巡航导弹智能变形研究∗

2019-11-13韩光松

舰船电子工程 2019年10期

韩光松李萍

（1.国防大学联合作战学院石家庄 050084）（2.96941部队北京 102206）

1 引言

海湾战争中，美军F-15E战斗机的一项重要任务就是摧毁伊军的“飞毛腿”导弹。由于F-15E 战斗机续航时间短，无法同时满足搜索目标和摧毁目标两项任务，这暴露了传统飞行器在执行多任务时存在弱点。随着飞行器对机动能力、飞行效率、任务适应能力等需求的不断提高，设计高效灵活的智能变形飞行器逐渐成为研究热点。

鸟儿可以在飞行过程中改变翅膀的形状，完成滑翔、盘旋、攻击等动作，例如在低速飞行时伸展翼面，在高速飞行时收缩翼面，通过扭转翅膀实现机动飞行。人类对飞行器的研究动机和灵感正是来源于自然界的鸟类和昆虫。飞行器变形可以追溯到100多年前，1903年美国的莱特兄弟首次实现了有动力载人的可控飞行，设计了一种可以扭转变形的机翼，采用“机翼翘曲”方式实现飞机的横侧向控制，这是人类飞行史上最早使用变形机翼的尝试。

智能变形飞行器是指飞行器在飞行过程中能够根据飞行环境、飞行任务、飞行控制要求的变化，自适应变形或基于感知系统的受控变形，以满足在大空域里高效率执行多种飞行任务（如起降、巡航、机动、盘旋、攻击等）的要求，并保持在全飞行包络内不同任务剖面具备良好的技术性能［1］。与离散改变后掠角或控制面角度的传统方法不同，智能变形可以有效地实现外形在不同空间尺度和时间尺度分布式连续变化。因此，智能变形不包括导弹级间分离等变形方式。

与固定外形的飞行器相比，智能变形飞行器具有诸多优势，例如多飞行任务时具有优化的气动性能，增强操纵及控制的能力，降低飞行能耗等。智能变形飞行器作为一种按需应变的多用途、多形态的新概念飞行器，代表了未来先进飞行器的一种发展方向［2］。通过新型智能材料、作动器、传感器和控制系统的综合运用，飞行器可以柔顺、平滑地改变外形，使其在整个飞行过程中保持气动性能全阶段优化，最大化提高飞行性能以及突防与生存能力。

2 智能变形飞行器

与鸟儿的变形类似，飞行器变形主要是针对翼的改变。通过改变翼的几何参数和布局，改善飞行器的空气动力学性能，用可连续、光滑变形的结构代替传统操作面还可提高飞行器的隐身性能等。

2.1 智能变形飞机

1890 年，法国的Clément Ader 提出了变形机翼的设想，首次提出侦察机机翼应设计成类似于蝙蝠或鸟翅膀的形状，框架可折叠，面积可缩小1/3～1/2，蒙皮膜应有弹性［3］。1914 年，美国的Edson 率先提出“可变形飞行器”的概念并申请专利。变形飞行器起初采用刚性变形，通过机构的连续动作实现外形改变，例如变后掠翼、可变倾角机头、倾转旋翼等。

美国在变形飞机领域起步较早，1951 年第一架变后掠飞机X-5 首次飞行，随后研制的F-111、F-14A 战斗机以及B-1 轰炸机等均具有变后掠能力，XB-70 超音速轰炸机翼尖可向下弯曲，制造压缩升力。俄罗斯也拥有一些变后掠飞机，例如米格-23战斗机、苏-24战斗轰炸机、图-160战略轰炸机等。英国、德国、意大利联合研制的“狂风”战斗机也采用了变后掠翼技术。变后掠翼飞机是为了同时兼顾短距起降能力、亚音速飞行性能和超音速飞行性能，其缺点是结构重量增加、复杂性增加、控制效率偏低等。

现代意义上的变形飞机研究是从20世纪80年代末开始。2003 年，美国国防高级研究计划局启动了“变形飞机结构”项目，其中Lockheed Martin公司提出了“折叠翼”方案，NextGen公司提出了“滑动蒙皮”方案，Raytheon 公司提出了“伸缩机翼”方案。但最终仅NextGen 公司于2007 年和2008 年成功完成了飞行演示验证，希望解决长航时无人机在阿富汗和伊拉克战场上使用的局限性，实现察打一体化。

机翼的几何形状是影响飞机气动性能和过载能力的主要因素，随着材料、控制等技术的迅速发展，出现了各种各样的柔性变形，如任务自适应机翼、主动气动弹性机翼、旋折/折叠机翼等。机翼变形按变形尺度可分为大尺度变形、中等尺度变形和小尺度变形，大、中尺度变形可以提高飞行性能，小尺度变形可以控制颤振［4～5］。机翼大、中尺度变形包括以下三类:

