高超声速空天飞行器研究现状汇总

高超声速空天飞行器研究现状汇总
高超声速空天飞行器研究现状汇总

高超声速空天飞行器研究现状

摘要

高超声速飞行器一般是指飞行马赫数大于5且能够在大气层和跨大气层中实现远程飞行的飞行器。这种飞行器在高度和速度上都具有相当大的优势,在军民领域具有巨大的应用潜力。高超声速飞行器是21世纪航空航天技术新的制高点,是航空史上继发明飞机、突破声障飞行之后第三个划时代的里程碑,同时也将开辟人类进入太空的新方式。本文首先阐述了高超声速空天飞行器的概念,强调了其主要的军事用途。其次,分析了空天飞行器的主要气动布局形式和特点。最后,对国外航空航天大国的空天飞行器相关发展情况进行了综述,包括美国、俄罗斯、澳大利亚和法国等国家。

1. 引言

未来的高超声速飞行器能够在2个小时之内到达地球任何地方,能够像普通的飞机一样水平起飞水平降落,并以廉价的成本完成天地往返的运输任务,从而可在空间控制和空间作战中发挥重要的作用,而这些要求的实现从根本上都取决于高超声速飞行器技术的发展。高超声速飞行器所具有的全球实时侦查、快速部署和远程精确打击能力,将改变未来战争的作战样式,对国家安全产生战略性的影响。高超声速飞行器还具有显著的军民两用性,能为民用运输和航天运载等领域提供全新的途径,进而对社会进步及国民经济产生带动作用。

2. 空天飞行器

随着现代科学技术的进步和未来战场的不断拓展,世界各国正在逐步把航空和航天飞行器朝着有机结合成一体的方向推进。空天飞行器是指既能够进入太空飞行,又能较长时间在大气层内飞行的一种飞行器。空天飞机是在航空和航天技术相结合方面的初步尝试,可实现航天运载系统的部分重复使用、提高操作效率和大幅度降低航天运输费用的目的,同时更具有广阔的军事运用前景。虽然目前单级入轨或多级入轨的空天飞机还处于探索研究阶段,但它可望成为世纪最先进、最经济有效的航天运载工具,代表了今后数十年内航天运载技术的发展方向,并且将成为未来控制空间、争夺制天权的关键武器装备之一。

空天飞行器的飞行过程可分成三段:一是发射上升段,二是轨道飞行段,三是再入返回段。对于发射上升段,从目前和未来相当长一段时间的技术水平来看,比较可行的方式还是依靠液体火箭或固体火箭。空天飞行器只是作为火箭的“乘

客”,气动设计时主要需考虑飞行器与火箭的匹配,飞行器本身的外形并不由此阶段决定。在轨道飞行段,由于空气很稀薄或没有空气,所以此阶段也可基本不考虑空天飞行器的气动力问题。再入返回段对空天飞行器外形要求最高,因为在此阶段,空天飞行器需要穿越稠密的大气层,还要进行远距离的纵向和横向机动,气动现象十分复杂:其马赫数将达到十几、甚至二十几,温度将达到3 000℃~4 000℃。气动外形设计时需要综合考虑升阻比、推阻、静稳定度、配平攻角、气动控制性能等多种气动参数。

空天飞机可作为战略轰炸机、战略侦察机和远程截击机使用,这对进一步发挥战略空军的作用具有重要意义。空天飞机最高时速3万公里,可在海拔200公里的绕地轨道飞行。空天飞机显著特点使其有潜力作为未来空间作战力量的主要武器装备之一,是实施国家安全和军事战略的主要依靠,具有极其重要的战略战术应用价值,必然会在未来高技术战争中得到广泛运用,其主要的军事用途包括:

空间武器发射与指挥控制平台

在未来天战中,空天飞机不仅可作为各种武器弹药,动能武器、高能激光武器、微波武器、粒子束武器等的发射平台,还是天基系统的支援平台。能对敌方陆、海、空、天重要目标进行攻击,对战争的胜负产生至关重要的影响。空天飞机还能像载人空间站那样在轨长期停留,配备了先进的指挥控制系统,可根据战时需求,随时承担起作战指挥任务。

增强情报信息的时效性

空天飞机可利用携带的照相侦察、电子侦察等设备对陆、海、空、天目标进行侦察与监视,对导弹发射进行预警。与各种侦察卫星相比,空天飞机具有更大的灵活机动性,它既可以像军用卫星一样在太空轨道运行的过程中获取敌方情报信息资料,也可脱离轨道反复在目标区的外层空间飞行,随时掌握作战地区敌情变化,综合各种侦察信息,提供更及时、更准确地战场信息。

空战和太空战融于一体

空天飞机具有航空与航天的双重功能和在两个空间层次作战的能力,必将成为沟通空中与太空战场、将空中斗争与太空斗争融为一体的新型高技术装备。它装备有各种先进太空武器以及大气层内远距离攻击武器,可根据作战需要,寻找并击毁外层空间的军用卫星、空间站等太空目标及大气层内的各种航空器。

3. 研究现状

20世纪80年代初,以美,苏为首的两个军事集团的空间军备竞赛愈演愈烈,1985~1994年美国实施了庞大的“国家航天飞机计划(NASP)”。由于巨额经费和技术上的复杂性以及政治上的干预,此计划经历巨大挫折,但推动了高超音速技术的发展,逐步掌握了马赫数小于8的超燃冲压发动机设计技术。

a)美国

冷战结束,美国的国防预算大幅度地缩减,又由于缺少在高马赫下的实验数据,而无法进行昂贵的全尺寸设计。取而代之的是以实施一个6年期的技术上“风险缩减”的计划。此计划主要是进行高超音速的研究。美国空军仍关注X-系列空天飞机的发展,并给NASA注入资金。X-33给美国空军构造了建立亚轨道天军的蓝图。X-33系列飞机因流线型阻力小而倍受美空军的青睐,而且X-33在1999年的多次实验中进展顺利,进行了一系列亚轨道跳跃、飞机入轨和着陆的试验。但在2000年压力试验中由于装有液态氢燃料的复合材料层外壳破裂,NASA暂停X-33计划。

图1 美国X-33空天飞机设想图

尽管X-33项目于2001年终止了,但美国对于空间机动飞行器(SMV,Space Maneuver Vehicle)的研究并未停止。X-37是继X-33和X-34以后第三个可重复使用技术演示验证机项目,其飞行高度更高、速度更快。

X-37是第一个进行探索轨道和再入返回阶段的飞行。为了减小空间飞行的成本,X-37验证飞行器采用了41项新型技术和飞行试验。X-37的外形是由X-40进行120%缩放得到,X-40是美国空军的一个在大气层内飞行的无动力飞行器。X-37的模块化设计与其他技术(比如先进热防护、推进系统、先进的电子设备和其他飞船系统)相容,共同进行轨道测试试验。X-37验证机的设计将与高达9个月的在轨时间相适应。

图2 X37飞行器

2002年11月,作为NASA太空主动发射计划(Space Launch Initiative)的一部分波音公司获得一份价值3.01亿美元的新合同,继续X-37验证机的研究工作。新的合同包括了研制两种飞行器:X-37进场/降落试验飞行器(ALTV,

Approach and Landing Test Vehicle)和X-37轨道飞行器。ALTV将验证系统进场、着陆、飞行时所需的转向操作方面的性能,它将验证一种综合的飞行操作控制中心。另外,ALTV还将验证气动稳定性和结构的完整性,以及在进场和着陆过程中的自动操作能力。

90年代,洛马公司在美国航天局(NASA)支持下实施了空天飞机研制计划(“Hyper-X”计划),推进系统采用新式的直排气动塞式发动机,由“飞马座”火箭发射升空。目的是利用这些飞行器探索高马赫数的喷气发动机和超声速冲压喷气发动机的性能。后继型X-43C已在研制之中。X-43长约4.88米,仍由“飞马座”火箭发射升空,而后靠自身动力加速到马赫数7,并以此速度巡航。X-43于2007年进行首次试飞。

a)B52与助推火箭分离b)助推火箭点火

c)X-43A飞行器

图3 X-43A第二次试飞

Hyper-X计划试飞成功后由于NASA研制重点的转移,Hyper-X计划一度由于资金短缺,其后续X-43B、X-43C的研究工作基本停止。2005年由于得到国会的支持,NASA恢复了X-43C的研究,目前仍然处于方案设计阶段。

X-43A开创性的在飞行中展示超燃冲压发动机后,仍然面临着材料、热防护、生命保障、控制系统以及飞行器运行时间方面的挑战。延长飞行时间从数秒到数分钟,再到数小时,超燃冲压发动机的尺寸和推力要从缩比模型到成为能够运行的发动机仍然需要深入广泛的研究和试验。

