611飞行器设计大赛论文.doc

“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台一、前言随着航空技术的不断进步，尤其是人类在吸气式冲压发动机、先进气动布局设计、可重复使用热防护技术领域的不断突破，高超声速飞行已不再是一个遥远的梦想。纵观人类的航空发展史，追求“更高、更快”的飞行目标一直都是航空工程师难以割舍的梦想。然而，强调多用途、高机动、隐身性能的第四代作战飞机的出现似乎模糊了这个目标，与追求“更高、更快”的飞行梦想渐行渐远。然而，四代机以后呢？谁能代表未来作战飞机的发展趋势？无人机？高超声速飞机？ 随着无人机及其相关技术的突飞猛进和高超声速技术的不断成熟，以及人类对于临近空间这个尚未被占领的神秘战场的高度关注，可以想象：集无人驾驶、高超声速飞行、临近空间作战等特征为一身的飞行器，势必成为航空和武器装备领域的重要发展方向。临近空间是指高于普通航空器飞行空间，而低于轨道飞行器运行空间的区域。国际上一般将距地面20-100 千米的空域视为临近空间。其显著特点包括：空气相对稀薄；环境压力低；环境温度变化复杂；臭氧和太阳辐射强；20-40 千米区域平均风速最小。临近空间飞行器的应用前景十分广阔。随着航空航天技术的飞速发展，临近空间特有的战略意义日益凸显，对临近空间的开发和应用正成为各航空航天大国关注的热点。平流层太阳能无人机、平流层飞艇、亚轨道飞行器等都是目前各航空航天发达国家开发临近空间飞行器的重点研究项目。临近空间飞行器在应用上也拥有不同于一般飞机和卫星的独特优点，主要表现在以下几个方面：（1）飞行高度适中。临近空间飞行器由于飞行高度介于飞机和卫星之间，因此在对地观测分辨率、电子对抗效果等方面优于卫星， 而在通信服务覆盖范围、侦察视场范围等方面优于飞机。（2）部署速度快、机动能力强。卫星的发射准备周期长、约40 天，机动变轨次数有限；低动态临近空间飞行器结构简单、可大量部署，准备时间往往不超过一天，实时使用性好，威慑作用大。（3）临近空间飞行器采用全复合材料，没有大尺寸高温作部件，具有低可探测性，而且的飞行高度较高，目前世界上尚缺乏有效对抗临近空间飞行器的武器，生存能力强。（4）临近空间飞行器在战场信息控制和快速远程精确打击等方面具有很强的威慑作用。可实现局部区域快速响应和持久部署。一些低速临近空间飞行器所处区域气流稳定，平均风速较小，可实现红外凝视的监视、侦察。在局部区域的时间分辨率方面，是卫星和飞机所不能比拟的。（5）载荷能力强，效费比高。临近空间飞行器可作为卫星廉价的替代品，用于中继通信和作为侦测敌人的手段。临近空间飞行器的制造和使用费用远低于卫星。飞行平台的载荷能力大，飞行器可返回，可重复使用，载荷可维修，可更换。“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台正是基于以上分析，并立足于未来20-50年的航空各领域前沿技术的发展，提出的一种关于未来作战飞行器的概念设想。二、“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台的设计思想一是采用涡扇发动机+超音速燃烧冲压发动机+火箭发动机的组合动力方式，可增大有效载荷。以此方法用来解决目前世界上类似飞机如X37B起飞与着陆问题，在地面上以涡扇发动机或超音速燃烧冲压发动机为动力进行正常飞机的起飞与降落。有资料表明，火箭所带燃料的70%用于前11000米的升空，所以本机由涡扇发动机或超音速燃烧冲压发动机为动力升至25000米左右高空，关闭喷气发动机改由火箭发动机为动力继续飞行进入外太空待命。在有战斗任务时加速至最高速度25Ma俯冲返回地球，这样的动力模式可以大大增加效率以及作战半径，最终可以达到2小时内全球打击。同时，经查询资料，当巡航导弹以4马赫的速度在24万米以上的高空高速飞行时，俄SA10和SA12防空导弹的拦截概率为0.3,升至6马赫时，拦截概率只有0.01, “Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台当以25马赫的速度进行突破攻击时几乎不可能遭到防空导弹的拦截的威胁，所以不管是对美斥巨资技术打造的弹道导弹防御系统还是俄罗斯最先进的S400防空系统都构成了灭顶之灾。二是重复使用，经济高效。“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台一般采用水平起降的方式，可重复使用，大大减轻地面勤务的压力，提高安全可靠性，也可大大降低使用成本。三是采用一体化结构，技术先进。采用防热结构与主体结构一体化设计，不但可减轻机身质量，而且能提高热防护系统的可靠性和耐久性，更适应高速飞行的需要。四是借鉴当下巡航导弹以及洲际弹道导弹的设计，采取了智能可变式机翼，在低速低空时，展开机翼增大升力便于起飞也便于在回收时进行滑翔降落节约能源。