1）平面形状的变形，包括变展长、变弦长、变后掠等；

2）平面外变形，包括翼的扭转、上反角、展向弯曲等；

3）翼型变化，包括翼型的弯度和厚度等。

2.2 智能变形巡航导弹

亚音速巡航导弹主要依靠隐身技术和超低空飞行完成突防，由于飞行速度慢，导弹很容易被拦截。1998 年的“沙漠之狐”行动中，伊军指挥体系遭到致命性打击，自动化防空系统被摧毁，并受到美军强大火力压制。在此情况下，伊军靠目测用机枪和高速炮进行反击，击落十枚“战斧”巡航导弹。

2003年，Raytheon公司提出发展可根据不同任务、目标特性在飞行中改变结构外形的导弹设计计划，在美国国防高级研究计划局的支持下，提出了一种伸缩翼巡航导弹方案，以“战斧”巡航导弹为对象，巡航飞行时弹翼展开获取最大升力，高速俯冲时翼面收缩提高机动能力［3］。这种设计的最大挑战是弹翼上承受的载荷很高，而巡航导弹的弹翼又相对较薄，用来安装使弹翼展开和收回的作动器的空间有限。Mcdaniel等［6］研究了倾斜弹翼的巡航导弹，低速飞行时弹翼与弹身垂直，外形类似巡航导弹；高速飞行时弹翼旋转至与弹身平行的位置，外形类似于弹道导弹，可以最大限度减小阻力。

西北工业大学的王江华等［7］基于伸缩弹翼改变巡航导弹的外形，提出超音速巡航与亚音速盘旋相结合的飞行任务，优化结果显示三级伸缩翼巡航导弹的燃料消耗量减少12%，且伸缩弹翼能有效提高导弹在整个飞行任务中的气动性能。西安长峰机电研究所的钟世宏等［8］根据巡航导弹可折叠弹翼支架的结构特点和展开过程的工作状态，分析了弹翼支架在导弹正常飞行和地面试验时的受力情况，指出两种工作状态产生差异的原因。北京航空航天大学的魏东辉等［9］以巡航导弹变后掠与变展长为例，基于计算气动数据分析了变后掠与变展长对导弹气动特性的影响，揭示了导弹的变形机理，并提出分级递阶的变形协调控制体系结构。

3 新型智能变形巡航导弹

未来的巡航导弹应具备射程远、突防强、智能化、精确打击等综合战术性能，适应空域及飞行速度的大范围变化，灵活执行多种作战任务，在体系作战中发挥重要作用。将智能变形技术应用到巡航导弹上，针对战场环境、作战任务、飞行控制要求等灵活地改变外形，提高导弹的射程、机动能力和隐身性能等，从而在一个飞行平台上完成多种任务。

3.1 巡航导弹变形方案

1）弹翼变形

巡航导弹在飞行过程中要经历爬升、巡航、突防、攻击等阶段，各阶段对导弹气动性能有不同要求。基于智能变形飞行器技术，根据飞行状态实时改变弹翼的外形，使导弹在飞行过程中保持最优的气动外形，实现巡航导弹的阻力特性和升力特性在不同飞行阶段达到最优。

智能变形巡航导弹能够在不同升力需求下通过变形获得最佳的气动外形。各阶段的需求分析如下。

在巡航阶段，期望导弹的阻力特性最优，即阻力尽可能小。巡航阶段需要的机动过载较小，只需要满足升力和重力平衡的条件即可。

在机动突防与攻击阶段，期望导弹的升力特性最优，能够提供足够大的可用过载，即机动能力。根据机动要求和目标特性，确定导弹的过载需求，以此作为升力约束条件。

巡航导弹的折叠翼通过折叠机构与弹身相连，折叠在弹身内或弹身表面，与机翼相比，弹翼具有结构简单、占用空间小等优点。但为保证翼面展开后的强度，大大限制了弹翼的变形能力。在满足升力、过载需求的前提条件下，通过后掠角、翼展长、折叠角等简单变形，尽量减少巡航导弹在飞行过程中的阻力，达到增大飞行航程和提高机动能力的目的。后掠角、翼展长、折叠角的取值与马赫数、海拔高度、攻角等密切相关，相关参数的选择可采用导弹气动特性分析软件Missile Datcom 进行分析。文献［10］开发了一套基于Datcom 在线计算与Matlab/Simulink 协同的虚拟飞行仿真系统，可用于本文的仿真分析。

通过应用灵敏的传感器和作动器，光滑而持续地改变弹翼的形状，对不断改变的飞行条件做出响应，从而使巡航导弹能像鸟儿一样自由地在空中飞行。也就是说，变形弹翼可从根本上改善巡航导弹的机动能力和作战效能。