2002年开始第一阶段研究的FALCON计划(从美国本土运送和应用兵力计划)。该计划由DARPA和美国空军联合进行,目的是开发和验证能够执行快速到达全球任务的高超声速技术,演示可负担得起的空间飞行器。美国政府实施

FALCON计划旨在发展三种子飞行器:一是开发作为高超声速试验飞行器或小型军事卫星助推器的低成本、快速反应的小型发射飞行器(SLV);二是发展一种采用火箭助推的通用航空飞行器(CA V),这是一种弹药投送系统能以高超声速进行无动力滑翔,将负载投送到目标区,实现近期的全球打击能力;三是发展一种能在2小时内攻击远在17000km之外目标的高超声速武器系统(HWS),可根据任务需要随时发射、在飞行中重新定位并重复使用,可高速投送弹药,攻击广泛分布的目标。

图4 FALCON计划中的HCV飞行器系统概念图

RATTLRS计划旨在发展超声速巡航导弹,包含高超声速动力、耐高温材料、高速/一体化涡轮发动机推进系统等关键技术。RATTLRS计划包括严格的地面试验和涡轮发动机飞行验证试验设备,并需要将耐高温材料、带冷却系统的进气和排气喷口、飞行软件整合到一台飞行器上。RATTLRS计划设计的飞行器是独自采用涡轮动力加速到Ma=3,这种高速的涡轮发动机也可以作为TBCC的关键技术进行发展。为了解决RATTLRS项目中各种困难,美国海军联合了NASA,美国空军和DARPA,向他们主持进行的RTA项目,FALCON项目,V AATE项目等关键技术进行学习。

2005年7月,继HyTech计划后,美国空军和DARPA联手开始了SED项目的研究。波音公司X-51A乘波式高超声速飞行器所采用的发动机是HyTech计划中的SJX61-1发动机。在风洞试验中,SJX61-1发动机完成了Ma=5的模拟飞行试验,试验性能超出预期,迈出了碳氢燃料双模态超燃冲压发动机走向实际应用的重要一步。X-51A项目还包括了四次飞行试验,首次飞行试验计划在2009年8月进行,但是由于若干的原因已经被推迟。

X-51A项目的主要目标是对USAF的HyTech超燃冲压发动机进行飞行试验。该发动机采用吸热式碳氢燃料,在Ma=4.5开始助推至Ma=6.5开始工作。除此以外,该项目还有其他的测试目标:首先是获得采用主动冷却、智能控制操作的超燃冲压发动机地面试验和飞行试验的数据。这些数据既可以用来理解超燃冲压发动机中的物理现象,又可以发展超燃冲压发动机设计所需采用的数值计算工具。第二个目标是在实际飞行试验中验证采用吸气式燃料的可行性。第三个目标是使得采用超燃冲压发动机作为推进系统的飞行器获得正推力。

图5 X-51A SED飞行器

a)GDE-2发动机试验照片b)SJX61-1发动机试验照片

图6 与X-51A SED相关的超燃发动机在NASA-LaRC进行地面试验

b)前苏联/俄罗斯

早在上个世纪70年代,前苏联就开始了研制空天飞机的工作,“螺旋”计划、“布拉风”试验机计划和“暴风雪”号航天飞机升空为设计者积累了丰富的经验。俄罗斯提出了可重复使用的空天运输系统构想。按照此构想,系统采用具有很强的灵活性和多种功能的两级入轨方案,用于紧急救援、空间物资供应以及提供生态问题研究等,可搭载的有效载荷为1~18吨。这一方案的核心部分是使用安-225重型机载,第一级的起飞重量为620吨,分离高度为10千米。第二级带外挂油箱为275吨,可负载9.9吨,倾角90度,进入高度为400千米低地球轨道。其设想与空天飞机规划相近似:第一级为安-225“梦幻”飞机,从其上起飞轨道飞机,但安-225“梦幻”的升限只有10~12千米,而新型空天飞机可上升到100~200千米。

目前,俄罗斯正在研制具有广泛发展前景的MAKS系统,它是可执行广泛太空任务的两用空天飞机,既可完成军事任务,也可用于其它目的,发射重量620吨,第二级重275吨,有效载荷重量9吨。轨道飞机乘员数量2人(或为无人驾驶),飞机长19.3米,机高8.6米,翼展13.3米,重量27吨。俄同时还在研制更重型的型系统,其运载能力可达吨。该系统第二级有三种变体,即MAKS-OS、MAKS-T和MAKS-M,即载人型、一次性使用型和无人货运型。

图8 俄罗斯多级入轨空天飞机MAKS设想图

c)澳大利亚

澳大利亚于20世纪80年代才开始展开高超声速技术研究,先后利用T3和T4激波风洞完成了燃烧室直连式试验和超燃冲压模型发动机自由射流试验,对氢燃料超燃冲压发动机技术进行了大范围研究。

澳大利亚的高超声速技术发展计划主要是HyShot计划。该计划是一项澳大利亚、英国、日本、美国、德国和韩国等多国合作计划,由澳大利亚昆士兰大学主管。项目采用Terrier—Orion MK70火箭作为超燃冲压发动机的载体飞行器,在火箭再入大气层后完成Ma=7.6条件下的超燃冲压模型发动机飞行试验。2001年10月已利用“猎户座”火箭以马赫7.6速度对超燃冲压发动机进行了持续4秒的试验。截至到2007年,HyShot计划已经进行了5次飞行试验,大部分是以合作方式进行。

2006年3月,HyShot进行了两次飞行试验,分别为HyShotⅢ和HyShotⅣ。试验首先由火箭推动,随后开始对超燃冲压发动机进行测试。HyShotⅢ的超燃冲压发动机由英国提供,目标是验证发动机进气口能否实现燃烧室自动点火,试验后数据分析表明自动点火成功。HyShotⅣ试验是日本委托澳大利亚昆士兰大学进行,目的是为获取配有先进燃料喷嘴的超燃冲压燃烧室在真实环境下的飞行数据。超燃冲压发动机布置于小型火箭前端,加速至马赫8作用,燃烧持续6秒钟。试验过程中记录下燃烧室内部压力数据,然后与地面试验对比。日本航空航天探测局(JAXA)试验后分析,装配在火箭顶部超燃发动机上的头锥未被抛掉,因此试验失败。2007年6月,美澳合作的HyCAUSE项目进行了飞行试验,这可看做HyShot项目中的第5次试验。试验采用两级探空火箭助推,对具有内旋转进口设计的轴对称超燃冲压发动机进行了试验。由于传感器故障,超声速燃烧仅持续了2秒钟。

图9 澳大利亚HyShot计划5次飞行试验照片

d)法国

法国是欧洲最早开展超燃冲压发动机研究的国家,从20世纪50年代开始研究到现在也制定了若干的研究计划和项目,重点是研究采用变几何双燃料的超燃冲压发动机方案。早期超燃的基础研究主要由Mestre and Viaud完成。研究集中在马赫数2.5进口条件下的煤油进行燃烧的可行性,并积累了大量的煤油空气混合点火的试验数据。

1992年法国政府出台了研究高超声速推进系统的计划。先进高超声速推进系统研究技术计划(PREPHA)将法国航空航天公司、达索公司、法国航空航天研究院和SNECMA公司组合在一起。这个历时六年的计划最后研制了CHAMOIS超燃冲压发动机,并在设在布尔日的试车台上以Ma=6的速度进行了地面试验。

图10 法国PREPHA概念高超声速飞行器和其双模态发动机

图11 CHAMOIS超燃冲压发动机地面试验照片

20世纪90年代至今法国主要进行了进行变几何超燃冲压发动机研究,研究项目包括WRR、JAPHAR、和PROMETHEE等项目。欧洲导弹集团法国分公司(MBDA-F)与俄罗斯莫斯科航空学院(MAI)合作研究一种双燃料、大尺寸、几何可变、双模态超燃冲压发动机模型机PIAF,飞行马赫数Ma=3~12。在吸收了PIAF发动机许多成熟的技术后,法国MBDA与俄罗斯MAI提出了更为复杂的宽范围冲压发动机(WRR)。WRR是一种Ma=1.5~12的双燃料几何可变双模态超燃冲压发动机,亚燃模态采用加氢的煤油为燃料,超燃模态采用氢为燃料。目前已对缩比WRR模型进行了试验。

