高速飞行器折叠翼/舵设计技术与进展研究

陈克 金玲 雷豹 王聪伟 聂青

（1 北京宇航系统工程研究所，北京 100076；2 中国运载火箭技术研究院，北京 100076）

0 引言

高速飞行器是快速精确打击体系发展的重要标志，而折叠翼/舵是高速飞行器领域目前的研究热点。高速飞行器采用折叠翼/舵具有的重要意义：满足发射平台对翼/舵的横向尺寸约束，满足飞行剖面中不同飞行段对控制能力的不同需求，提升平台装载能力，形成多平台适装性，便于地面勤务处理，因此折叠翼/舵应用需求迫切。

高速飞行器在复杂环境下的快速起控过程[1]和高性能飞行对折叠翼/舵设计技术提出了新的挑战。高速飞行器在执行起控动作时，折叠翼/舵在大动压高负载环境中自动快速展开并可靠锁紧成整体；高速飞行器在飞行时，折叠翼/舵作为一个整体在大载荷高热流环境中承受严酷力热耦合作用[2]。当前高速飞行器折叠翼/舵设计面临难以集折叠与防热功能于一体的问题。传统的高速飞行器翼/舵采用金属骨架蒙皮外加复合材料防热套的结构形式，其中前者和后者分别实现承载和防热的功能，鉴于连接、转动部位的热密封、热匹配性能难以保证，该结构形式不适用于分体结构，无法满足折叠需求。传统的折叠翼/舵无热防护措施或防热结构，普遍应用于低速领域，在低速领域的工程应用和理论研究较为成熟，但截至目前尚未应用于高速领域且缺乏相关研究。因此针对高速飞行器的飞行剖面，亟须探索新型的折叠翼/舵设计方法，实现折叠翼/舵在大动压高负载条件下展开及锁紧、在大载荷高热流条件下防热和承载的功能需求。

1 折叠翼/舵总体设计技术

1.1 工作时序

首先明确高速飞行器折叠翼/舵的工作时序：飞行器在无起控需求时，折叠翼/舵处于初始折叠锁紧状态→飞行器需要起控时，电气系统在t1时间内接通供电→初始折叠解锁反馈信号接通，折叠翼/舵在t2时间内完成解锁、展开及锁紧动作，到位展开锁紧反馈信号接通→折叠翼/舵处于到位展开锁紧状态，飞行器起控以稳定姿态，通过摆舵实现控制，如图1所示。因此折叠翼/舵主要经历三个阶段：1）起控前的初始折叠锁紧状态；2）起控段的解锁、展开及锁紧过程；3）起控后的到位展开锁紧状态。

图1 折叠翼/舵工作时序 Fig.1 The work order of folding wing/rudder

1.2 总体设计流程

基于折叠翼/舵的工作阶段，总结其总体设计流程。折叠翼/舵系统作为一套多功能系统，涉及的专业领域十分广泛，其总体设计流程是多学科耦合设计的过程，如图2所示。

图2 折叠翼/舵总体设计流程 Fig.2 The overall design process of folding wing/rudder

1.2.1 折叠展开和解锁/锁紧机构设计路线

1）根据飞行剖面，进行全程稳定飞行控制能力需求分析，提出控制力需求；2）根据控制力需求，进行翼/舵面外形尺寸设计；3）根据发射平台空间包络、翼/舵面外形尺寸等约束，确定翼/舵的折叠展开方向；4）进行不同折叠展开方向条件下的动翼/舵面载荷特性分析，为折叠展开方向设计提供指导；5）进行无控过程气动特性分析；6）根据无控过程的气动特性和运动参数，进行初始起控特性分析，并进行相关时序设计，提出折叠翼/舵展开时间要求；7）基于以上内容，开展折叠展开和解锁/锁紧机构详细设计、机构运动仿真分析；8）根据设计方案，开展解锁、展开、锁紧试验。

1.2.2 翼/舵面结构设计路线

1）根据飞行剖面，进行飞行热环境分析；2）基于翼/舵面的热环境，开展翼/舵面三维传热分析；3）根据翼/舵面传热分析结果，开展翼/舵面防热形式与材料的选择；4）基于以上内容，开展翼/舵面结构详细设计、结构强度和刚度仿真分析、结构动特性和气动弹性仿真分析；5）根据设计方案，开展静力、静热、动特性、气动弹性、力热联合试验。

1.2.3 迭代设计过程

经过以上设计、分析、优化、试验的迭代过程，在结果满足技术指标要求后，进行气动、起控特性详细分析，满足起控要求后，设计方案闭环。

1.3 关键设计技术

根据高速飞行器折叠翼/舵在工作时序中主要经历的三个阶段，梳理其总体设计主要涉及以下关键技术：展开过程气动载荷设计、折叠展开和解锁/锁紧机构设计、翼/舵面结构设计。

