高超声速飞行器的飞行特性

高超声速飞行器气动布局与操稳特性研究

航空科学技术Aeronautical Science &TechnologyNov.252020Vol.31No.1147-53高超声速飞行器气动布局与操稳特性研究左林玄*，尤明航空工业沈阳飞机设计研究所，辽宁沈阳110035摘要：本文介绍了高超声速飞行器气动布局分类,对钟形体布局、升力体布局、乘波体布局、翼身融合布局进行了分析说明，总结了高超声速飞行器气动布局的发展方向。

从稳定性和操纵性的维度对高超声速飞行器的操稳特性进行了分析，重点分析了在纵向静稳定性、航向静稳定性、副翼操纵效率、方向舵操纵效率等方面，高超声速飞行器区别于传统飞机的特点。

基于高超声速飞行器的操稳特性，给出了高超声速飞行器可行的升降舵、副翼、方向舵的使用策略。

关键词：高超声速飞行器；气动布局；操稳特性；乘波体布局；翼身融合布局中图分类号：V221.3文献标识码：A DOI ：10.19452/j.issn1007-5453.2020.11.006高超声速飞行器是指飞行高度在20~100km 之间，速度超过马赫数5的快速新型飞行器[1]，高超声速飞行技术是继发明飞机实现飞行、突破声障实现超声速飞行后，航空航天史上又一项具有划时代意义的新技术。

高超声速飞行器既包含以吸气式发动机为动力的飞行器，也包含无动力或采用其他推进方式的可重复使用运载器、再入飞行器等。

高超声速技术涉及总体、气动、推进、结构、材料、热防护、控制等众多学科，对科技和工业的发展具有极大的带动作用。

因此，世界各军事强国积极探索高超声速技术，按照近期目标为高超声速巡航导弹、中期目标为高超声速飞机、远期目标为空天飞机持续开展相关技术研究，包括美国的Hyper -X 计划、HyFly 计划、HyTech 计划等，俄罗斯的“冷”计划、“鹰”计划等，法国的组合吸气式发动机计划（JAPHAR ），英国的“云霄塔”等[2-6]。

本文从高超声速飞行器气动布局与操稳特性角度出发，对典型的高超声速飞行器气动布局进行分析，并分别从稳定性、操纵性、机动性等方面对高超声速飞行器的操稳特性进行分析与评估。

X51高超音速飞行器

X51高超音速飞行器据提前出版的美国著名科技刊物大众机械师介绍，美国空军研究试验室正在开展一个名为“驭波者”X－51的新一代超高速导弹项目，前期的测试工作已经完成，目前正在进行地面测试，整个项目的试验到2008年结束，预期2009年能正式发射。

根据公布的性能指标，X－51头部扁平，充分考虑到高速飞行时的空气动力学需求，外形借鉴了宇宙飞船和巡航导弹的特点。

弹体由镍合金制成，长约3.5米，重量和体积都与一般的导弹差不多，可任意搭载到轰炸机或战斗机上，是一种标准的空对地巡航导弹。

但它的速度又让它有别于其他巡航导弹。

据介绍，X-51由B－52轰炸机带到3.5万英尺的高空发射，然后速度达到5马赫，也即约6000公里／小时，在20分钟内从阿LA伯海打到阿富汗东部，也几乎可以在一小时内对地球上任何一处目标实行精确打击。

X-51将是世界上第一个能够达到如此高速的空射巡航导弹，以前，只有弹道导弹和宇宙飞船才能达到这种速度。

X51采用超燃冲压发动机验证机(S ED-WR),该验证发动机长26英尺,4000磅,采用碳氢燃料.据美国《空中攻击网站》2010年3月9日报道，美国空军即将开始对X-51“乘波者”高超声速飞行器进行首次飞行试验，试验总共将进行4次。