1997年开始进行的JAPHAR计划是法国ONERA和德国DLR合作研究的用于运载器的大型氢燃料超燃冲压发动机一项内部研究。计划确定在飞行马赫数Ma=4~8时研究推阻平衡,论证一种可自主飞行的试验性飞行器。该计划扩大了PREPHA计划的研究范围,并编制用于计算气动热力学必要的数值程序。该计划采用发动机/飞行器一体化设计,发动机燃烧室几何固定,但可以通过控制进气道唇口角度实现进气道几何可变,通过调整燃料喷嘴来控制燃烧室工作模态。由于全尺寸发动机成本过高,导致研究经费不足而项目终止。

在PREPHA计划结束后,法国航空航天局(ONERA)和MBDA联合主持了PROMETHEE项目,其目的是将法国多年来在高超声速推进方面的研究应用到高超声速空射巡航导弹中,特别是研究以碳氢化合物为燃料的双模态冲压发动机在高超声速导弹中应用的可行性。该项目致力于发展能应用与军事用途的飞行马赫数Ma=2~8碳氢燃料双模态超燃冲压发动机,通过一个在进气道喉部上游轴上的整体结构整流罩来实现几何可变和模态调节。目前全尺寸发动机正在进行地面试验。

2003年,法国ONERA和MBDA联合主导开始了LEA项目的研究。研究计划中的超燃冲压发动机采用双模态双燃料和可变几何结构,飞行马赫数为4~8。计划在2010~2012年进行六次飞行试验,飞行试验采用固体火箭推进达到启动马赫数然后分离。目前在地面正在进行半自由射流和自由射流试验的验证研究。

图12 法国LEA项目超燃冲压发动机CAD图片

e)英国

英国是研究空天飞机起步比较早的国家。美国、前苏联、法国、日本都有一个航天飞机的发展阶段,然而英国一开始就提出了水平起降单级入轨的“霍托尔”(HOTOL)空天飞机方案,因而引人注目。20世纪80年代初,英国政府和工业界

各投资一半开展为期两年的概念验证计划,确认“霍托尔”方案的可行性。但在“霍托尔”的核心技术“吸气式秘密发动机”取得了重大突破时,英国政府因无法筹集足够的研究经费,该计划被迫搁浅。

2009年2月在欧洲HOTOL研究计划终止后,欧洲航天局(ESA)通过英国国家宇航中心(BNSC)拨款100万欧元给英国的REL公司用于SKYLON航天飞行器的研究。REL公司联合国内的Bristol大学和Airborne Engineering等单位,并与欧盟的其他伙伴特别是德国(DLR)进行合作共同研制。

图13英国SKYLON空天飞行器及发动机概念图片随着近年来材料科学技术的发展和发动机设计技术的进步,SKYLON设计概念的可行性得到了更多的认可。SKYLON是一种可重复使用、单级入轨、有翼的空天飞机。它可以从常规跑道上依靠自身起落架起飞和降落,主要用来进行常规低成本的运送任务。SKYLON单级入轨飞行器被人寄予厚望的原因是它将采用REL公司的SABRE预冷却涡轮增压组合循环动力发动机:在大气层内的飞行SABRE是一台吸气式发动机,在工作马赫数达到Ma=5后在近地空间飞行又可以转为火箭发动机模态工作。在吸气式工作模态下,发动机吸入的空气被液态氢燃料预先冷却,保证发动机不发生过热烧蚀,氢燃料在进入燃烧室之前则作为闭式氦气循环的冷却剂;而在火箭模式下,则采用氢气和液氧反应燃烧。SABRE是结合了合适的比冲和低安装重量的预冷却组合发动机,更适合于SSTO 飞行器的推进系统。目前,已经对发动机的换热系统进行了方案设计、部件研制和试验研究,开展了强制偏离膨胀喷管的试验工作。英国方面预计SKYLON将于2018年试飞并于2020年开始正式投入使用。

f)日本及其他国家

日本由于经济实力雄厚,对空间领域的探索虽起步较晚,但也制定了空天飞机的研究与发展计划。所设想的是一种单级入轨、水平起飞和着陆,能重复使用的空天飞机。近年来,日本科学家独辟蹊径,研究了用超导磁悬浮发射台来发射航天飞机,这种发射方式最大的优点是推力大、成本低、可重复使用;据报道,日本将建造的“航天母舰”可在太平洋上游弋,把大海作为发射场。这种发射方式最大的优势是可以选择在赤道附近发射,即节省燃料,又能获得地球最大的自转速度的功能,可以节省的发射费用。

其他一些国家也一直没有中断高超音速推进技术的研究,虽然没有明确提出

空天飞机发展计划,一旦技术成熟,必然会提出发展自己的空天飞机。作为航空航天技术发展和相互结合的产物,空天飞机的问世和应用必将为军事发展和未来战争带来深刻变革。

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X-51及高超声速飞行器简介

美国X-51A飞行器及总体设计及其关键技术简介 Xxx 摘要:从计划的背景、飞行器的构造、热防护材料研发测试以及实际飞行试验等方面对X-51A 的发展计划作了较为详细的介绍,并据此对美国发展高超声速飞行技术的研究流程和理念有个一定的了解与认识。 关键词:X-51A 高超声速导弹热防护系统结构材料飞行器 引言:美国自二十世纪九十年代启动“全球敏捷打击”计划以来,一直处于低速发展过程中,该计划近期开始迅速升级,从改造“三叉戟”导弹开始,美国正推出一系列先进攻击武器概念,包括飞机、无人机和导弹。其中,X-51高超声速巡航导弹是美国武器库目前速度最快的全球打击武器,可以在一小时内攻击地球上任一目标。 1项目概况 巡航导弹在美国武器系统中具有特殊的地位,在未来信息化战争中,巡航导弹不要要成为首选的打击武器,也是美军实行远程军事打击的必备武器。 美国于20世纪90年代启动的“全球敏捷打击”计划自推出以来一直处于低速发展过程中,直至近年该计划开始迅速发展。美国从改造三叉戟导弹开始,陆续推出一系列的先进攻击武器概念,包括新一代的飞机、无人机和导弹。 X-51A计划是由美国空军研究试验室(AFRL)、国防高级研究计划局(DARPA)、NASA、波音公司和普惠公司联合实施的旨在验证高超声速飞行能力的计划。终极目标是发展一种马赫数达到5~7的可以在1 h内进行全球打击的武器,包括快速响应的空间飞行器和高超声速巡航导弹。X-51A于2010年2月中旬进行了首次高超声速飞行试验。 X-51A的首飞创造了又一个人类历史记录———超燃冲压发动机推进的历时最长的高超声速飞行,刷新了X2 43创造的12 s的记录。X2 51A首飞的成功意味着, 超燃冲压发动机将提供一种全新的快速全球打击能力。据称,该高超声速导弹将能够在60 min内实施全球打击。美国国防部/NASA的X2 51A项目则是这一新型武器系统方案的关键部分。X2 51A 的飞行试验对于空间进入、侦察、打击、全球到达以及商业运输等都有重要意义。 2 X-51A计划的背景 美国空军认为,高超声速推进技术是美国亟须发展的关键领域之一,为了达到这一目的,必须走“阶梯式发展”的道路。1979年首次发射的先进战略空射导弹(ASLAM)是早期的高超声速导弹,它使用高速冲压发动机实现了马赫数为5. 5的飞行,虽然达到了高超声速,但由于冲压发动机的燃烧是在亚声速状态下进行,效率非常低。解决这一问题的方法是使用超燃冲压动机,于是X-51A计划应运而生。 20世纪90年代中期,国家空天飞机(NASP,NationalAerospace Plane)计划终止后,美国空军转而投资HyTech(Hypersonic Technology)计划以延续其对高超声速技术的研究。2004年1月, AFRL选择波音公司与普惠公司共同制造SED-WR的验证机,由波音公司制造机身,普惠公司

高超声速飞行器鲁棒控制系统的设计

高超声速飞行器鲁棒控制系统的设计 Christopher I. Marrison and Robert F. Stengel Princeton University, Princeton, New Jersey 08544 本文设计了高超声速飞行器纵向平面鲁棒控制系统。飞行器纵向平面的非线性数学模型包含了28个不确定参数。利用遗传算法搜索每个控制器的系数设计空间;利用蒙特卡洛算法检验每个搜索点处的稳定性和鲁棒性。补偿器的鲁棒性用概率函数来表示,该函数表示在参数可能变动范围内,闭环系统的稳定性等性能指标落入允许范围的概率。设计了一性能指标函数,使其最小,从而产生可能控制器系数空间。这种设计方法综合考虑了不同的设计目标,辨识了鲁棒性指标下的系数的不确定性。这种方法有效利用了计算工具,广泛考虑了工程知识,设计出了能够应用于实际的控制系统。 本文中用到的符号: a ——声速,ft/s D C ——阻力系数 L C ——升力系数 ()M C q ——俯仰角速率引起的俯仰力矩系数 ()M C α——攻角引起的俯仰力矩系数 ()M C E δ——舵偏引起的俯仰力矩系数 T C ——发动机推力系数 c ——参考长度,80ft D ——阻力,lbf h ——高度,ft yy I ——俯仰转动惯量,6710?slug-ft 2 L ——升力,lbf M ——马赫数 yy M ——绕俯仰轴的转动力矩,lbf-ft m ——质量,9375slugs q ——俯仰速率,rad/s E R ——地球半径,20 903 500 ft r ——距地心距离,ft S ——参考面积,3603ft 2 T ——推力,lbf V ——速度,ft/s α——攻角,rad