在高空时，由火箭发动机提供动力无需太大的机翼只需有可以控制俯仰翻滚调整方向的舵面，同时火箭喷口也可以实现矢量化达到增加高空高超音速下的高机动性，所以此时机翼收起只保留一小部分暴露空气之中做舵面使用。五是可以在外太空长期待命在有战斗任务时以超过25马赫的速度俯冲回地球进行战斗攻击。三、“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台作战使命和主要对象1.作战使命：摧毁敌核攻击力量；夺取制空权，切断敌支援力量；摧毁敌防空和控制指挥系统。2.主要作战对象：敌方最重要的目标如核导弹基地、指挥控制基地、后勤仓库以及防空系统等等。3.如果作为反战略导弹的一环，“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台的长处是既可像其他太空拦截武器一样，进入外层太空待命，又具有部署和攻击的更大自主性和灵活性；如果是作为卫星空中发射平台，可以放弃制造和使用原有的发射系统，提高发射地点的灵活性和时间选择的时效性。由于运载火箭发射往往需要提前很长时间进行计划，准备周期较长，而进行小型卫星的快速发射，并组建必要的轨道集群，可以快速获得信息优势。如果能作为对空、对地作战平台，“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台的作用则更不可小视。用“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台仰射或平射击毁其他航天器，优势显然比从地面或同温层以下空中发射导弹要明显，也比从固定在轨平台发射动能或定向能武器更具技术简便性。用“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台进入大气层攻击地面目标，显然也要比普通飞机更具有突然性。“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台在轨飞行时是不需要消耗燃料的，只是在做变轨飞行和姿态调整时需要消耗很少的燃料，在起飞升空后，它可以用做长时间的空中战斗值勤，这也是现有战机所望尘莫及的。四、“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台的军事商业用途一作为空间武器发射平台。可携带和发射动能武器、激光武器、微波武器、粒子束武器等，对地面、空中和轨道上的目标进行攻击。二用作反卫星武器。即利用自身的探测设备搜索敌方卫星，发现目标后机动靠近，或施放电子干扰使其失灵，或发射武器将其摧毁，也可将敌卫星俘获带回地面。三作为一种新型侦察、监视和预警平台。可携带照相侦察、电子侦察设备对陆、海、空、天目标进行侦察与监视，对导弹发射发出预警；与运行在一定轨道上的侦察卫星相比，更具灵活性和时效性，侦察能力更强。四发射、维修和回收卫星。可作为航天运载工具，把小型卫星送入预定轨道；可与空间站对接，将物资、实验设备等运送至空间站。五、技术参数翼展 全展开 前机翼12.36米 后机翼 25.94米全收起 前机翼 3.06米 后机翼 5.6米机长9.8 升限85km机高5.0m 最大飞行速度M25最大起飞重量7.6t 有效载荷重量1.5t空机重量6.1t巡航高度60km燃油重量3.5t起飞距离1400m着陆距离 1200米起飞推重比：3.5 发动机推重比：15.5火箭发动机单台推力：500t最大留空时间：241天六、“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台的气动布局本机采用可变前鸭翼、可变后掠翼的气动布局，当鸭翼与机翼全部最大程度展开式，适于在“大气层内”低速飞行。当机翼全部收起时时飞机变成类似于巡航导弹似的弹体式的布局，以适于在“太空中”高速飞行。它具有独特的可变式机翼，从而兼顾低速与超高速的不同状态。机翼完全展开时，飞机可以慢速飞行，以便投掷精确武器或跑道上着陆。机翼完全收起时，整个飞机呈弹体型，有效减少阻力，可使飞机获得很高的马赫数。 使用前鸭翼的好处：1.有利于减小配平阻力和提高配平能力。2.有利于对重心进行合理的安排。3.超声速阻力较小。4.有良好的操纵性。5.低空的驾驶性较好，有利于增加升力。6.有利于矢量推力控制的应用。使用弹体形状的好处：1. 有利于提高空中的机动性能2. 有利于高超声速飞行，阻力较小3. 有利于在太空中飞行4. 有良好的操控性此外，“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台与现有高超声速飞行器最显著的不同还在于进气道的设计：现有的高超声速飞行器普遍采用乘波体布局和矩形截面的楔形进气道组合设计，利用机头前缘产生的激波直接打到超然冲压发动机的内壁，生成一串斜激波，利用其特殊的乘波构型对流入进气道的气流进行预压缩，以实现对进气的控制。与此不同的是，“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台采用的是直接进气方式：位于机身上侧的矩形截面的楔形进气道处在垂直尾翼之间，这样避开了机头激波的影响，使自由来流能够直接“灌”入进气道。