1.3.1 展开过程气动载荷设计

折叠翼/舵在飞行器需要起控时展开，展开过程中翼/舵所受气动载荷较大且变化规律复杂[3]，应根据定常气动特性计算和起控过程姿态仿真，结合定常和非定常气动特性计算差异性评估，进行不同折叠展开方向、角度和不同初始舵偏角条件下的气动特性分析，完成展开过程气动载荷优化。展开过程气动载荷是后续机构详细设计的关键初始条件，直接影响折叠翼/舵的解锁、展开及锁紧过程。

1.3.2 折叠展开和解锁/锁紧机构设计

折叠翼/舵解锁、展开及锁紧过程受到气动力和摩擦力的综合作用，要求折叠展开机构拥有合理的驱动能力，保证动翼/舵展开时间达到预定要求并对定翼/舵造成的冲击尽可能小，因此折叠展开机构采用扭簧等弹性元件或以小过载火工作动筒为代表的火工装置。平台空间包络一般约束动翼/舵折叠角度超过100°，要求弹性元件扭转相应折叠角度不失效，但驱动能力与折叠角度的设计存在相互约束，大驱动力要求弹性元件整体长度小、刚度大，大折叠角度要求弹性元件整体长度大、刚度小。此外折叠展开机构的存在使折叠轴部分直径加粗和长度增长，超出理论外形，因此应合理设计和优化弹性元件的材料、截面、长度和预扭转角度，在驱动能力和折叠角度之间寻求协调，实现机构小型化，降低折叠展开机构对气动外形的不利影响。火工装置主要的设计技术指标有工作时间、作动行程、药室装药量、燃气压力、产品尺寸、冲击过载、阻尼形式，须在结构空间的限制下保证冲击过载尽可能小，降低火工装置作动对翼/舵的不利影响。

初始和到位锁紧机构一般为插销结构，如采用以弹簧驱动的弹簧销锁紧机构，由锁紧销、弹簧、螺母组成，通过弹簧压缩储能为锁紧销提供动能，锁紧销在动翼/舵展开到位时插入动翼/舵实现锁紧，弹簧仍处于压缩状态，提供预紧力防止解锁，螺母用于固定弹簧以调节弹簧初始长度，保证可靠的工作范围。初始锁紧机构的解锁方案主要有两种，一种解锁方案为联动解锁，利用伺服机构预置动作使插销解锁，但增加解锁时间和结构复杂性；另一种解锁方案为火工拔销器解锁，但增加多路火工品及电缆连接且带来较大冲击。

折叠展开和解锁/锁紧机构是折叠翼/舵设计技术的核心，应在机构运动仿真的基础上，结合空载/风洞展开试验，验证解锁、展开和锁紧能力，获取运动参数并分析气动力和摩擦力的影响，为机构的迭代设计提供依据。

1.3.3 翼/舵面结构设计

翼/舵面结构设计包含热防护设计和结构优化。数据表明，当飞行器飞行速度达Ma5时，翼/舵将要承受650～750℃的高温[4]，达Ma8时翼/舵前缘驻点温度将会超过1200℃[5]。针对力热耦合环境下的折叠翼/舵，开展热防护方案选择，从工艺技术、占用空间、结构重量、经济成本等角度进行综合对比评估，保证大面积和局部热防护、间隙热密封和不同材料之间的热匹配。此外，在一定约束条件下实现重量或力学特性等指标最优的结构优化，并开展折叠翼/舵静力、静热、力热联合等环境试验，考核其对飞行环境的适应性。

2 折叠翼/舵结构设计技术

2.1 结构设计通用指标体系

基于高速飞行器折叠翼/舵总体设计技术，建立其结构设计通用指标体系，如图3所示，对其结构设计流程形成参考指导。

图3 折叠翼/舵结构设计通用指标体系 Fig.3 The structure design common indicator system of folding wing/rudder

2.2 结构设计流程

基于高速飞行器折叠翼/舵总体设计流程和结构设计通用指标体系，总结折叠翼/舵结构设计流程，如图4所示。

图4 折叠翼/舵结构设计流程 Fig.4 The structure design process of folding wing/rudder

2.2.1 结构设计及分析路线

根据外形尺寸、飞行热环境、折叠展开结构布局、展开到位后气动载荷等要求，开展翼/舵面及防热结构详细设计、结构强度和刚度仿真分析、结构动特性和气动弹性仿真分析，并结合静力、静热、动特性、气动弹性、力热联合试验，验证设计方案的载荷与环境适应性、功能满足性，确定展开锁紧时间和展开不同步性，根据仿真与试验结果开展耦合迭代设计，优化翼/舵面及防热结构、折叠展开结构布局、锁紧机构、材料选择等，形成在一定约束条件下较优的翼/舵面结构设计方案。