2017年无人机发展现状及发展前景分析研究报告

2017年无人机发展现状及发展前景分析 研究报告

小型无人机行业最近可谓热潮涌动,极飞、亿航等多家无人机初创企业在还未有成熟产品的情况下就获得了数千万美元的融资。无人机这一小众行业之所以能够进入大众视野,还是得益于大疆创新的出现。在国内电子企业普遍还处在代工与组装的劳动力密集模式中时,大疆创新已经悄然成为全球小型无人机市场的绝对龙头,2014年营收近30亿元,市场份额近70%。大疆的引领与示范作用不可谓不强,国内迅速兴起了一股无人机创业与投资的热潮。 套用大疆创新创始人汪滔的话:“人类对于飞行的梦想与生俱来。”小型无人机的真正发展时间不超过10年,从有成熟产品到现在不过4年,而1年以前相关产品还相当粗糙、没有完整的安全保护和数据记录设备。无人机的发展速度大大超出人们的预期,越来越多之前不曾设想过的领域已经开始出现无人机的应用。我们看好这一快速成长行业未来的发展,同时也将持续关注这一领域中相关的投资机会。

小型无人机发展现状分析 民用小型无人机迎来爆发期:市场规模快速成长,国外巨头纷纷布局 所谓无人机,即不载人的飞行器。按照技术来划分,无人飞行器可分为无人固定翼、无人直升机、无人多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机、扑翼式微型无人机等六大类,而前三类应用最为广泛,其中无人多旋翼飞行器又由于其结构简单、价格相对低廉的特点,应用场景迅速拓展、发展前景最受关注。 多旋翼小型无人机经历了一段漫长的发展历史。 多旋翼无人飞行器尽管机械结构简单、成本相对较低,但飞行时不太稳定、很难控制,容易因侧翻而坠机,所以需要自动控制器和导

航系统来控制飞行姿态。但过去由于导航系统体积庞大、重达数十斤,难以应用在小型飞行器上,所以很长一段时间内,多旋翼无人机都没有取得大的发展。直到20世纪90年代以后,得益于MEMS技术的发展,重量仅为几克的导航系统才被研制出来。配合逐步成熟的控制算法,多旋翼无人机的研究和使用成为热点。 2006年至2015年,国内外的民用小型无人机公司如雨后春笋般出现。2015年,法国的Parrot公司发布了世界上第一款真正受到大众关注的四旋翼无人机AR.Drone,它不仅控制简单、可实现悬停,还可以通过WiFi将所搭载相机拍摄到的图像传送到手机上。 AR.Drone轻便灵活、操作便捷,最终大获成功。在AR.Drone的引领下,全球范围内掀起了一股将多旋翼商业化的热潮,多旋翼飞行器进入快速发展期。目前,中国的DJI(大疆创新)、美国的3DRobotics、法国的Parrot成为这一市场的龙头企业。

高超声速飞行器结构材料与热防护系统

本文2010201222收到,作者分别系中国航天科工集团三院310所助工、高级工程师 高超声速飞行器结构材料与热防护系统 郭朝邦 李文杰 图1 挂载在B 252H 机翼的X 251A 摘 要 随着人类对高超声速飞行器的不断探索,结构材料和热防护系统已成为高超技术发展的瓶颈。首先介绍了X 251A 和X 243A 的项目概况、结构材料和热防护系统,然后分别从高超声速试飞器超高温热防护材料、大面积热防护材料和热防护系统等几方面对X 251A 和X 243A 试飞器进行了分析,最后提出了结构材料和热防护系统发展的关键技术。 关键词 X 251A X 243A 结构材料 热防护 系统 飞行器 高超 引 言 随着高超声速飞行器飞行速度的不断提高,服役环境越来越恶劣,飞行器的热防护问题成为限制飞行器发展的瓶颈。而高超声速结构材料和热防护系统的研究与开发是高超声速飞行器热防护的基础,因此,各国都大力开展了高超声速飞行器热防护材料与结构的相关研究。尤其是以美国为代表的X 251A 和X 243A 高超声速飞行器在结构材料和热防护方面的研究比较突出,本文对这两种试飞器的结构材料和热防护技术分别进行详细介绍。1 X 251A 高超声速飞行器1.1 项目概况 X 251A 计划是由美国空军研究试验室(AFRL )、国防高级研究计划局(DARP A )、NAS A 、波音公司 和普惠公司联合实施的旨在验证高超声速飞行能力 的计划。终极目标是发展一种马赫数达到5~7的可以在1h 内进行全球打击的武器,包括快速响应的空间飞行器和高超声速巡航导弹。试验方式是使 用B 252H 轰炸机挂载X 251A 飞行,达到预定的飞 行条件,释放X 251A 进行飞行试验。图1是挂载在B 252H 机翼下的X 251A 。美国空军在2003年开始研 制试飞器,2004年12月完成初始设计评估,2005年1月开始详细设计,2005年9月27日被正式赋予X 251A 的代号,2007年5月该项目通过关键设计评审。2009年12月9日在加利福尼亚州爱德华兹空军基地进行了首次系留挂载飞行试验,X 251A 挂载在B 252H 重型轰炸机的机翼下向北起飞后爬升至15.24km 高空,随后该机携载X 251A 做了较柔和的机动动作。按计划,X 251A 将于2010年2月中旬进行了首次高超声速飞行试验。1.2 结构材料与热防护系统1.2.1 总体结构 X 251A 整个飞行器长7.62m ,质量1780kg,

高超声速飞行器动力技术介绍及部分国家发展现状

一、高超声速飞行器技术发展路径及动力技术介绍 1.1 高超声速飞行器技术发展路径 高超声速飞行器区别与其他飞行器最大的特点是高度一体化,使得飞行器机身与推进系统密不可分,从某种意义上来说是无法划分出一个所谓的“发动机”进行研制的,这样的“发动机”也只有在与机身合二为一才能发挥其真实的性能,也才能真正的运行起来。因此,高超声速飞行器首先是“自顶而下”地分解研究对象和研究阶段,随着技术的发展再逐步地整合各部分的研究,逐级、逐步形成一个完整的飞行器研究对象。从总体方案设计的完整的飞行器作为研究对象可划分为四个层次的研究:气动/推进一体化研究、全流动通道推进系统研究、超然冲压模型发动机研究、超然冲压发动机部件研究,将高超声速飞行器自顶而下分解后就,再从分解出来的底层部件逐步发展“自下而上”到顶层飞行器。同时“自顶而下”的技术分解和“自下而上”的技术集成这两条路线又是有交互的,在试验研究的任何阶段发现问题,都应当反馈到飞行器总体的设计,重新定义部件、子系统的研究对象。 图1.1 1.2 高超声速飞行器动力技术介绍 气动/推进一体化研究 全流动通道推进系统研究 超然冲压模型发动机研究 超然冲压发动机部件研究

高超声速飞行器的核心关键技术包括超燃冲压发动机技术、高超声速飞行器组合推进系统技术、高超声速飞行器机身推进一体化设计技术、高超声速飞行器热防护技术、高超声速飞行器导航制导与控制技术、高超声速飞行器风洞实验技术。下面的篇幅分别对超燃冲压发动机和组合推进系统技术做简要介绍: (1)超然冲压发动机概念介绍 超燃冲压发动机是高超声速飞行器推进技术的核心技术,超然冲压发动机与亚燃冲压发动机同属于吸气式喷气发动机,由进气道、燃烧室和尾喷管构成,没有压气机和涡轮等旋转部件,高速迎面气流经进气道减速增压,直接进入燃烧室和燃料混合燃烧,产生高温燃气经尾喷管加速后排出,从而产生推力。 超燃冲压发动机通常可以分为双模态冲压发动机和双燃烧室冲压发动机。双模态冲压发动机是指发动机根据不同的来流速度,其燃烧室分别工作于亚声速燃烧状态、超声速燃烧状态、超声速燃烧/亚声速燃烧/超声速燃烧状态。双燃烧室冲压发动机是指同一发动机同时具有亚燃冲压和超燃冲压双循环的超燃冲压发动机,采用双循环的主要目的是用亚燃冲压发动机点燃超然冲压发动机来解决煤油燃料的点火和稳定燃烧问题。 (2)超声速燃烧概念 在一定的压缩和膨胀效率的条件下,进入发动机的空气有一最佳压缩量,使得发动机的效率最高。燃料的热值和过程的效率越高,其