与以前的同类飞行器相比，X-51能够提供更长的滞空时间与更远的飞行距离。

X-51高超声速飞行器的首飞预计将在3月底进行。

波音公司位于圣路易斯市的防御、空间及安全系统分部从2003年开始承担空军研究实验室(AFRL)和国防预先研究计划局(DARPA)的这一研制任务。

环球时报5月27日报道美国于5月26日在加利福尼亚州南部太平洋海岸的军事基地，成功试飞一架高压喷气动力驱动的高超音速X-51A飞行试验机。

X-51采用普惠公司制造的空气式超音速燃烧冲压引擎，可提供超过200秒的动力冲压支持，使飞机在短时间内提速至5马赫。

之前最长的动力冲压时间来自美国航空航天局所制造的试验机X-43——可提供12秒的动力支持。

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。

飞行器气动特性的实验研究

飞行器气动特性的实验研究一、飞行器气动特性的基本概念飞行器的气动特性主要包括升力、阻力、力矩等。升力是使飞行器能够在空中飞行的关键力量，它通常与飞行器的机翼形状、飞行速度和迎角等因素有关。阻力则会阻碍飞行器的前进，包括摩擦阻力、压差阻力和诱导阻力等。力矩则会影响飞行器的姿态和稳定性。

二、实验研究方法 1、风洞实验风洞是研究飞行器气动特性最常用的实验设备之一。它通过产生可控的气流，模拟飞行器在不同飞行条件下的空气流动情况。在风洞中，可以安装模型进行测试，测量模型表面的压力分布、速度分布以及气动力等参数。

风洞实验的优点是可以精确控制实验条件，重复性好。但也存在一些局限性，例如模型尺寸的限制、洞壁干扰等。

2、飞行试验飞行试验是在真实的飞行环境中对飞行器进行测试。这种方法能够最真实地反映飞行器的气动特性，但成本高、风险大，且测试条件难以精确控制。

3、数值模拟随着计算机技术的发展，数值模拟在飞行器气动特性研究中也发挥着重要作用。通过建立数学模型和求解流体力学方程，可以预测飞行器的气动性能。但数值模拟结果的准确性往往依赖于模型的准确性和计算方法的可靠性。

三、实验设备 1、低速风洞低速风洞通常用于研究亚音速飞行器的气动特性。其气流速度较低，结构相对简单，成本也较低。

2、高速风洞高速风洞可以模拟超音速和高超音速飞行条件，对研究高速飞行器的气动特性至关重要。但高速风洞的建设和运行成本都很高。

3、压力测量系统用于测量飞行器模型表面的压力分布，常见的有压力传感器和压力扫描阀等。

4、速度测量系统如激光多普勒测速仪、粒子图像测速技术等，可以测量气流的速度分布。

四、研究成果 1、机翼优化设计通过实验研究，发现不同的机翼形状和翼型对升力和阻力的影响。例如，采用后掠翼可以减小跨音速时的阻力，而大展弦比机翼在低速时具有较好的升力特性。

2、飞行器减阻技术研究发现，通过采用流线型外形、表面处理技术和安装减阻装置等方法，可以有效降低飞行器的阻力，提高飞行效率。

高超声速飞行器发展综述及飞行试验测控需求

体化的轴对称高超声速导弹气动布局。

图1X-43A高超声速飞行器X-43A(如图1)计划是由DRAPA主导的以氢燃料为。

Science&Technology Vision科技视界9将提供一种全新的快速全球打击能力。

图2X-51A高超声速飞行器1.2无动力高超声速计划无动力高超声速计划通常采用助推器将高超声速无动力滑翔飞行器助推到预定的分离点,无动力滑翔飞行器通过长时间的高超声速滑翔飞行实现快速的投送和打击。

HTV-2计划的目标是通然要求;图3高超音速飞行器典型弹道(3)精确打击能力,对点目标、机动目标的直接命中打击能力,对目标"点穴式"小附带损伤打击能力,是现代战争和未来信息化战争的基本要求,是精确打击和常规威慑的技术保证;(4)有效突防能力:导弹速度越高,其突防能力越强;关于飞行高度,其突防能力与拦截武器类型有关,对于靠气动力控制的拦截弹而言,其拦截能力随导弹飞行高度增高而下降,对于靠直接力控制的拦截弹而言,其拦截能力随导弹飞行高度增高而增强(5)高作战效能,具备包括高射前生存能力、有效Science &Technology Vision科技视界(上接第11页)基、海基或空基)需根据航区特点合理布置。

