一种面向宽域条件的高机动目标性能评估方法

徐博婷， 刘 毅

（军事科学院，北京 100091）

以高超声速飞行器、在轨机动卫星、超音速五代战斗机为代表的高机动目标具有飞行速度快、机动能力强、突防概率高、威慑影响大等优势，已经成为学术探索和工程应用等领域的研究热点。特别是高超声速飞行器横跨20～100 km 的飞行区域，涵盖连续流区、过渡流区和稀薄流区等多种环境，再加上几千甚至几万千米的射程，具有相当宽域的飞行条件，在实际飞行过程中受到气动力/热、稳定性、操控性、结构性等多种性能的影响，需要从综合表现的角度进行总体性能评估。

面对宽域飞行条件，高机动目标的性能评估具有多学科、多约束的耦合特性，是一个复杂的系统工程。张登辉等［1］通过试验采样和仿真分析的方法研究了高机动目标制导控制系统的性能评估；Mistree 等［2］提出了一种针对高机动目标概念设计的性能评估方法，可以指导方案选型；汤锦祖等［3］针对高机动目标的再入滑翔性能，通过构建性能指标体系和评估模型，提出了主要性能评估的理论和方法；江增荣等［4］从总体约束的角度分析了高机动目标的指标体系，基于层级分析法对比了典型方案的优劣；石清等［5］基于层次分析方法，采用定性/定量相结合的方法评估分析了高机动目标的气动性能。

本研究针对宽域条件下的高机动目标性能评估方法，以典型高超声速乘波体为代表，建立了考虑多学科的总体性能指标体系，对主要指标进一步明确含义和判断准则；然后结合典型评估目标，按照评估流程，较为全面地评估了高机动目标的各项性能；最后从宽域条件的总体性能考虑，综合分析了5 大类16 个评估指标项，给出了性能评估结论，可为相关研究提供参考。

1 典型评估目标

高超声速飞行器是一种典型的高机动目标，具有飞行马赫数高、弹道预测难、横向机动能力强等优势，近几年得到了广泛关注和重点研究。本研究以“圆头+双锥”的乘波体布局为典型评估目标，采用类型函数/形状函数转换（Class function/Shape function transformation， CST）［6］方法生成机身的几何截面，构造了类HTV-2的几何布局，如图1（a）所示。

图1 典型评估目标的几何布局Fig. 1 The geometric configuration of a typical evaluation target

然后以机身为基础，考虑宽域飞行条件下的操稳特性，在背风面增加了单垂尾的稳定部件，在迎风面安置了对称分布Flap舵的操纵部件，生成待评估的典型目标几何布局，如图1（b）所示，其中长度L=4 m，宽度W=2 m，高度H=0.6 m，表面积S=9.69 m2，体积V=1.13 m3。

2 性能指标体系

结合上述给出的典型评估目标，考虑宽域飞行条件下的升阻性能、气动热性能、稳定性能、操控性能和结构性能等多个学科，梳理了5大类16个指标项，并对关键指标的理论定义和判断准则做出了详细描述，可为性能评估提供支撑。

2.1 升阻性能指标

升阻性能主要包括升阻比、升力系数和阻力系数，其中升阻比综合反映了高机动目标的气动性能，大小取决于升力和阻力的优化匹配程度，其计算公式为

其中，CL为升力系数，CD为阻力系数，二者均随着飞行高度、马赫数、攻角、舵偏角等宽域飞行条件的变化而变化。

升力系数和阻力系数决定高机动目标的飞行升力和阻力性能，影响到热环境和装填容积，其计算公式为

其中，L、D分别为气动升力和阻力，ρ为大气密度，Sr为参考面积，V为飞行速度。

2.2 防热性能指标

防热性能主要包括驻点热流密度和大面积热流密度，需要小于高机动目标的设计指标才能满足防热要求。

对于高机动目标的驻点热流密度，一般将端头的最大热流作为约束条件，可采用如下所示的经验公式：

其中，Qws（kW/m2）为驻点热流密度，RN（m）为驻点区的曲率半径，v为速度为圆周速度（g0为海平面重力加速度，R0为地球平均半径），ρo= 1.225 kg/m3为海平面标准大气密度，hs为滞止焓值，hw为壁面焓值。