A280-飞机总体设计-matlab-SRR-DT12-新型高超声速飞行器

飞机总体设计 新一代高超声速无人机——“赤隼” 第一阶段SRR总结报告 学院名称:航空科学与工程学院 专业名称:飞行器设计与工程 组号:DT12 组长:殷海鹏 2013 年 4月 1日

目录 一、任务陈述 (4) 二、市场需求 (4) 三、相关竞争实施方案 (5) 1. 天基信息系统 (5) 2. 空基侦查系统 (5) 四、运行理念 (6) 1. 潜在运用对象 (6) 2. 载荷能力 (6) 3. 典型任务剖面 (6) (1)任务剖面1(侦查过程中发现重要作战目标) (6) (2)任务剖面2(侦查过程中未发现重要作战目标) (6) 五、系统设计需求 (6) 1. 设计要求 (6) (1)X-43A (7) (2)X-51A (7) (3)HTV-2 (7) (4)HTV-3X (8) 六、新技术与新概念 (8) 1. 激光雷达 (8) 2. 气动布局 (8) 3.热防护 (8) 七、初始参数 (9) 方案一 (9) 方案二 (10) 八、人员分工 (10) 九、本阶段总结及下阶段任务计划 (11) 十、参考资料 (12)

图表目录 图1 天基信息系统 (5) 图2 空基侦察系统 (5) 图 3 X-43A (7) 图 4 X-51A (7) 图 5 HTV-2 (7) 图 6 方案一概念草图 (9) 图7 方案二概念草图 (10) 表 1 方案一初始参数 (9) 表 2 方案二初始参数 (10) 表 3 小组人员分工表 (10)

一、任务陈述 在新世纪的战争中,高超声速飞行器的优势主要体现在以下三个方面:首先是可以迅速打击数千或上万公里外的各类军事目标,大大地拓展了战场的空间。其次,突防能力更加强大,防空系统的拦截概率因反应时间太短而大幅度下降,具有较高的突防成功率。第三,超高速的飞行可以使得雷达难以探测,是一种新型的隐身方案。在新的战争形态中,信息战变得越发重要,侦查机是获取信息的重要来源,同时针对重要目标,在侦查同时具有一定攻击能力会使侦查起到意想不到的效果。从目前中国的空军机种来看,急需一款高超声速无人侦查机,此机最好还能有一定的攻击力,在侦查到重要目标时给予高效打击,对增强我国国防力量有重要作用。 二、市场需求 臭鼬工厂曾预测飞行器的下一场革命将来自于‘速度’,其速度优势会让各国现役防空导弹统统变成废铜烂铁。高超声速飞行器具有广阔的应用前景和巨大的军事价值。纵观21世纪的战场需求,高超声速飞行器已是不可缺少的攻击型和防御型兵器,世界各国都在加速这方面的研究工作,美国当前Ma为8-10的飞行器正在试验,而在2025年计划装备Ma为12-15的飞行器。澳、俄、法、德、日等很多国家对于高超声速飞行器的相关技术、功能、应用价值展开了积极的探讨与研究,并制定了一系列技术发展计划。从市场规模的角度来看,此类飞行器各国都有投入,但由于技术原因,规模较小而成功率偏低,在这种情况下,能率先设计生产出超高声速无人机的国家必能在错综复杂的国际环境下争取到先机,对于现在的世界态势和中国的防御性国防策略来说,我国对超高声速无人机有着极其重要的需求,比如马航失事后,如果能出动10Ma的侦察机进行快速侦查,必可得到最新最真实的情报,在新的战争理念中,被发现就是被消灭,侦察机与其他飞机相比必将会有着更高的军事地位。

PID高超声速飞行器姿态控制中的应用展望

Oct.2010航天控制 v。1.28,N。.5AerospaceContr。1 。93?分数阶肼A∥在高超声速飞行器 姿态控制中的应用展望 齐乃明秦昌茂宋志国 哈尔滨工业大学,哈尔滨150001 摘要高超声速飞行器的发展是一个必然的趋势,但是其具有强耦合、严重非 线性、大范围气动环境变化的特点,这对飞行器的姿态控制系统提出了更高的要 求。本文简述了现代控制及智能控制在姿态控制器中的应用,回顾了传统PID 及其改进控制技术,针对新的被控对象特点,介绍了分数阶P,1矿及其发展。由 于分数阶PPIY"具有比传统PID更好的鲁棒性和控制性能,展望分数阶川1矿 控制在高超声速飞行器姿态控制中得到更广泛的应用。 关键词高超声速飞行器;姿态控制;传统PID;分数阶P,1矿 中图分类号:V448.2文献标识码:A 文章编号:1006.3242(2010)05-0093-06 ProspectofFractional-OrderPIADpController forHypersonicMissileAttitudeControl QINaimingQINChangmaoSONGZhiguo HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China AbstractThe developmentofhypersonicmissileisaninevitabletrend.Therequirementofattitudecontrols弘temforaerocrafiishigherbecausethecharacteristicsofastrongcoupling,seriousnonlinearandlarge—scaleenvironmentalparametersarechangedinaerodynamic.Inthispaper,themoderncontrolandintelli—gent controlthatappliedtoattitudecontrolarebriefed,andclassicalPIDcontroltechnologyanditsim—provementarereviewed.thefractionalorderPI、D“controlleranddevelopmentforfknell3objectfeaturesarealsointroduced.Asaresult,fractionalorderPI、D“controlisbetterthanclassicalPIDcontrolinrobustnessandcontrolperformance.Therefore,fkfractionalorderP11D“controlwillbe埘池矽usedinhypersonicmissileattitudecontr01. KeywordsHypersonicmissile;Attitudecontrol;ClassicalPIDcontrol;FractionalorderP11D9controller 高超声速飞行器以美国的超一x计划飞行器及通用航空飞行器(CAV)[13为代表,计划实施对全球的快速打击,俄罗斯、日本等国也在积极研制高超声速飞行器,而我国尚处于起步阶段。 高超声速飞行器的飞行速度和高度变化大,可全空域机动飞行但其大范围气动环境的变化引起系统参数变化范围大,各通道间耦合影响也变大,使其成为具有强耦合、严重非线性并带有不确 收稿日期:2009-07-26 作者简介:齐乃明(1962一),男,哈尔滨人,教授,博士生导师,主要研究方向为航天器飞行动力学控制与仿真;秦昌茂(1985一),男,江西人,博士,主要研究方向为高超声速飞行器制导与控制;宋志国(1987一),男,黑龙江人,硕士, 主要研究方向为高超声速飞行器制导与控制。