弹上测量参数种类、数量非常多,主要包括热流参数、压力参数、温度参数、过载参数、缓变电压模拟量、开关量等,数据的数据量非常大,因此遥测需满足大容量数据传输要求。

靶场地面站应能满足相关的保密保密要求。

(2)外测需求对导弹飞行试验全程进行外弹道测量,测量导弹位置参数及运动参数,如高度、距离、侧偏、速度、加速度等。

并能够按要求实时传送到指挥控制中心,用于监测和安控判决。

高超声速飞行器气动热环境与防护研究

高超声速飞行器气动热环境与防护研究高超声速飞行器是一种飞行速度超过5马赫（约6147 km/h）的飞行器，其在大气层中会面临极端的气动热环境。

由于高速飞行时会产生大量热能，高超声速飞行器需要在高温、高速飞行环境下保持稳定性以及飞行器结构的完整性。

高超声速飞行器的气动热环境主要包括两个方面：气动力和热环境。

在高速飞行过程中，气体会因空气动力学效应产生巨大的气动力，而高速飞行所产生的气动力会给飞行器结构带来巨大的振动和应力。

同时，由于高超声速飞行器在高速飞行过程中会面临高温环境，飞行器表面温度会升高，导致飞行器结构的热胀冷缩问题，从而对飞行器的结构完整性和飞行性能产生不利影响。

为了研究高超声速飞行器的气动热环境和制定相应的防护措施，科学家们进行了大量的实验和数值模拟。

通过实验方法，可以测量飞行器模型在高超声速飞行时所受到的气动力和热负荷，了解其荷载特征和分布情况。

同时，实验还可以通过测量飞行器表面的温度分布，了解其热胀冷缩情况，验证数值模拟结果的准确性。

在数值模拟方面，研究人员通常使用计算流体力学（CFD）方法来模拟高超声速飞行器的气动热环境。

CFD方法可以通过数值计算飞行器周围流场中的气动力和热传输过程，得到飞行器表面的温度分布和流场压力分布等关键参数。

通过数值模拟可以快速获得大量的数据，加深对高超声速飞行器气动热环境特性的理解，并为制定相应的防护措施提供支持。

基于对高超声速飞行器气动热环境的研究，科学家们提出了一系列的防护措施，以确保飞行器在高速飞行过程中的安全性和稳定性。

其中包括以下几个方面：首先，飞行器的结构设计必须能够承受高速飞行带来的巨大气动力。

科学家们通过优化飞行器的外形和减小飞行器的质量，降低飞行器受到的气动力，从而减小飞行器的振动和应力。

此外，还可以采用结构材料的高温耐受性更高的材料，提高飞行器的整体热稳定性。

其次，通过对飞行器进行热防护，降低其表面温度。

研究人员提出了多种热防护材料，例如陶瓷材料、热隔离涂层等，可以有效地减少表面温度的升高，减轻飞行器的热胀冷缩问题。

超高声速飞行器

超高声速飞行器摘要：高超声速飞行器一般是指飞行速度超过5倍音速的飞机、导弹、炮弹之类的有翼或无翼飞行器,具有较高的突防成功率和侦查效能,能大大扩展战场空间。

高超声速飞行器潜在的巨大军事和经济价值使得当前世界各军事大国纷纷投巨资到该领域,成为21世纪世界航空航天事业发展的一个主要方向。

近年来,各军事大国在推进技术、结构材料、空气动力和飞行控制等关键技术研究方面积累了丰富经验,对高超声速飞行器未来的发展奠定了基础。

关键字：超高声速、飞行器、推进技术。

一、飞行器的发展历程人类向往飞行的理想几乎伴随这整个人类的历史。

最初，人们受到鸟类的启发而使用人造翅膀，但是发现这并不现实。

人类的身体对于人造翅膀而言过于的沉重。