2.2.2 机构设计及分析路线

根据空间包络、外形尺寸、展开过程气动载荷、解锁展开锁紧时间等要求，开展折叠展开和解锁/锁紧机构详细设计、机构运动仿真分析，并结合空载/风洞展开试验，验证设计方案的功能满足性、载荷与环境适应性，确定展开锁紧时间和展开不同步性，根据仿真与试验结果开展耦合迭代设计，优化折叠展开和解锁/锁紧机构、翼/舵面外形尺寸、折叠展开结构布局、展开过程气动载荷等，形成在一定约束条件下较优的折叠展开和解锁/锁紧机构设计方案。

2.3 仿真分析和试验

2.3.1 有限元仿真分析和力/热试验

a）折叠翼/舵的防热和承载性能有限元仿真，用于分析其结构形式在大载荷高热流环境中的传热特性和承载能力，从结构和整体的角度分析结构设计合理性，为详细的结构、机构设计和相关的力/热试验提供理论参考。

b）折叠翼/舵相关的力/热试验主要包含静热试验、静力试验和力热联合试验，折叠翼/舵的静热试验旨在考核其防热材料和结构对高温环境的适应性，并对前缘、折叠转轴、活动部位等关键区域的热环境适应性裕度进行摸底，以及校准传热有限元仿真分析模型。折叠翼/舵的静力试验旨在考核其在气动载荷工况下的强度和刚度，并获得其在气动载荷工况下的应力分布、在气动载荷工况下的变形规律，以及校准静力有限元仿真分析模型。

折叠翼/舵的力热联合试验旨在考核其在飞行力热环境下的整体强度和刚度、在飞行力热环境下的整体变形匹配性能、生产和制造工艺是否满足结构承载的要求，并获得其在飞行力热环境下的整体温度分布、在飞行力热环境下的整体变形规律。

2.3.2 虚拟样机仿真分析和空载/风洞展开试验

a）折叠翼/舵的解锁、展开及锁紧过程虚拟样机仿真，用于分析其结构形式在大动压高负载环境中，不同气动和摩擦作用工况条件下的动态特性和运动规律，从机构和分体的角度分析结构设计合理性，为详细的结构、机构设计和相关的空载/风洞展开试验提供理论参考。

b）折叠翼/舵的空载展开试验旨在验证其机构设计方案的合理性、展开到位后锁紧功能的可靠性、展开到位后结构强度是否满足设计要求，并获得其在空载条件下的展开时间、展开角速度、到位冲击等参数，以及校准解锁、展开及锁紧过程虚拟样机仿真分析模型。折叠翼/舵的风洞展开试验旨在考核其在气动阻碍作用下展开的能量裕度及展开时间、在气动促进作用下展开到位的锁紧性能及结构强度，并对其在极限气动阻碍作用下展开的能量裕度、在极限气动促进作用下展开的锁紧性能及结构强度进行摸底，以及获取动态过程的冲击环境参数，为结构、机构的改进优化设计与伺服系统等相关系统的结构设计提供依据。

3 关键设计技术的研究现状及发展趋势

3.1 展开过程气动载荷设计

目前该领域取得的研究成果集中于对特定展开过程进行气动载荷分析，缺少对不同折叠展开方式的气动载荷进行对比分析，进而形成迭代设计的优化研究。

Y.Yuan等[6]采用非定常CFD方法对折叠翼动态展开过程进行了数值模拟，研究了折叠角度、角速度、角加速度的时间历程，确定了翼面气动载荷大小和变化规律，为折展机构的设计提供了输入条件；李东等[7]采用风洞试验方法给出了折叠舵展开过程中的气动载荷，并采用CFD仿真方法对折叠舵受载进行了流场分析，明确了折叠舵展开过程受载变化的机理；秦永明等[8]通过风洞试验研究了折叠舵展开过程中展开角、马赫数、侧滑角对动舵气动特性特别是折叠轴扭矩的影响；刘森等[9]通过风洞试验方法研究了折叠舵不同折叠角度下动舵的气动载荷变化规律；蒋坤等[10]介绍了高速风洞试验方法与测试设备，形成了折叠舵展开过程试验技术，并将其有效的应用于对折叠舵气动特性随气流参数、折叠角度的变化规律的研究中；单继祥等[11]采用数值模拟方法研究了低速条件不同状态下折叠翼的气动特性，分析了折叠翼展开过程及各因素对展开运动特性的影响；范国芳等[12]对折叠翼采用定常和非定常数值模拟方法进行了展开过程气动载荷分析，前者研究展开角、来流参数对动翼气动力的影响，后者研究动翼展开过程的载荷情况，分析了非定常效应对气动载荷的影响。