扑翼式飞行器的发展与展望

扑翼式飞行器的发展与展望 从古至今,人们从没有放弃过对翱翔梦的追求。不仅在许多的古书名著中都有长着翅膀的角色形象,人们也一直在用实际行动尝试着各种飞行的可能。昆虫和鸟类的超强飞行能力逐渐引起了人们的关注,早在中国的汉代时期、欧洲的中世纪就有人模拟鸟类进行飞行活动的记载。随着科技的快速发展,以及飞行器在军事上和民用上的广泛应用前景,扑翼式飞行器已经成为当今的研究热点。 1扑翼式飞行器的发展史 1.1 扑翼式飞行器的早期发展 历史上记载了许多人们对飞行的各种尝试方法,《墨子?鲁问》中记载,鲁班制造的木鸟可以飞行三天;古代中国甚至有人将大鸟的羽毛贴在身上试图飞起来,但最终都失败了。人们逐渐认识到想要飞行必须加上合适的机械装置。 15世纪70年代,著名发明家莱昂纳多?达芬奇设计出一种由飞行员自己提供动力的飞行器,并称之为“扑翼飞机”。“扑翼飞机”模仿鸟儿、蝙蝠和恐龙时代的翼龙,具有多个翅膀。达芬奇认为扑翼机具备推力和提升力。之后人们仿照它进行了很多尝试,有的可以上下蹦跳几下,有的摔成碎片,结果都失败了。 1874年,法国生物学家马雷用连续拍摄的方式初步掌握了鸟类复杂的飞行扑翼动作,以当时的技术水平,这种高难度的动作是无法实现的,与此同时热气球的出现,就使早起人们对制造飞行器尝试告一段落,研究开始转向了其他领域。 1.2扑翼式飞行器国内外的研究现状 随着仿生技术、空气动力学和微加工技术的日益发展,加之军事和民用的广泛应用前景,扑翼式飞行器再次成为了国内外科学领域研究的热点。1997年,DAPRA投入3500万美元,开始了为期四年的MAV的研究计划。加州理工学院、多伦多大学、佐治亚技术研究所、佛罗里达大学、Vanderbilt大学等单位研制了不同结构的扑翼MAV,翼展一般在15cm左右,多采用电池提供能源,飞行时间约在几分钟到十几分钟。加州大学伯克利分校研制的“机器苍蝇”扑翼MAV 总重约为43mg,直径为5mm~10mm,采用太阳能电池和压电驱动。 西北工业大学研制的扑翼MAV采用聚合物锂电池和微型电机驱动,可实现扑翼15Hz~20Hz左右的频率上下拍动,翼展超过15cm。 2扑翼式飞行器的优势及可行性 按照飞行原理的不同划分,MAV可分为固定翼、旋翼和扑翼三种。同其他形式的微型飞行器相比,扑翼式飞行器可以通过自身机翼扇动产生的上下大气压差来飞行。它具有尺寸小、噪音弱、灵活性强、隐蔽性好的特点。 通过分析昆虫各个部分的结构,选用合理的驱动装置,并由电池或其他化学物质提供能源,仿照昆虫结构,同时辅以MEMS设备和装配技术,便可以加工制造出扑翼式微型飞行器。 3关键技术 3.1 空气动力学问题 微型飞行器不同于普通飞机,它的雷诺数大约在104左右,空气的粘性阻力相对比较大,并且扑翼式飞行器是以模仿鸟和昆虫类扑翅运动为基础,但是昆虫和鸟类的翅膀是平面薄体结构,而非机翼的流线型。我们应充分研究这种非传统

空天飞行器设计

1.1航天工程系统组成:发射场、运载器、航天器系统、地面应用系统、运载与航天器测控网 1.2航天器设计:解决每一个环节的具体设计,关键内容:航天任务分析与轨道设计、航天器构形设计、服务与支持分系统的具体设计 1.3航天器系统设计的层次关系及各组成部分作用: 有效载荷分系统:航天器上直接完成特定任务的仪器、设备和核心部分; 航天器结构平台:整个航天器的结构体 服务和支持系统:有效载荷正常工作的必要条件。 ①结构分系统:提供其他系统的安装空间;满足各设备安装方位,精度要求;确保设备安全;满足刚度,强度,热防护要求,确保完整性;提供其他特定功能 ②电源分系统:向航天器各系统供电 ③测控与通信系统:对航天器进行跟踪,测轨,定位,遥控,通信; ④热控系统:对内外能量管理和控制,实现航天器上废热朝外部空间的排散,满足在飞行各阶段,星船各阶段、仪器设备、舱内壁及结构所要求的温度条件; ⑤姿态与轨道控制系统: 姿态控制:姿态稳定,姿态机动; 轨道控制:用于保持或改变航天器的运行轨道,包括轨道确定(导航)和轨道控制(制导)两方面,使航天器遵循正确的航线飞行⑥推进系统:向地球静轨道转移时的近地点与远地点点火;低轨道转移时,低轨到高轨的提升与离轨再入控制; 星际航行向第二宇宙速度的加速过程;在轨运行 ⑦数据管理系统:将航天器遥控管理等综合在微机系统中 ⑧环境控制与生命保障:维持密闭舱内大气环境,保证航天员生命安全; 1.4航天器设计的特点 (1) 运载器有效载荷引发的设计特点:慎用质量和追求轻质量的特点追求小尺寸和巧安排的设计特点; (2) 适应外层空间环境引发的设计特点:创造必要的、可模拟真实环境进行航天器部件、设备、分系统和整体航天器检测、试验和验收的条件,使模拟真实环境的检测、试验和验收成为可能; (3) 特殊的一次使用性引发的设计特点:不存在维修、替换或补给,系统可靠性要求很高; (4) 单件生产引发的设计特点:每颗卫星都具有其特殊性

高超声速飞行器发展现状

高超声速飞行器 一、国内外高超声速飞行器研制现状 高超声速飞行器技术是21世纪航空航天技术的新制高点,是航空史上继发明飞机、突破声障飞行之后第三个划时代的里程碑,同时也将开辟进入太空的新方式。高超声速飞行器技术的突破,将对国际战略格局、军事力量对比、科学技术和经济社会发展以及综合国力提升等产生重大和深远的影响。因此,世界主要国家一直把高超声速飞行器研制作为科技发展的最前沿阵地,从人力、物力、财力等各方面给予大力支持。自20世纪50年代末开始探索超声速燃烧冲压发动机技术以来,经过几十年的探索,美国、俄罗斯、法国、德国、日本、印度和澳大利亚等国在20世纪90年代初陆续取得了技术上的重大突破,并相继进行了地面试验和飞行试验。这表明高超声速技术从进行概念和原理探索的基础研究阶段,进入了以某种高超声速飞行器为应用背景的先期技术开发阶段。各国技术开发的主要应用目标近期为高超声速巡航导弹,中期为高超声速飞机,远期为吸气式推进的跨大气层飞行器、空天飞机。高超声速飞行器技术是21世纪航空航天技术的制高点,也是重要的军民两用技术。虽然目前仍存在不少技术难题,而且耗费巨大,但从世界各研制国目前的发展势头来看,以超燃冲压发动机为动力的高超声速巡航导弹有可能在2010年前后问世。预计到2025年,以超燃冲压发动机为动力的高超声速飞机和空天飞机也有可能投入使用,并将在军事、政治和经济等领域产生重大影响。 1 美国 1.1 Hyper2X计划 经过较长时间的研究和实践,美国在高超声速飞行器的设计研制方面积累了丰富的经验。作为试验性高超声速飞行研究计划,Hyper2X计划是对以往所做工作的一次检验。Hyper2X计划是美国国家航空航天局(NASA)近年来重点开展的高超声速技术研究计划,主要目的是研究并验证可用于高超声速飞机和可重复使用的天地往返系统的超燃冲压发动机技术,并验证高超声速飞行器的设计方法和试验手段。1997年1月,NASA与兰利研究中心、德莱顿飞行研究中心签订合同,Hyper2X计划正式启动。Hyper2X计划的试验飞行器代号为X243,根据演示验证的任务不同分为X243A、X243B、X243C和X243D,共4个型号。 1.1.1 X243A X243A技术由位于弗吉尼亚州汉普顿的NASA兰利研究中心和位于加利福尼亚州爱德华的NASA德莱顿飞行研究中心负责开发。其中机身和发动机由位于田纳西州塔拉荷马的ATKGASL公司(原微型飞行器公司)制造,位于加利福尼亚州亨亭顿的波音公司鬼怪工厂负责部分系统工程、热防护、操纵、导航和控制设计以及飞行控制软件、内部布局和结构设计。X243A的助推器是经过改装的飞马座运载火箭的第一级,该系统由位于亚利桑那州昌德勒的轨道科学公司提供X243A机身长3.66m,高660mm,翼展1.53m,质量1360kg,由采用液氢燃料的双模态超燃冲压发动机推进。1997年3月,NASA选定ATKGASL公司为飞行研究任务装配X243A无人驾驶研究飞行器。1997年12月,轨道科学公司对飞马座运载火箭成功进行了关键的设计审查。1998年,1台超燃冲压发动机作为第一部硬件交付NASA,随后这台发动机在兰利研究中心的2.44m八支点高温风洞中进行了一系列测试。1999年10月,第一架X243A交付德莱顿飞行研究中心。2000年,X243A在ATKGASL公司的