并且在探索的早期人类并不了解鸟类飞行的空气动力学原理。

经过一系列的探索，到了18世纪后期，人类发明了热气球。

1783年热气球首次载人升空。

随后出现了飞艇。

相比于热气球，带有推进装置、载重更大的飞艇更具实用性。

飞艇的出现并未宣告飞行器的发展并未就此停歇。

人类还是研制机动性更好的飞行器。

1903年，由莱特兄弟制造的人类第一架飞机——飞行者1号，并成功升空。

莱特兄弟总共制造了三架“飞行者”号飞机。

“飞行者”三号是其中最成功的一架，其飞行成绩为38分钟飞行38.6km。

“飞行者”三号飞机的成功宣布飞机终于具有了实用性。

至此人类迎来的飞机时代。

自飞行者之后活塞式螺旋桨飞机得到了极大的发展，飞行时速不断地提高。

但是螺旋桨式飞机存在着速度上限。

当螺旋桨尖端线速度接近声速时，空气会被极具压缩，而这部分压缩空气来不及散开，在桨端形成一个巨大的阻力，称为激波阻力。

此时桨端的空气将粘滞在桨叶表面，使螺旋桨的效率降低。

这便是螺旋桨飞机不能飞得更快的原因。

为了克服螺旋桨飞机的这一速度上限，人们研制了喷气发动机。

喷气发动机构造不同于活塞式螺旋桨，因此飞机可以飞得更快。

随着发动机性能的提升以及飞行器气动外形的升级，飞机的速度已经能达到2马赫。

高超声速飞行器发展现状和关键技术问题

高超声速飞行器发展现状和关键技术问题高超声速飞行器是指可以飞行在5倍音速以上的飞行器，具有超过音速5倍速度的飞行能力。

它具有重要的军事战略意义和广阔的应用前景。

在当今世界，高超声速技术已经成为各国军事竞争的焦点之一。

本文将探讨高超声速飞行器的发展现状，并分析相关的关键技术问题。

首先，我们来看一下高超声速飞行器的发展现状。

目前，全球范围内有多个国家在高超声速飞行器领域进行着积极的研究和开发。

其中，美国、俄罗斯和中国是最活跃的国家之一。

美国在高超声速领域具有丰富的研究实力，被认为是全球高超声速飞行器技术的领先者。

美国国防部和美国航空航天局（NASA）在该领域进行了多项研究项目，其中包括X-51飞行器的研发。

X-51是一种无人驾驶的高超声速飞行器原型，它成功地进行了多次飞行试验。

俄罗斯在高超声速技术领域也有很强的实力。

俄罗斯成功研发了“雅歌”高超声速导弹系统，并在2018年进行了试射。

此外，俄罗斯还计划发展一种名为“复兴者”的可重复使用高超声速飞行器，该飞行器预计在2023年前进行首次试飞。

中国也在高超声速领域取得了重要的进展。

中国成功研发了“神舟飞机-2号”和“神舟飞机-3号”两型高超声速飞行器，在实验中取得了显著的成果。

另外，中国还计划发展一种名为“彩虹-5”的超高音速飞行器，该飞行器将具有可重复使用能力。

虽然全球多个国家都在高超声速飞行器领域进行积极研究，然而，这个领域仍然面临着许多关键技术问题。

首先是发动机技术。

高超声速飞行器的发动机需要提供足够的推力和稳定的工作性能。

目前，涉及到高超声速发动机的关键技术难题包括高温环境下的可靠燃烧和动力系统的散热问题。

燃烧过程中产生的高温和高速气流对发动机的耐久性和工作效率提出了很高的要求。

其次是材料技术。

高超声速飞行器需要使用能够承受高温和高速气流冲击的材料。

这些材料需要具备良好的高温稳定性、抗热疲劳和热传导性能。

目前，开发适合高超声速飞行器使用的材料仍然是一个挑战。