未来飞行器设计 论文

基于未来飞行器设计的探索与研究

摘要：

本文就我们所设计的未来飞行器——空天飞机设计的背景和现状，空天飞机研发上的创新点、工作原理以及存在的问题等方面出发进行介绍。旨在克服现在已经退役的航天飞机的所存在的火箭一次性，花费并不比一次性飞船少等缺点。考虑到现有航天飞机要采用火箭运载，而火箭在运载过程中要进行脱离，也就是说火箭提供完动能后就会被遗弃，这样就和平常的航天器缺乏了明显的可循环利用的优势，使得航天飞机的花费并不比预想到的节省。为此我们创新型的提出了“以机送机”的思想，并将小型航天飞机与大型运载飞机进行一体化的设计。

关键词：飞行器；设计创新；以机送机；空天飞机

1研究背景和意义

1.1未来飞行器设计的背景

1.1.1空天飞机简介

空天飞机是既能航空又能航天的

新型飞行器。它像普通飞机一样起飞，以高超音速在大气层内飞行，在30～100公里高空的飞行速度为12～25倍音速，并直接加速进入地球轨道，成为航天飞行器，返回大气层后，像飞机一样在机场着陆。在此之前，航空和航天是两个不同的技术领域，由飞机和航天飞行器分别在大气层内、外活动，航空运输系统是重复使用的，航天运载系统一般是不能重复使用的。而空天飞机能够达到完全重复使用和大幅度降低航

天运输费用的目的。

1.1.2航天飞机与空天飞机

航天飞机，其原意为太空往返航班。美国人在完成阿波罗登月计划后，紧接着实施空间站计划，1973年5月发射了“天空实验室”实验性空间站，并为此研制了航天飞机，作为可重复使用的天地往返运输系统，逐步取代了一次性使用的运载火箭。在当时的技术条件下，要使整个航天飞机系统都能重复使用，有很大困难。因此，美国将其分为三部分：轨道飞行器可重复使用100次，固体火箭助推器可重复使用20次，外挂燃料箱为一次性使用。但是，直到1981年4月，航天飞机才试飞成功，而且以后的飞行表明，并没有达到降低运输费用的目的。主要是解决防热、安全等技术问题，并降低发射、维护费用。除美国外，世界上计划进行航天飞机研制的还有：苏联(俄罗斯)的“暴风雪”号航天飞机，其轨道飞行器可重复使用，它由一次性使用的“能源”号火箭发射，返回时像飞机一样水平着陆；1988年10月，无人驾驶轨道试飞成功后，计划被取消。欧洲航天局的“赫尔墨斯”航天飞机计划，也放慢了步伐。日本计划的“希望”号无人驾驶航天飞机，也只进行了缩比模型试验。

实现空天飞机的技术难度比航天飞机更大，主要是三种动力装置的组合和切换，高强度、耐高温的材料(高速飞行时，其头锥温度可达2760℃，机翼前缘达1930℃，机身下也可达1260℃)和具有人工智能的控制系统等。这些都需要进行大量的研究和技术攻关。

1.2.航天飞机普通化与普通飞机航天化

1.2.1飞行器设计目前存在的困难

技术难度和资金短缺，使各国的空

天飞机计划难有进展。如英国的“霍托”号空天飞机，最终也与德国的“桑格尔”空天飞机一样，先由大型飞机驮至高空，然后从飞机上起飞进入太空。美国也决定重新确定国家空天飞机(NASP)计划进程，暂不研制X－30验证机，而先研究解决技术问题。

最近一段时间，关于空天飞机试验的消息又不时传来。分为两种情况，一种是纯粹空天飞机试验，如美国国家航空航天局，计划对新研制的极超音速

X-43A无人机进行最后一次试飞，以验证其技术性能和指标。这一次试飞的目标，是为检测这种飞机能否在10倍音速的条件下飞行。另一种是以最先进的普通战斗机进行执行某些航天任务的试验，以使这类普通战斗机带有某种空天飞机的特征。例如，继美国利用L－1011型运载飞机和B－52飞行实验室承载“飞马座”运输航天系统，将重量为347公斤的STEP－1型卫星送上地球轨道。俄罗斯也计划利用米格－31重型歼击机发射小型卫星，即把米格－31作为向低轨道发射卫星的第一级“可返回式火箭”。米格－31现在可以将8~10吨的火箭携带到20多公里的高度，保证其发射初速达到3000公里/小时。