基于改善展开过程中的大动压高负载环境考虑，区别于传统对折的翼/舵面反折等新方式、不同于传统零舵偏的舵面预置舵偏角等新布局将逐渐应用，以大幅降低折叠翼/舵展开过程气动载荷做功，利于折叠翼/舵的结构、机构设计。

3.2 折叠展开和解锁/锁紧机构设计

目前该领域已取得了一定研究成果，但集中于低速飞行器折叠翼/舵，此时折展机构驱动能力普遍较小、不具备初始锁紧机构、对初始解锁至到位锁紧时间要求较低，缺少对高速飞行器折叠翼/舵机构设计的研究。俞渭良等[13]对某折叠舵进行了设计，展开机构由扭簧、扭杆、转轴和扭头组成，锁紧机构由锁销、压缩弹簧和止动螺钉组成；李双江[14]对折叠翼进行了设计，内翼与外翼通过扭杆套筒连接，外翼由扭杆套筒内的扭杆驱动展开，展开到位后纵向和轴向锁紧均通过弹簧驱动的锁紧销实现；曾清香[15]对折叠翼进行了设计，展开机构由扭片、转轴和定位销组成，锁紧机构由套筒、前锁销、后锁销、弹簧、螺杆和挡块组成，并进行了理论计算、仿真分析和工程试验；蔡德咏等[16]建立了折叠翼驱动扭簧的优化模型，通过退火算法对扭簧进行了参数优化和数值仿真，并通过动力学仿真进行了验证；甄文强等[17]设计了具有轴向和展向锁紧机构的折叠翼，分析了折叠翼驱动扭杆的截面形式和设计参数对性能的影响，以扭杆总质量为目标函数建立了扭杆的优化设计模型，对扭杆进行了参数优化并得到了理想参数，考虑展开过程中气动阻力和摩擦力的作用建立动力学模型，从理论、仿真和试验三方面进行了验证。

随着后续材料和工艺技术水平的不断发展，为适应动态过程中的大动压高负载环境和产品的长期贮存环境，具有形状记忆效应、超弹性和高阻尼性的形状记忆合金等新型特殊功能材料将逐渐应用，以具备合理的解锁、展开及锁紧能力，并拥有良好的可靠性、贮存性、重复使用性。

3.3 翼/舵面结构设计

目前该领域已经取得的研究成果较少，以改善力学特性为目标的结构优化设计为主，缺少对力热耦合环境下飞行的折叠舵的结构设计与分析。

王晓慧等[18]利用连续体拓扑优化技术对折叠翼进行了结构优化，以结构应变能最小为目标，通过优化翼梢单元相对密度和蒙皮厚度得到了最优结构拓扑形式，并进行建模和分析验证强刚度满足要求；陈明凤等[19]针对折叠舵的气动弹性问题，在重量基本不变的前提下，以提高颤振速度为目标对舵面结构进行了拓扑优化设计；侯政等[20]为改善折叠舵在高速飞行过程中的颤振特性，将流固耦合问题从结构动力学问题简化为静力学模型，利用拓扑优化技术得到了拥有更大颤振临界速度的折叠舵结构；李双江等[21]对折叠翼进行了轻量化设计，以展开时间和翼梢挠度限制为约束，在面积不变的条件下通过改善结构参数进行了质量优化；邓怡超等[22]对折叠舵采用建立连接结构的方法将销钉的连接刚度考虑在内，对折叠舵进行了模态分析和动态响应仿真，并设置均匀低温度场300℃分析了热对折叠舵力学特性的影响。为适应飞行过程中的大载荷高热流环境，防热承载一体化碳化硅陶瓷基复合材料等新型热结构材料、轻质高强的耐高温金属拓扑结构等新型结构将逐渐应用，以有效应对折叠翼/舵飞行过程中恶劣的力热耦合环境。

4 结束语

折叠翼/舵设计技术是未来高速飞行器发展的关键技术，可有效提升飞行器的技术指标和满足飞行器的功能性能要求，以应对飞行器在复杂环境中的应用，高速飞行器折叠翼/舵设计技术相比传统飞行器更加复杂。为完善高速飞行器折叠翼/舵设计技术理论体系，对于兼具折叠展开、解锁锁紧功能和热防护能力的折叠翼/舵结构形式仍需开展深入研究，还应重视多学科、多专业、多维度的交叉研究，如折叠展开方向及布局的气动-结构-载荷一体化设计与优化等内容，从而推进其工程应用。