巡航導彈智能變形研究?

韓光松 李 萍

（1.國防大學聯(lián)合作戰(zhàn)學院 石家莊 050084）（2.96941部隊 北京 102206）

1 引言

海灣戰(zhàn)爭中，美軍F-15E戰(zhàn)斗機的一項重要任務就是摧毀伊軍的“飛毛腿”導彈。由于F-15E 戰(zhàn)斗機續(xù)航時間短，無法同時滿足搜索目標和摧毀目標兩項任務，這暴露了傳統(tǒng)飛行器在執(zhí)行多任務時存在弱點。隨著飛行器對機動能力、飛行效率、任務適應能力等需求的不斷提高，設計高效靈活的智能變形飛行器逐漸成為研究熱點。

鳥兒可以在飛行過程中改變翅膀的形狀，完成滑翔、盤旋、攻擊等動作，例如在低速飛行時伸展翼面，在高速飛行時收縮翼面，通過扭轉(zhuǎn)翅膀?qū)崿F(xiàn)機動飛行。人類對飛行器的研究動機和靈感正是來源于自然界的鳥類和昆蟲。飛行器變形可以追溯到100多年前，1903年美國的萊特兄弟首次實現(xiàn)了有動力載人的可控飛行，設計了一種可以扭轉(zhuǎn)變形的機翼，采用“機翼翹曲”方式實現(xiàn)飛機的橫側(cè)向控制，這是人類飛行史上最早使用變形機翼的嘗試。

智能變形飛行器是指飛行器在飛行過程中能夠根據(jù)飛行環(huán)境、飛行任務、飛行控制要求的變化，自適應變形或基于感知系統(tǒng)的受控變形，以滿足在大空域里高效率執(zhí)行多種飛行任務（如起降、巡航、機動、盤旋、攻擊等）的要求，并保持在全飛行包絡內(nèi)不同任務剖面具備良好的技術性能［1］。與離散改變后掠角或控制面角度的傳統(tǒng)方法不同，智能變形可以有效地實現(xiàn)外形在不同空間尺度和時間尺度分布式連續(xù)變化。因此，智能變形不包括導彈級間分離等變形方式。

與固定外形的飛行器相比，智能變形飛行器具有諸多優(yōu)勢，例如多飛行任務時具有優(yōu)化的氣動性能，增強操縱及控制的能力，降低飛行能耗等。智能變形飛行器作為一種按需應變的多用途、多形態(tài)的新概念飛行器，代表了未來先進飛行器的一種發(fā)展方向［2］。通過新型智能材料、作動器、傳感器和控制系統(tǒng)的綜合運用，飛行器可以柔順、平滑地改變外形，使其在整個飛行過程中保持氣動性能全階段優(yōu)化，最大化提高飛行性能以及突防與生存能力。

2 智能變形飛行器

與鳥兒的變形類似，飛行器變形主要是針對翼的改變。通過改變翼的幾何參數(shù)和布局，改善飛行器的空氣動力學性能，用可連續(xù)、光滑變形的結構代替?zhèn)鹘y(tǒng)操作面還可提高飛行器的隱身性能等。

2.1 智能變形飛機

1890 年，法國的Clément Ader 提出了變形機翼的設想，首次提出偵察機機翼應設計成類似于蝙蝠或鳥翅膀的形狀，框架可折疊，面積可縮小1/3～1/2，蒙皮膜應有彈性［3］。1914 年，美國的Edson 率先提出“可變形飛行器”的概念并申請專利。變形飛行器起初采用剛性變形，通過機構的連續(xù)動作實現(xiàn)外形改變，例如變后掠翼、可變傾角機頭、傾轉(zhuǎn)旋翼等。

美國在變形飛機領域起步較早，1951 年第一架變后掠飛機X-5 首次飛行，隨后研制的F-111、F-14A 戰(zhàn)斗機以及B-1 轟炸機等均具有變后掠能力，XB-70 超音速轟炸機翼尖可向下彎曲，制造壓縮升力。俄羅斯也擁有一些變后掠飛機，例如米格-23戰(zhàn)斗機、蘇-24戰(zhàn)斗轟炸機、圖-160戰(zhàn)略轟炸機等。英國、德國、意大利聯(lián)合研制的“狂風”戰(zhàn)斗機也采用了變后掠翼技術。變后掠翼飛機是為了同時兼顧短距起降能力、亞音速飛行性能和超音速飛行性能，其缺點是結構重量增加、復雜性增加、控制效率偏低等。