2）油箱变形

巡航导弹是一类特殊的飞行器，未来的强对抗作战需要导弹具备良好的机动能力、隐身性能等。智能变形巡航导弹不仅是针对弹翼的变形，还需要有更加智能的变形方式。纵观世界各国巡航导弹可以发现，其油箱长度是固定的，存在以下不足之处。

一是巡航导弹的油箱较长。油箱约占二级弹身长度的1/3以上，在飞行过程中，随着燃油的不断消耗，空油箱部分逐渐增大，却仍跟随巡航导弹一起飞行，必将制约巡航导弹的机动能力和隐身性能，且被高射机枪等拦截的概率大大增加。

二是巡航导弹载油量固定。如果巡航导弹打击的目标较近，飞行到攻击段时油箱剩余燃油过多，将制约导弹的机动能力，甚至不能满足任务规划的约束条件。虽然可以通过多种方法消耗掉油箱内的多余燃油，但是这些方法在战时将大大降低巡航导弹的生存概率。

为提高巡航导弹的机动能力、隐身性能以及生存能力，我们首次提出针对油箱的变形方案，即巡航导弹油箱是可以伸缩的，具体如下。

1）发射前，基于巡航导弹燃油消耗实验数据，结合特定的飞行航迹确定燃油量，将油箱中多余的燃油导出，并压缩油箱长度使其处于饱和状态，使得二级弹身长度尽可能地小，降低其雷达散射截面积（RCS），提高导弹在突防过程中的生存能力。

2）飞行过程中，巡航导弹根据燃油消耗速率沿弹轴方向实时压缩油箱，保证油箱始终处于饱和状态，弹体长度始终处于最短状态。这对于提高巡航导弹的机动能力和降低雷达散射截面积具有重要的意义。

油箱压缩过程中，巡航导弹的压力中心不断改变，需要设计自适应控制器，调节弹身腹部的弹翼根在导轨上的位置，保持导弹飞行过程处于平衡状态，相关控制问题在这里不进行讨论。这种变形油箱的箱体结构可采用交互式滑动肋结构或蜂窝结构，如图1所示。

智能变形巡航导弹外形改变包括弹头、弹身和翼面结构，相关变形设计可推动新型智能材料、仿生设计、结构优化设计、先进传感技术等学科领域的发展，对新概念巡航导弹的预研和技术储备具有深远的意义。

图1 可压缩油箱箱体结构示意图

3.2 巡航导弹变形关键技术

智能变形是把功能材料与变形结构结合在一起，再加上智能控制［11］。实现巡航导弹智能变形的关键技术主要包括以下三个方面。

1）智能蒙皮

智能蒙皮技术主要包括外形蒙皮、智能宽频带吸波与透波、自适应变形蒙皮等技术。蒙皮中植入智能结构就成为智能蒙皮，智能结构包括探测元件（传感器）、微处理控制系统（信号处理器）和驱动元件等，这不仅可用于隐身，还可用于监视、预警和通信等［12］。

目前，硅橡胶和形状记忆聚合物等材料的变形蒙皮已经应用于变形机翼结构上。巡航导弹的弹翼与油箱变形对蒙皮结构提出了新的要求，蒙皮不仅要保持常规蒙皮重量轻、在面法向刚度大、可以承受并传递气动载荷等，同时还要具备足够的光滑连续性和大尺度变形等特点。设计重量、变形能力和承载能力满足变形方案的柔性蒙皮结构是实现智能变形巡航导弹的一项重要工作。

2）智能变形结构

智能变形结构包括智能复合材料结构、智能柔性结构和智能机械结构。智能变形巡航导弹的变形结构应具备重量轻、分布式、响应快、易控制等特点，各单元之间协同完成连续、光滑地外形变化。传统的电机和液压驱动方式过于笨重且复杂，难以适应智能变形巡航导弹的设计需求，基于智能材料设计轻质高效的变形结构应作为后续发展的方向，比如磁致伸缩变形结构、压电陶瓷变形结构以及形状记忆材料变形结构等。

3）智能控制

智能变形巡航导弹的控制包括飞行控制与变形控制两个方面。为实现智能变形巡航导弹在不同工作状态下稳定地切换，需要对飞行控制与变形控制进行协调，这里不讨论该问题，相关内容可参考文献［9，13］。

巡航导弹的变形控制既可以是利用驱动装置控制的主动变形，也可以是利用主动流动控制诱发的被动变形，例如主动气动弹性机翼、智能混合变形机翼［14］。从控制的精确性和灵活性来讲，最好是将主动变形与被动变形有机结合起来，以适应复杂飞行环境、飞行任务、飞行控制的需要。