对于高机动目标的大面积热流，目前主要有气动热数值模拟方法和气动热工程计算方法，如埃克特参考焓法、雷诺比拟关系法等。

2.3 稳定性能指标

稳定性能主要从高机动目标的纵向、侧向的静稳定性能来衡量，综合反映了动力学特性。一般而言，纵向静稳定性主要取决于纵向压心系数Xcpz与纵向质心系数Xcg的相对位置关系，即

当ΔXcpz> 0 时满足纵向静稳定性；ΔXcpz= 0 时满足纵向中立稳定性；ΔXcpz< 0时满足纵向静不稳定性。

高机动目标满足侧向静稳定性，主要取决于侧向压心系数Xcpy与侧向质心系数Xcg的相对位置关系，即

当ΔXcpy> 0 时满足侧向静稳定性；ΔXcpy= 0 时满足侧向中立稳定性；ΔXcpy< 0时满足侧向静不稳定性。

2.4 操控性能指标

操控性能主要包括高机动目标的俯仰、偏航和滚转3 个方向的舵效，以及纵航向、横航向的配平性能。以俯仰通道为例，俯仰舵效采用单位舵偏引起的俯仰力矩变化来衡量，即

其中，Dδm为俯仰力矩系数随舵偏角的变化，CMz为俯仰力矩系数，δm为俯仰舵的舵偏角。

类似的，偏航操控性能需要分析偏航力矩系数CMy随偏航舵偏角δn的变化，滚转操控性能需要分析滚转力矩系数CMx随差动舵偏角δl的变化。

2.5 结构性能指标

结构性能主要包括高机动目标的质量、表面积、体积、几何包络尺寸和装填容积约束，需要满足机身的维形、装填及载荷安装等要求，同时尽量减小高机动目标的质量。

3 性能评估流程

基于建立的性能指标体系，考虑多个马赫数（Ma=5、8、10、12、15）、多个攻角（α=0°、5°、8°、12°、15°），以及多个舵偏角（Dp=0°、±5°、±10°、±15°）下的宽域条件，针对典型评估目标，建立性能评估流程，并依据指标判据做出各性能的评估结果，可为高机动目标的性能评估提供参考。

3.1 升阻性能评估

考虑典型评估目标在典型舵偏角Dp下，升力系数CL、阻力系数CD以及升阻比L/D等气动参数的表现。如舵偏角Dp=0°时，气动参数在不同马赫数（Ma=5、8、10、12、15）下随攻角α的变化特性。

经过升阻性能评估，在不同马赫数下，升力系数CL和阻力系数CD均随着攻角增加而变大；在较大攻角（α> 3∘）下，升力系数CL和阻力系数CD均随着马赫数增加而变小；在不同舵偏角下，升阻比L/D都呈现先随攻角增加而变大，达到最大值后再随攻角降低的趋势，且都在8°攻角附近达到最大升阻比4.0 左右，具有较优的升阻性能。

3.2 防热性能评估

基于防热性能指标，计算典型评估目标的端头半径RN对驻点热流密度Qws的影响，如图2所示。

图2 端头半径对驻点热流密度的影响Fig.2 The effect of end radius on standing point heat flux

针对典型评估目标布局，其迎风面和背风面的热流密度Qe云图，如图3所示。

图3 典型评估目标的表面热流云图Fig.3 The surface heat flow of the typical evaluation target

经过评估，驻点热流密度Qws与端头钝化半径RN基本呈指数型反比关系，虽然RN的数值越大越有利于缓和热环境，但是气动阻力也会变大，两者是相互冲突的，需要合理设置RN的取值。典型评估目标的迎风面热流明显大于背风面，在头部、迎风面的中间区域存在较高的热流分布，需要重点考虑热防护。