現(xiàn)代意義上的變形飛機研究是從20世紀80年代末開始。2003 年，美國國防高級研究計劃局啟動了“變形飛機結構”項目，其中Lockheed Martin公司提出了“折疊翼”方案，NextGen公司提出了“滑動蒙皮”方案，Raytheon 公司提出了“伸縮機翼”方案。但最終僅NextGen 公司于2007 年和2008 年成功完成了飛行演示驗證，希望解決長航時無人機在阿富汗和伊拉克戰(zhàn)場上使用的局限性，實現(xiàn)察打一體化。

機翼的幾何形狀是影響飛機氣動性能和過載能力的主要因素，隨著材料、控制等技術的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的柔性變形，如任務自適應機翼、主動氣動彈性機翼、旋折/折疊機翼等。機翼變形按變形尺度可分為大尺度變形、中等尺度變形和小尺度變形，大、中尺度變形可以提高飛行性能，小尺度變形可以控制顫振［4～5］。機翼大、中尺度變形包括以下三類:

1）平面形狀的變形，包括變展長、變弦長、變后掠等；

2）平面外變形，包括翼的扭轉(zhuǎn)、上反角、展向彎曲等；

3）翼型變化，包括翼型的彎度和厚度等。

2.2 智能變形巡航導彈

亞音速巡航導彈主要依靠隱身技術和超低空飛行完成突防，由于飛行速度慢，導彈很容易被攔截。1998 年的“沙漠之狐”行動中，伊軍指揮體系遭到致命性打擊，自動化防空系統(tǒng)被摧毀，并受到美軍強大火力壓制。在此情況下，伊軍靠目測用機槍和高速炮進行反擊，擊落十枚“戰(zhàn)斧”巡航導彈。

2003年，Raytheon公司提出發(fā)展可根據(jù)不同任務、目標特性在飛行中改變結構外形的導彈設計計劃，在美國國防高級研究計劃局的支持下，提出了一種伸縮翼巡航導彈方案，以“戰(zhàn)斧”巡航導彈為對象，巡航飛行時彈翼展開獲取最大升力，高速俯沖時翼面收縮提高機動能力［3］。這種設計的最大挑戰(zhàn)是彈翼上承受的載荷很高，而巡航導彈的彈翼又相對較薄，用來安裝使彈翼展開和收回的作動器的空間有限。Mcdaniel等［6］研究了傾斜彈翼的巡航導彈，低速飛行時彈翼與彈身垂直，外形類似巡航導彈；高速飛行時彈翼旋轉(zhuǎn)至與彈身平行的位置，外形類似于彈道導彈，可以最大限度減小阻力。

西北工業(yè)大學的王江華等［7］基于伸縮彈翼改變巡航導彈的外形，提出超音速巡航與亞音速盤旋相結合的飛行任務，優(yōu)化結果顯示三級伸縮翼巡航導彈的燃料消耗量減少12%，且伸縮彈翼能有效提高導彈在整個飛行任務中的氣動性能。西安長峰機電研究所的鐘世宏等［8］根據(jù)巡航導彈可折疊彈翼支架的結構特點和展開過程的工作狀態(tài)，分析了彈翼支架在導彈正常飛行和地面試驗時的受力情況，指出兩種工作狀態(tài)產(chǎn)生差異的原因。北京航空航天大學的魏東輝等［9］以巡航導彈變后掠與變展長為例，基于計算氣動數(shù)據(jù)分析了變后掠與變展長對導彈氣動特性的影響，揭示了導彈的變形機理，并提出分級遞階的變形協(xié)調(diào)控制體系結構。