高超声速飞行器技术研究中心

高超声速飞行器技术研究中心 来源:国防科技大学更新时间:2010-6-28 8:56:26 点击:11502次高超声速飞行器技术研究中心成立于2009年10月,中心下设高超声速飞行器总体技术研究室、高超声速推进技术研究室、燃气引射技术研究室、燃烧流动与传热研究室四个研究室。中心共有研究人员33名,具有高级专业技术职务的教师19名,具有博士学位的教师31名。高超声速推进技术团队2008年成为国家教育部“长江学者和创新团队发展计划”的创新团队。 近年来,依托“航空宇航推进理论与工程”国家重点学科和“飞行器设计”国家重点(培育)学科,结合流体力学、固体力学、材料学等相关学科,在保持火箭发动机研究特色与优势的基础上,在高超声速飞行器总体设计、超燃冲压发动机、地面模拟试验、超声速流动燃烧机理等方面研究取得了重大进展。2009年获得国家技术发明二等奖1项。 在国家、教育部以及军队相关计划的支持下,中心已建成占地120亩、建筑面积11000平方米的高超声速飞行器技术试验基地,拥有系列化的超燃冲压发动机直连式试验台和自由射流试验系统,配备了激光光谱燃烧流动诊断PLIF系统、Malven激光测粒仪、PDA粒子动态分析仪、高速纹影仪、PIV、CVI/CVD等先进观测设备和多机并行计算集群系统,为高超声速飞行器关键技术攻关和基础研究奠定了坚实基础。 中心承担了本科、硕士、博士学员的多门课程教学和基础研究条件建设任务。新建了基础研究试验大楼,建成了多个基础研究实验平台,并配备了先进试验仪器和测量设备。这些基础研究试验平台完全向学员开放,对于学员进行高水平论文研究、实验能力的培养以及综合素质的提高提供了有力的支撑和保障。 中心的主要研究方向有: ●飞行器总体技术 本研究方向重点开展高超声速飞行器总体一体化设计、飞行器布局优化设计及应用等方面的研究。 ●高超声速推进技术 本研究方向主要开展超燃冲压发动机、发动机地面试验与飞行试验技术、高超声速飞行器机体/推进系统一体化设计、超声速燃烧与流动机理等方面的研究。 ●燃气引射技术 本研究方向主要开展航空航天发动机高空模拟试验系统等方面的研究。 ●发动机燃烧、流动与传热机理研究

现代飞行器可靠性分析研究现状

现代飞行器可靠性分析研究现状 摘要文章介绍了飞行器可靠性研究过程中应该注意的问题,说明了数据的采集与处理过程,并阐述了稳定性方案等内容。模拟机的可靠性需要保证数据可靠,对工作环境和运行状态均有要求。 关键词飞行器;可靠性;稳定性;维修方案 飞行器的可靠性越来越受到技术人员的关注。传统修护过程主要是定期进行模拟机的安全检查,发现问题后进行补修,可能造成装备在多次重复的装拆过程中自身发生破损。对模拟机的安全评价和运行可靠性评价是重要的过程[1],提高维修方案的时效性,不断对比模拟机运行的状况与实际的维护成本需要进行科学的可靠性分析方法,而不能进行简单的维护修复。这样使得模拟机的破坏率增加,影响了正常工作。文章介绍了飞行器可靠性研究时需要注意的基本问题,然后针对数据的采集和处理进行说明,最后阐述了可靠性设计方案。 1 飞行器可靠性研究应注意的问题 飞行器的可靠性是指在模拟机在产品规定的时间里,可以完成特定的功能,并保证功能完整性的能力。可靠性设计的基本内容包括工作环境和条件、规定时间、指定的功能等。环境条件是指模拟机使用环境状况包括温度、气压以及适度等参数,在一定的相对湿度、气压等工作环境中,相同规格的模拟机应该具有相同的使用寿命和可靠性。但是不同的工况条件,即使模拟机规格相同,可靠性也可能存在加大偏差。规定时间是指模拟机完成指定任务的时间,随着飞行器工作循环次数的增加、工作环境的变化、时间和任务量的增加,其发生故障的概率就增加,可靠性下降。一般而言,飞行器在出场时都附有一定的技术指标,而且在使用前需要进行机器的校核检验,对可靠性进行合理评估。飞行器出现故障时需要彻底调查导弹等飞行器的功能和性能界限,有利于故障的排查。 在对飞行器进行可靠性分析时需要采用适当的方法。在对实际工程进行数据的采集与分析的基础上对分析的结果进行判断,为进行飞行器的可靠性分析,需要明确模拟机的可靠性评价指标,然后在数据分析的基础上对各个指标进行综合评价打分,通过加权求和可以获得总的可靠度得分。飞行器的评价指标应包括机队的可靠性、整机的可靠性、部件装备的可靠性等多个指标因素。模拟机可靠性评价的结果应该是保持模拟机可靠性的总体方案,为下一阶段可靠性方案的实施进行合理规划做出指导说明,形成后续的可靠性管理体系。 2 数据可靠性收集与处理 飞行器可靠性分析需要在一定的指标作用下,充分收集数据,并深入研究数据内部规律,挖掘数据的变化趋势,为可靠性分析提供有意义的数据原本[2]。在数据的采集过程中需要建立具有数据收集、分析、后处理和反馈功能的总体系统,并针对每个环节进行有效的动态参数追踪与控制。数据的采集系统需要协调

航空技术现状及未来发展趋势

1、航空技术现状 (1)先进战斗机 喷气式战斗机已经发展了五代。第五代战斗机的典型代表是美国的 F-22,俄罗斯也在进行类似战斗机的研制,如T-50。其他的先进战斗机还有英国、德国、意大利和西班牙联合研制的 EF-2000欧洲战斗机、法国的“阵风”和瑞典的 JAS.39,这些飞机具有第五代战斗机的部分性能,有人将它们称为四代半战斗机。 第五代战斗机应具备隐身能力、超声速巡航能力、高机动性、短距起降和超视距多目标攻击能力等先进的战术技术性能,目前为止,只有美国的 F-22战斗机完全具备上述能力。 (2)第五代战斗机的先进技术特征

隐身技术,又称低可探测技术或目标特征探测技术,主要有五个方面: 第一,降低雷达波特征; 第二,降低红外辐射特征; 第三,降低可见光特征; 第四,降低声学特征; 第五,降低电子探测特征. 具有超声速巡航能力:前提是飞机在正常起飞条件下具有超过 1.1的起飞推力重量比,即要求飞机安装推力大,重量轻的先进发动机. 第五代战斗机具有比第四代战斗机更高的机动性。 短距起降是指飞机能以比较短的地面滑跑距离便可起飞或降落,通常认为飞机起飞或着陆滑跑距离在500m以内算作具有短距起降能力. 先进战斗机的全环境作战能力除要求全天候和全空域 (全部适合空战的空域 )作战外,还要求飞机具有多目标跟踪/攻击和超视距作战能力 (3)隐身飞机

飞机的隐身能力是指飞机在飞行中具有不易被敌方探测器发现的能力,即飞机具有不易被雷达、红外、可见光和声波等探测到的能力;目前雷达探测手段对飞机的威胁约占各种探测手段的 60%左右,红外探测威胁约占 30%左右,所以飞机主要是雷达隐身和红外隐身。 雷达隐身的措施主要包括外形隐身和应用吸波材料,以减小雷达波回波散射,即降低RCS。 红外隐身的主要措施有: 采用矩形二元喷管,使尾喷流火舌变平; 飞机在飞行时尽量不要开加力燃烧室; 把发动机布置在机身或机翼上面,利用机翼或尾翼等部件进行遮挡或隐蔽。 国外把隐身飞机的发展分为五代: 第一代是洛克希德·马丁“臭鼬”工程队的 SR-7l战略侦察机; 第二代为“海弗兰”原型机,即 F-117的原型机;

空天飞行器发展现状和未来展望

空天飞行器发展现状和未来展望空天飞行器指从地面零速度起飞,直至进入地球轨道(高度月为200千米,马赫数约25)的飞行器。 发展现状: 1985~1994年美国实施了庞大的“国家航天飞机计划”。在美国航天局(NASA)支持下实施;空天飞机研制计划(超X计划),推进系统采用新式的直排气动塞式发动机,由“飞马座”火箭发射升空。目的是利用这些飞行器探索高马赫数的喷气发动机和超声速冲压喷气发动机的性能。美国战略司令部已经制定了研制空天飞机的计划,按该计划,2025年将研制出一架真正意义的空天飞机,其飞行速度将将达到15马赫,携带多种武器,在2小时内打击10350英里距离上的目标,可于多种不同的目标进行作战,并进行目标重新确定,可重复使用。早在上个世纪70年代,前苏联就开始了研制空天飞行器的工作,提出了可重复使用的空天运输系统构想。按照此构想,系统采用具有很强的灵活性和多种功能的两级入轨方案,用于紧急救援、空间物资供给以及提供生态问题研究等。 目前,俄罗斯正在研制具有广泛发展前景的MAKS系统,它是可执行广泛太空任务的两用空天飞行器,既可完成军事任务,也可用其他目的。日本由于经济实力雄厚,对空间领域是探索虽起步较晚,但也制定了空天飞行器的研究与发展计划。所设想的是一种单级入轨、水平起飞和着陆,能重复使用的空天飞行器。中国已启动研发第一代可重复使用运载器,它将是超越美国“航天飞机”水平的航天运输系

