)射、力學載荷特征復雜、約束條件嚴苛等特點，要求具備內埋武器安全投放分離、結構輕質安全設計、戰(zhàn)場環(huán)境適應能力強、疲勞壽命要求高、電控系統(tǒng)工作正常等能力。因此，存在的關鍵氣動問題主要有：

1） 復雜運動邊界耦合影響的內埋武器系統(tǒng)多場載荷預測模型與仿真技術；

2） 多參數非定常過程內埋武器系統(tǒng)多場載荷試驗原理與模擬技術；

3） 主/被動組合調度的內埋武器系統(tǒng)多場載荷自適應控制理論和建模方法；

4） 內埋武器系統(tǒng)結構聲振響應規(guī)律與抗聲振疲勞設計方法；

5） 內埋武器系統(tǒng)密集裝載、安全投放與結構系統(tǒng)降載評估技術；

6） 基于機器學習的內埋武器系統(tǒng)數據融合與智能優(yōu)化設計；

7） 內埋武器系統(tǒng)功能實現(xiàn)性和結構安全性綜合集成演示驗證。