3 新型智能變形巡航導彈

未來的巡航導彈應具備射程遠、突防強、智能化、精確打擊等綜合戰(zhàn)術性能，適應空域及飛行速度的大范圍變化，靈活執(zhí)行多種作戰(zhàn)任務，在體系作戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用。將智能變形技術應用到巡航導彈上，針對戰(zhàn)場環(huán)境、作戰(zhàn)任務、飛行控制要求等靈活地改變外形，提高導彈的射程、機動能力和隱身性能等，從而在一個飛行平臺上完成多種任務。

3.1 巡航導彈變形方案

1）彈翼變形

巡航導彈在飛行過程中要經(jīng)歷爬升、巡航、突防、攻擊等階段，各階段對導彈氣動性能有不同要求。基于智能變形飛行器技術，根據(jù)飛行狀態(tài)實時改變彈翼的外形，使導彈在飛行過程中保持最優(yōu)的氣動外形，實現(xiàn)巡航導彈的阻力特性和升力特性在不同飛行階段達到最優(yōu)。

智能變形巡航導彈能夠在不同升力需求下通過變形獲得最佳的氣動外形。各階段的需求分析如下。

在巡航階段，期望導彈的阻力特性最優(yōu)，即阻力盡可能小。巡航階段需要的機動過載較小，只需要滿足升力和重力平衡的條件即可。

在機動突防與攻擊階段，期望導彈的升力特性最優(yōu)，能夠提供足夠大的可用過載，即機動能力。根據(jù)機動要求和目標特性，確定導彈的過載需求，以此作為升力約束條件。

巡航導彈的折疊翼通過折疊機構與彈身相連，折疊在彈身內(nèi)或彈身表面，與機翼相比，彈翼具有結構簡單、占用空間小等優(yōu)點。但為保證翼面展開后的強度，大大限制了彈翼的變形能力。在滿足升力、過載需求的前提條件下，通過后掠角、翼展長、折疊角等簡單變形，盡量減少巡航導彈在飛行過程中的阻力，達到增大飛行航程和提高機動能力的目的。后掠角、翼展長、折疊角的取值與馬赫數(shù)、海拔高度、攻角等密切相關，相關參數(shù)的選擇可采用導彈氣動特性分析軟件Missile Datcom 進行分析。文獻［10］開發(fā)了一套基于Datcom 在線計算與Matlab/Simulink 協(xié)同的虛擬飛行仿真系統(tǒng)，可用于本文的仿真分析。

通過應用靈敏的傳感器和作動器，光滑而持續(xù)地改變彈翼的形狀，對不斷改變的飛行條件做出響應，從而使巡航導彈能像鳥兒一樣自由地在空中飛行。也就是說，變形彈翼可從根本上改善巡航導彈的機動能力和作戰(zhàn)效能。

2）油箱變形

巡航導彈是一類特殊的飛行器，未來的強對抗作戰(zhàn)需要導彈具備良好的機動能力、隱身性能等。智能變形巡航導彈不僅是針對彈翼的變形，還需要有更加智能的變形方式。縱觀世界各國巡航導彈可以發(fā)現(xiàn)，其油箱長度是固定的，存在以下不足之處。

一是巡航導彈的油箱較長。油箱約占二級彈身長度的1/3以上，在飛行過程中，隨著燃油的不斷消耗，空油箱部分逐漸增大，卻仍跟隨巡航導彈一起飛行，必將制約巡航導彈的機動能力和隱身性能，且被高射機槍等攔截的概率大大增加。

二是巡航導彈載油量固定。如果巡航導彈打擊的目標較近，飛行到攻擊段時油箱剩余燃油過多，將制約導彈的機動能力，甚至不能滿足任務規(guī)劃的約束條件。雖然可以通過多種方法消耗掉油箱內(nèi)的多余燃油，但是這些方法在戰(zhàn)時將大大降低巡航導彈的生存概率。

為提高巡航導彈的機動能力、隱身性能以及生存能力，我們首次提出針對油箱的變形方案，即巡航導彈油箱是可以伸縮的，具體如下。

1）發(fā)射前，基于巡航導彈燃油消耗實驗數(shù)據(jù)，結合特定的飛行航跡確定燃油量，將油箱中多余的燃油導出，并壓縮油箱長度使其處于飽和狀態(tài)，使得二級彈身長度盡可能地小，降低其雷達散射截面積（RCS），提高導彈在突防過程中的生存能力。