3.3 稳定性能评估

设定典型评估目标的纵向/侧向参考质心系数为0.65，首先考虑典型舵偏角（Dp=10°）下的纵向静稳定性，纵向压心系数Xcpz随攻角α的变化特性。然后在无舵偏角（Dp=0°）的情况下，对典型评估目标施加0.5°的侧滑角，得到不同马赫数下侧向压心系数Xcpy随攻角α的变化特性。

经过评估，在10°舵偏角时，典型评估目标的纵向压心系数基本在0.63～0.64 附近，在小攻角（α< 8∘）下处于纵向静不稳定状态，在大攻角（α> 8∘）下逐渐趋向纵向中立稳定，纵向稳定性较好；在0°舵偏角时，典型评估目标的侧向压心系数基本在0.64～0.66附近，在小马赫数（Ma< 10）下基本满足侧向静稳定要求，在大马赫数（Ma> 12）下处于侧向静不稳定状态，侧向稳定性偏弱。

3.4 操控性能评估

设定典型评估目标的参考质心系数为0.65，首先在典型马赫数（如Ma=8、12）下，参考质心处的俯仰力矩系数Cmz随攻角α的变化特性。

然后分析典型评估目标的配平舵偏角Dptrim，选取舵偏角Dp=-15°～15°，寻找典型性能评估状态下（如Ma=8、 12 和α=8°、 12°），典型评估目标达到俯仰力矩平衡所需要的舵偏角，如表1所示。

表1 不同状态下的配平舵偏角DptrimTab.1 The value of Dptrim in different conditions

经过评估，典型评估目标的俯仰力矩系数CMz基本位于-0.03～0.03 内，在不同马赫数下随攻角α的变化规律基本一致，且在正向舵偏角下，俯仰力矩系数CMz随攻角α的增加呈现先增大后减小，所有状态下的配平舵偏角Dptrim均位于典型评估目标的允许舵偏角内，且基本处于4°～8°内，说明该俯仰通道具备正向舵偏自配平的能力，具备较好的操控性能。

3.5 结构性能评估

对于高机动目标，质量越小，发射成本越低。同时质量小便于运输，更适于机动发射，其总体性能随着其质量的增加而降低；表面积尽量小，既能降低质量，还影响到表面摩擦阻力、结构布局、建造成本等相关性能；几何尺寸满足运载器的装填包络约束；装填容积需要考虑关键部件、重要载荷的内部容积需求。

4 性能评估结论

针对以高超声速乘波体为代表的典型高机动目标，考虑在多个马赫数（Ma=5、8、10、12、15）、多个攻角以及多个舵偏角（Dp=-15°～15°）的宽域条件下，按照指标体系的评估流程，对典型评估目标的总体性能形成评估结论，如表2所示。

表2 宽域条件下的典型目标性能评估结论Tab.2 The performance evaluation results of the typical target under wide scope condition

由表2 可见，评估结论综合分析了典型评估目标在升阻性能、防热性能、稳定性能、操控性能和结构性能等一系列评估指标下的结果，指出了典型评估目标的优缺点和改进方向，对工程应用具有一定的指导意义。

在后续研究中，针对多个评估目标，可采用层次分析法［7］、网络分析法和物理规划法等评估对比方法，横向对比不同设计方案的性能优劣，给出方案选型的评估结论。

5 总 结

本研究考虑工程应用背景下的宽域飞行条件，选取当前研究热度较高的高超声速乘波体作为典型评估目标，综合升阻性能、气动热性能、稳定性能、操控性能和结构性能等5个指标，梳理了16个关键性能指标，并描述了理论定义和判断准则。以此为基础，考虑多个马赫数、多个攻角，以及多个舵偏角下的宽域条件，针对典型评估目标，建立性能评估流程，依据指标判据做出各性能的评估结果，并对总体性能形成评估分析结论，对工程应用具有一定的指导和借鉴意义。