可前后移动的激波调节器(一个可沿机身轴线前后移动的激波锥)使高超声速飞行时激波锥产生的圆锥面形激波，刚好打在超燃冲压发动机的环形壁面，生成一串斜激波，使流经燃烧室的气流仍为超声速流，以达到超燃冲压发动机的工作要求，实现对气流的与压缩与燃烧室流场的控制。七、关键技术分析一、发动机因为，“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台的飞行范围为从大气层内到大气层外，速度从M=0到M=25，如此大的跨度和工作环境变化是目前现有的所有单一类型的发动机都不可能胜任的，从而也就使为“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台研制全新的发动机成为整个项目的关键。众所周知，喷气式发动机需要在大气层中吸入空气，无需携带氧化剂，但无法在大气层外工作，且实用速度较小；而火箭发动机自带氧化剂，可以工作在大气层内外，使用速度范围较广，但携带的氧化剂较笨重，比冲小。目前设想的“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台的动力一般为采用超音速燃烧冲压发动机+火箭发动机或涡轮喷气+冲压喷气+火箭发动机的组合动力方式。因此，“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台采用涡扇-超燃冲压-火箭组合发动机以满足其需求。涡扇-超燃冲压-火箭组合发动机是把涡扇、超燃冲压和火箭发动机都组合在一起的发动机，可单级入轨。这种动力装置把三种发动机综合成一体，要采用变截面的喷管，采用这种动力装置加上超声速燃烧技术，就可以更充分地发挥组合发动机大范围工作的效能。它的特点是在亚声速冲压组合循环之外，还并列安装了超声速燃烧冲压喷气发动机。这种超声速燃烧冲压喷气发动机有自己独立的进排气系统，与飞机机体成一体化设计。这种发动机在飞行速度超过声速的35倍时开始工作，直到达到声速的16倍以上，“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台飞离大气层，都一直开动这种发动机，随后将它关闭，起动火箭发动机，将“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台加速到大于声速的25倍，进入飞行轨道。此外将发动机置于机体上部，垂尾之间的位置。这种设计使得发动机从机体上方吸入空气，不但让部分噪声被机翼和机身反射掉，而且也节省了燃料。“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台推进系统的创新之处还体现在它的环形燃烧室的设计，一改传统高超声速飞行器的矩形截面燃烧室设计。相对于矩形截面，圆形截面燃烧室有许多优势：首先承力性能较矩形截面好，除了可以减少能够容纳一定比压的结构质量外, 圆柱形的设计还可以减少燃烧室内的粘性损失, 圆柱形燃烧室横截面的液压直径比相应的矩形燃烧室的要小20%，圆柱形燃烧室还可以避免矩形燃烧室的角流效应。随着矩形超燃冲压发动机体积增大，需要额外的支橕机构以防止发动机变形，增加支橕结构意味着增加发动机质量和阻力，而圆形冲压发动机则可以避免这种情况。二、空气动力学方面航天飞机返回再入大气层的空气动力学问题，曾经耗费了科学家们多年的心血，作了约10万小时的风洞试验。“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台的空气动力学问题比航天飞机复杂得多。因为飞机速度变化大，马赫数从0变化到25；飞行高度变化大，从地面到几百公里高的外层空间；返回再入大气层时下行时间长，航天飞机只有十几分钟，“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台由于不能像航天飞机那样着陆而要像普通飞机一样着陆，所以时间大约为l2小时。为了实现大马赫数飞行，必须为高超声速飞机选择一种飞行阻力低、强度较高、抗高温特性好的气动布局。轴对称的弹头体的激波阻力相当小，导弹、炮弹、炸弹大都采用这种理想的外形。但用在高超声速飞机上则出现问题，因为飞机以一定迎角飞行时升力太小，低速特性太差，无法满足起飞着陆的要求。对于“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台之类的高超声速飞行器来说，无论飞得多高、多快、多远，总要从地面起飞或返回地面，如果起飞着陆时的升力不足，其起飞滑跑的距离很长，大迎角的机动性也很差，飞机难以控制。因此，研制高超声速飞行器时，不能只考虑高速，还应兼顾低速性能。所以在这方面，我采用了类似普通飞机中经常使用的鸭翼布局的两个机翼的布局，即前鸭翼与后主翼。在地面起飞的时候，通过前后两个机翼同时进行增升的效果下，通过前鸭翼所产生的增升效应来提高机翼的升力，从而来弥补弹体型外形在低空低速状态下的劣势。