统,但尚不能达到“空天飞机”的技术水准。中国研发航天运输系统选择的技术道路和美国、俄罗斯等国家均不相同。中国航天专家提出一种立足于新一代运载火箭主要技术的串联式两级入轨重复使用运载器方案。该方案的主要特点是采用两级方案,降低了对发动机、材料、等技术的指标要求,从而可以立足于新一代运载火箭的成熟技术,技术基础较好。目前,俄罗斯正在研制具有广泛发展前景的MAKS系统,它是可执行广泛太空任务的两用空天飞行器,既可完成军事任务,也可用其他目的。日本由于经济实力雄厚,对空间领域是探索虽起步较晚,但也制定了空天飞行器的研究与发展计划。所设想的是一种单级入轨、水平起飞和着陆,能重复使用的空天飞行器。中国已启动研发第一代可重复使用运载器,它将是超越美国“航天飞机”水平的航天运输系统,但尚不能达到“空天飞机”的技术水准。中国研发航天运输系统选择的技术道路和美国、俄罗斯等国家均不相同。中国航天专家提出一种立足于新一代运载火箭主要技术的串联式两级入轨重复使用运载器方案。该方案的主要特点是采用两级方案,降低了对发动机、材料、等技术的指标要求,从而可以立足于新一代运载火箭的成熟技术,技术基础较好。 对于中国,目前中国空天飞行器面对的最大难题是发动机研制困难。在动力上,中国与世界领先水平差距较大;但是在整机技术水平上,和世界顶尖技术的差距逐渐缩小;而在机载系统上,中国甚至走在了世界前列。 目前空天飞行器的具有巨大应用潜力和未来大力发展可能的技

高超声速飞行器若干问题研究进展_陈予恕

国家自然科学基金重点项目(编号:10632040) 本文2009-03-10收到,陈予恕、郭虎伦分别系哈尔滨工业大学院士、博士生,钟顺系天津大学航空航天研究院博士生 高超声速飞行器若干问题研究进展 陈予恕 郭虎伦 钟 顺 摘 要 介绍了国外高超声速飞行器的发展现状,并 总结了未来一段时期高超声速飞行器的发展方向和趋势。分析了高超声速飞行器的外形选择及其气动问题,发动机的选取与机体一体化问题和气动加热及防热问题。最后提出了未来高超声速飞行技术发展的几个方向。 关键词 高超声速飞行器 气动弹性 机体一体 化 气动加热 防热 引 言 高超声速飞行器是指飞行马赫数大于5.0的远程巡航飞行器,它综合了航空航天领域众多学科的新技术,代表了未来航空航天领域的研究发展方向,被认为是继隐身技术之后的又一重点技术领域。 按采用的动力装置不同,高超声速飞行器可分为火箭推进高超声速飞行器(Rocke-t Po w eredH yper -sonic Vehicle ,RP HV )和吸气式高超声速飞行器(A ir -B reath i n g H yperson ic V ehic l e ,AB HV )两类。早期的高超声速飞行器,如X-15和X-20,均以火箭发动机为动力,属于RPHV 。由于其性能不佳,后 续研究几乎没有开展。随着对超燃冲压发动机研究的深入,AB HV 成为各航空航天大国的发展重点。AB HV 包括吸气式运载器(A ir -Breath i n g Launch V e -h icle ,ABLV )和高超声速巡航飞行器(H yperson ic C r u ise V ehic le ,HCV )。ABLV 又称为空天飞机(A erospace Plane ),主要执行入轨任务,可分为单级入轨和多级入轨系统。H CV 主要指在大气层内飞行、执行巡航任务的飞行器,可用作高超声速飞机、战略攻击机和巡航导弹,均采用超燃冲压发动机作为动力系统。 高超声速飞行器具有以下优点[1] : 1)高超声速飞行可有效缩短对目标的反应时间,因此突防概率高; 2)射程相同时飞行时间短,目标位置变化小,故飞行器的抗干扰能力强,命中目标的概率高; 3)飞行器在高超声速飞行时动能大,若设计与亚声速飞行器相当破坏力的战斗部,高超声速飞行器战斗部的质量可以减轻,从而减小了飞行器的设计载荷; 4)射程远,如国外正在研究的高超声速导弹射程都在几百千米甚至几千千米以上。 1 高超声速飞行器国外发展现状 基于高超声速飞行器的上述优点,美、俄、法、德、日、印度等国都在进行这方面的研究,并制订了许多研制高超声速飞行器的计划[1-3] ,有些已经 做了大量的试验。 美国高超声速飞行器的研制在20世纪曾有过两次高潮:第一次是在20世纪60年代,当时研制了飞行器速度超过M a =6的X-15,但是由于使用 和经费上的困难以及技术上的难度,取消了该计划。而后对高超声速技术的研究一直处于小规模的水平。1986年,美国提出了国家空天飞机计划(NASP),当时人们称之为/高超声速技术复苏0,然而在1994年,由于在执行过程中遇到了技术、经费和管理上的一系列困难,对该计划进行了调整,但它却引发了一系列与高超声速飞行相关的研究计划。美国的高超声速技术研究重点围绕高超声速飞行器试验(H yper -X)计划、高超声速技术(H y Tech)计划和高超声速飞行(H yF l y )计划等技术验证计划

国外吸气式高超声速飞行器发展现状

情报交流 本文2008 09 29收到,作者分别系中国航天科工集团第三研究院三一〇所工程师、助工、助工 国外吸气式高超声速飞行器发展现状 陈英硕 叶 蕾 苏鑫鑫 摘 要 以美国H yT ech 、H yF ly 、 X 51A 、猎鹰(FALCON )计划为重点,介绍了世界上几个主要的吸气式高超声速技术计划和飞行器研究情况,并对当前国外吸气式高超声速飞行器的发展现状进行了简要分析。 关键词 吸气式 高超声速 H yF ly X 51A FA LCON 引 言 高超声速飞行器是指在大气层内飞行速度达到M a =5以上的飞行器。自20世纪60年代以来,以火箭为动力的高超声速技术已广泛应用于各类导弹和空间飞行器,而目前世界各国正在积极发展另一类以吸气式发动机为动力的高超声速飞行器技术,它的航程更远、结构质量更轻、性能更优越。 实际上,吸气式高超声速技术的发展始于20世纪50年代,通过几十年的发展,美国、俄罗斯、法国、德国、日本、印度、澳大利亚等国自20世纪90年代以来已在高超声速技术方面陆续取得了重大进展,并相继进行了地面试验和飞行试验。高超声速技术实际上已经从概念和原理探索阶段进入了以高超声速巡航导 弹、高超声速飞机和空天飞机等为应用背景的先期技术开发阶段。 1 美国在高超声速技术领域独占鳌头 从1985年至1994年的10年间,美国国家空天飞机计划(NASP)大大推动了高超声速技术的发展。通过试验设备的大规模改造和一系列试验,仅美国NASA 兰利研究中心就进行了包括乘波体和超燃发动机试验在内的近3200次试验。通过这些试验掌握了M a <8的超燃发动机设计技术,并建立了数据库,从而为实际飞行器打下了牢固的技术基础。实际上,30多年来,兰利研究中心一直在进行这方面的研究,曾经在2.44m 高温风洞中研制和试验过22个发动机。在此基础上,美国于1996年开始,针对高超声速导弹、高超声速飞机和空天飞机的研制工作调整高超声速技术的研究目标,在发展和应用高超声速技术方面采取了更为稳妥的循序渐进策略,提出了更为现实的全方位的高超声速武器和先进航天器研制计划。NASA 和美国空军在2000年 12月达成协议,将联合进行高超声速技术的发展和验证。2001年,NASA 和美国国防部联合提出了国家航空航天倡议(NA I),重申了美国高超声速飞行器的发展战略:近期发展高超声速巡航导弹;中期重点发展全球到达的高超声速飞机;远期发展廉价、快速、可重复使用的航天运载器。 2001年6月到2004年11月,NAS A H yper X 计划的X 43A 进行了3次飞行试验,除第一次以失败告终外,第二次飞行试验实现了7倍声速飞行,第三次在大约33.5km 高度飞行时以M a =9.8(11270k m /h)的惊人速度载入世界飞行速度记录。X 43A 的成功飞行试验,验证了高超声速飞行器的设计概念、设计方法和地面试验结果。但2006年年初NASA 表示,将把航空领域的研究重点从之前的飞行演示验证重新转向基础研究和设计工具开发,同时,NASA 对其组织结构进行调整,将高超声速研究纳入基础航空部分。X 43高超声速研究小组的项目重点将进行基础性的技术研究而不是飞行试验。 下面就简要介绍一下美国开 25 飞航导弹 2008年第12期

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