2）飛行過程中，巡航導彈根據(jù)燃油消耗速率沿彈軸方向?qū)崟r壓縮油箱，保證油箱始終處于飽和狀態(tài)，彈體長度始終處于最短狀態(tài)。這對于提高巡航導彈的機動能力和降低雷達散射截面積具有重要的意義。

油箱壓縮過程中，巡航導彈的壓力中心不斷改變，需要設計自適應控制器，調(diào)節(jié)彈身腹部的彈翼根在導軌上的位置，保持導彈飛行過程處于平衡狀態(tài)，相關控制問題在這里不進行討論。這種變形油箱的箱體結構可采用交互式滑動肋結構或蜂窩結構，如圖1所示。

智能變形巡航導彈外形改變包括彈頭、彈身和翼面結構，相關變形設計可推動新型智能材料、仿生設計、結構優(yōu)化設計、先進傳感技術等學科領域的發(fā)展，對新概念巡航導彈的預研和技術儲備具有深遠的意義。

圖1 可壓縮油箱箱體結構示意圖

3.2 巡航導彈變形關鍵技術

智能變形是把功能材料與變形結構結合在一起，再加上智能控制［11］。實現(xiàn)巡航導彈智能變形的關鍵技術主要包括以下三個方面。

1）智能蒙皮

智能蒙皮技術主要包括外形蒙皮、智能寬頻帶吸波與透波、自適應變形蒙皮等技術。蒙皮中植入智能結構就成為智能蒙皮，智能結構包括探測元件（傳感器）、微處理控制系統(tǒng)（信號處理器）和驅(qū)動元件等，這不僅可用于隱身，還可用于監(jiān)視、預警和通信等［12］。

目前，硅橡膠和形狀記憶聚合物等材料的變形蒙皮已經(jīng)應用于變形機翼結構上。巡航導彈的彈翼與油箱變形對蒙皮結構提出了新的要求，蒙皮不僅要保持常規(guī)蒙皮重量輕、在面法向剛度大、可以承受并傳遞氣動載荷等，同時還要具備足夠的光滑連續(xù)性和大尺度變形等特點。設計重量、變形能力和承載能力滿足變形方案的柔性蒙皮結構是實現(xiàn)智能變形巡航導彈的一項重要工作。

2）智能變形結構

智能變形結構包括智能復合材料結構、智能柔性結構和智能機械結構。智能變形巡航導彈的變形結構應具備重量輕、分布式、響應快、易控制等特點，各單元之間協(xié)同完成連續(xù)、光滑地外形變化。傳統(tǒng)的電機和液壓驅(qū)動方式過于笨重且復雜，難以適應智能變形巡航導彈的設計需求，基于智能材料設計輕質(zhì)高效的變形結構應作為后續(xù)發(fā)展的方向，比如磁致伸縮變形結構、壓電陶瓷變形結構以及形狀記憶材料變形結構等。

3）智能控制

智能變形巡航導彈的控制包括飛行控制與變形控制兩個方面。為實現(xiàn)智能變形巡航導彈在不同工作狀態(tài)下穩(wěn)定地切換，需要對飛行控制與變形控制進行協(xié)調(diào)，這里不討論該問題，相關內(nèi)容可參考文獻［9，13］。

巡航導彈的變形控制既可以是利用驅(qū)動裝置控制的主動變形，也可以是利用主動流動控制誘發(fā)的被動變形，例如主動氣動彈性機翼、智能混合變形機翼［14］。從控制的精確性和靈活性來講，最好是將主動變形與被動變形有機結合起來，以適應復雜飛行環(huán)境、飛行任務、飛行控制的需要。

4 結語

飛行器變形技術在多任務適應、增加續(xù)航能力以及提高隱身性能等方面具有獨特優(yōu)勢，將推動導彈的智能化發(fā)展。本文僅研究了巡航導彈的彈翼變形與油箱變形，未來的智能變形導彈能夠根據(jù)飛行條件的變化調(diào)整外形，實現(xiàn)彈型轉(zhuǎn)換和機動變軌等，導彈的生存能力和攻擊范圍將大大提高。