1.2.2飞行器设计的趋势

上述情况反映出一种趋势，不仅存在着航天飞机向普通飞机转换的工业路线，而且也存在着普通飞机向航天飞机转换的工业路线，使高性能军用飞机向着兼具航天功能的方向发展。这种趋势预示着未来高性能战斗机将具有航天功能，这将是第六代战斗机所要实现的革命性跨越。可多次使用的航天发射载具——空天飞机将是建立外层空间基地的主力军。2.研究飞行器设计的内容

2.1整体机型构造及控制

2.1.1机型的相关分析

机型采用合体型，即大型飞机与小型飞机的一体化设计，采用通体流线型设计外形，既满足了高速飞行时的速度和稳定的要求，又充分了体现了其外观的美观化。其合理化的气动布局，充分考虑了该空天飞机在大气层中飞行时（推动阶段）的巡航能力；而它的一体化合体型设计则是充分考虑到，采用运载火箭的一次性不可回收所带来的浪费，取而代之采用“以机送机”的创新发送方式，实现航天飞机的重复利用。

机身未分离前表现为一个整体，小型飞机镶嵌于大型飞机的头部，其的机翼可当做两者整体的鸭式前翼，同时也为分离后小型飞机和大型飞机的正常飞行提供保障。其主翼采用了前缘中等后掠角、后援前掠、小展弦比切尖三角翼，在机翼前缘布置了近乎于全展向的机动襟翼，在后缘分段布置了副翼（外侧）和襟翼（内侧）。采用中等后掠角是超音速升阻比和亚音速升力特性妥协的结果，是为了保持飞机在亚音速条件下的低诱导阻力、高升阻比和机动性，以便保证飞机的亚音速稳定盘旋航

程性能。

全动外倾双垂尾的作用，一方面要维持航向稳定性，保证飞机不会因为强烈不对称的气流分离进入螺旋。飞机外倾的全动垂尾除了作为高效的偏航控制面之外，还一定程度上承担了传统水平尾翼的工作，并且参与了整机配平。

2.1.2飞行设计整体气动外形的创新

我们飞机设计整体气动外形复杂且结构新颖，导致整体外形稳定性不足，所以我们飞机采用电传飞控系统。电传飞控系统克服了传统机械操纵系统的很多缺点、例如重量大、占据空间大、机构复杂、存在非线性（机件之间存在摩擦和间隙）和弹性变形。电传操纵不存在传动设备热胀冷缩的问题，不需要润滑，去掉了百余个铰支点。更重要的是能实现静不稳定飞机的主动控制，我们可以为战斗任务选择和优化布局，然后由飞机控制计算机根据相应控制规律保证飞机的稳定飞行。如果没有电传飞行控制系统，估计它就很难飞起来

电传飞控是一个很大的概念，包括了各种增稳器、传感器、自动驾驶仪，等等。在电传操纵系统中，飞机各个控

制面对驾驶员操纵的反应不仅仅取决于飞行员的动作，还必须参考各种机载传感反馈的飞行状态，如速度，迎角等等。更先进的电传飞控系统还要考虑发动机的工作状态信息，即发动机数字控制系统(FDEC)。飞控系统可以综合判断各种信息，决定控制面应该做出什么反应。换句话说，在自动驾驶状态下，如果计算机认为驾驶员的动作不正确，就可以不执行这个操作，这对安全有力。2.2空天飞机的启动

该空天飞机采用“超声速燃烧冲压式发动机”，它简称超燃冲压发动机，可以在攀升过程中从大气里攫取氧气。放弃携带氧化剂，从飞行中获取氧气，节省重量，就意味着在消耗相同质量推进剂的条件下，超燃冲压发动机能够产生4倍于火箭的推力。这样飞机就可以在相对较小的时间内获得较大的速度。

2.3飞机的脱离

在飞机整体速度达到相对较高速度时，前段小飞机与后端挂钩分离，一定距离后嵌于小飞机机翼上的火箭发动