同时由于此平台的发射和着陆都是在本土安全区域进行以及其超高音速的缘故，所以可以适当的减小其机动性与隐身性能。同时由于是弹体的特殊形状，所以从结构的角度讲，它对付高温、高压、高过载比较容易。所以本平台采用这样的设计可以很好的兼顾高低速以及抗高温性能。三、防热结构与材料“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台需要多次出入大气层，每次都会由于与空气的剧烈摩擦而产生大量气动加热，特别是以高超音速返回再入大气层时，气动加热会使其表面达到极高的温度。机头处温度约为1800摄氏度，机翼和尾翼前缘温度约为1460摄氏度，机身下表面约为980摄氏度，上表面约为760摄氏度。因此，必须有一个重量轻、性能好、能重复使用的防热系统。“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台在起飞上升阶段要经受发动机的冲击力、振动、空气动力等的作用，在返回再入阶段要经受颤振、抖振、起落架摆振等的作用。在这种情况下，防热系统既要保持良好的气动外形，又要能长期重复使用，维护方便，所以其技术难度是相当大的。目前的航天飞机，由于受气动加热的时间短，表面覆盖氧化硅防热瓦即可达到满意的防热效果，但对“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台则远远不够。如果单靠增加防热层厚度来解决问题，则将使重量大大增加，而且防热层还不能被烧坏，否则会影响重复使用。一个较简单的解决办法是在机头、机翼前缘等局部高温区，使用传热效率特别高的吸热管来吸热，以便把热量转移到温度较低的部位。更好的办法是采用主动式冷却防热系统，也就是把机体结构与防热系统一体化，即把机体结构设计成夹层式或管道式，让推进剂在夹层内或管道内流动，使它吸走空气对结构外表面摩擦所生成的热量。为了更好的满足“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台的防热要求，在采用先进散热结构设计的同时，也加强了对机体材料的要求。全机使用快速固化粉末冶金工艺制造纯度很高、质量很轻的耐高温合金高速固化钛硼合金，它在高温下的强度可达到目前使用的钛合金在室温下的强度，这种合金适宜用来制造机身内层结构骨架。机头与机翼等温度最高的部位，要求采用碳复合材料，这种复合材料表面有碳化硅涂层，重量轻，耐高温性能好。此外，还需要研究金属基复合材料，例如碳化硅纤维增强的钛复合材料等。这种材料应该兼有碳化硅的耐高温性能，又具有钛合金的高强度特性。这样就可以很好的解决高温对机体的问题。四、制导与控制系统“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台采用不同的控制系统控制飞行。在大气层内飞行时用气动控制系统。此系统利用可动操纵面(如升降副翼、上下方向舵、减速板、着陆襟翼等)进行俯仰、偏航与滚动控制。这些操纵面由两套相互独立、同时工作的20.7MPa液压系统驱动，以确保工作可靠。在36.5km以上高空飞行时，改用类似于航天器变轨的反作用控制系统配以舵面的控制系统。此系统使用两套完全重复的喷嘴以提高可靠性，每套由6个喷嘴组成，其中4个装在前机身的头部，用于俯仰和偏航控制，每个喷嘴可产生0.5kN的推力，2个装在机翼的翼尖处，用于滚动控制，每个喷嘴可产生180N的推力。反作用控制系统所用的喷气是过氧化氢箱内的过氧化氢经催化反应后的气体。五、武器系统“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台为了实现隐身和超声速巡航的要求武器的悬挂都采用内置方式，炮口和弹舱门均装有能够快速开启的舱门，轻巧敏捷的弹舱挂架还具有快速伸出并弹射弹药的功能。使得这些开口都得到了保护，提高了隐身性能。此外，由于执行的都是战略任务，所以所携带的导弹数量有限，并且都可安装核弹头，达到真正的战略威慑，而且由于发射时的超高速使得很小质量的炸药都会发出极高的爆炸能量，所以本机的攻击效果还是很可观的。六、可变式机翼系统“Fire-bat”火蝠高超声速空天无人侦查/攻击平台主翼采用复合结构。前缘使用双梁式结构，利用机翼上表面布置太阳能电池板，利用机翼内部结构布置能源系统及飞行控制系统；后缘使用“可控变形智能材料+变形蜂窝”结构，即在可以进行平面变形的蜂窝结构中增加智能变形材料，通过电流对智能变性材料的刺激，带同蜂窝结构进行相应的变形，在宏观上形成机翼后缘的向后向下或者向后向上伸展，成为“无缝舵面”。微观单个蜂窝结构的变形示意图 充分利用蜂窝机构的受力特点（垂直蜂窝面承力能力很强）与智能材料配合使用，形成“无缝多面”，改善机翼气动力的分布，减小阻力，减轻系统和结构重量。同时，由于目前世界上采取可变机翼的飞机很多，例如F111，F14，F15等等，所以可变机翼的机械液压部分技术较为成熟，现在存在的问题是减少结构重量的问题，由于“F