大展弦比飞翼布局飞机新型操纵面设计

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裂式方向舵 ! 翼尖方向舵和多组升降副翼组合的 方式， 阵风减缓系统可以由海狸尾俯仰操纵面 ! 前 缘襟翼和升降副翼组成 " 如图 # 所示 " 开裂式方 向 舵或翼尖方向舵 主 要 产 生 偏 航 控 制 力 矩， 升降副 翼主要用于提供飞机的纵向和横向控制力矩 "
围内， 操纵力矩与 偏 角 近 似 成 线 性 关 系， 而 且 !& ， ! 2 在相同量级上 " !" %$ 开裂式方向舵气动特性 开裂式方向舵安装在翼后缘， 开裂式作动， 如 图 + 所示， 通过 两 翼 上 的 非 对 称 阻 力 产 生 偏 航 控 制力矩 " 对于大展弦比飞机， 由于大展长的缘故阻 力方向舵是一种效率较高的航向操纵舵面 "
阻尼； , " 和 , 0 为迎角和俯仰角速度的 反 馈 系 数， 本文中取为 ( " 可以看出， 当纵向稳定性和阻尼越 大， 所需要的偏航操纵效率就越大 " 纵向操纵面的最重要设计要求就是要满足飞 行包线中机 动 过 载 " 品 质 规 范 中 要 求 在 过 载 为 ( 的配平速度下， 驾驶员不改变油门和配平位置， 以 及在配平速度附 近， 单独使用俯仰操纵时要求具 有规定的法向过载 范 围［ * ］" 以 定 常 拉 升 为 纵 向 操 纵面设计的背景 机 动 动 作， 飞机要求最大正向过 满足俯 仰 过 载 机 动 性 要 求 的 俯 仰 操 纵 效 载 3 1+> ， 率可以通过式 （:） 估计： （ 3 1+> . ( ） 4 （ 3 1+> . ( ） 5 . ! 10 . ! 1" #4 ( , % # 4 %! 3 " , $ ! &1+> （:）
45#+-*,+ ：./9+(5/ 6H/ -,70*2 S0*2 +0)9)+-6 S06H ,+)2/ +5T/96 )+60’ 9+*9/,5 6H/ 6)+:060’*+, 56+<0,0U/)5 +*: 9’*6)’, 5()-+9/5 SH09H +)/ (5/: 0* 6)+:060’*+, 9’*-02()+60’* ，G+*7 :05+:4+*6+2/5 ’- :7*+G09 9H+)+96/)05609 +B )05/> VH/ +/)’:7*+G095 9H+)+96/)05609 ’- 6H/ 0**’4+604/ 9’*6)’, 5()-+9/5 SH09H +)/ 0GT,/G/*6/: ’* 6H/ -,70*2 S0*2 +0)9)+-6 S06H ,+)2/ +5T/96 )+60’ S/)/ 0*6)’:(9/: ，+*: /,/4’* +*: 5T,06 )(::/) S/)/ 0*4’,4/:> 8*: 6H/ 9’*B 6)’, /--/965 ’* 6H)// +P05 S/)/ +*+,7U/: <+50*2 ’* 9’GT(6/60’*+, -,(0: :7*+G095 （ M;W ）G/6H’:> VH/ 9’*9/T6 ’9’*6)’, 4’,(G/ S+5 0GT’)6/: 6’ 0*6)’:(9/ T+)+G/6/)5B<+5/: G/6H’: ’- 9’*6)’, 5()-+9/5 :/502*> VH/ 9’*6)’, /--/96 )/X(0)/G/*65 ’- 6H/ 9’*6)’, 5()-+9/5 S/)/ +,5’ /4+,(+6/:> VH/ ’)020*+, :/502* ’- 9/)6+0* +0)9)+-6Y5 9’*6)’, 5()-+9/5 S+5 G’:0-0/:> 8* T)+9609+, 5(06 ’- 56/T5 -’) 9’*6)’, 5()-+9/5 :/502* SH09H 9+* </ (5/: 0* -,70*2 S0*2 +0)9)+-6 S06H ,+)2/ +5T/96 )+60’ H+5 <//* T)’40:/:> 6"0 1’-7# ：-,70*2 S0*2 9’*-02()+60’* ；-,02H6 :7*+G095 ；9’*6)’, 5()-+9/ :/502* ；9’*6)’,,+<0,067
. 5( 6） 俯仰效率 2 (4 5 （
横向力臂 2 1 ;7 : 87 ; (, 7 *
滚转舵容量 2 3 4 7 44: ,; 4 7 448 49 4 7 448 8,
. 5( 6） 滚转效率 2 (4 5 （
,7 : 07 9 :7 ;
.7 * .7 8 *7 4
) ) 在设计飞行 状 态 下， 操纵效率在初始设计点 的计算或实验的基础上可以表示成式 （*） ： ! 1! & $ ! 1 ! &4 ! #& ! # &4 （*）
!"#$%& ’( $&&’)*+$)" ,’&+-’. #/-(*,"# ’( (.0$&% 1$&% *$-,-*(+# 1$+2 .*-%" -*+$’ *#3",+
L+ MH+’! N0 N0*! O+*2 N0P0*
（ Q9H’’, ’- 8/)’*+(609 Q90/*9/ +*: R*20*//)0*2 ，./010*2 3*04/)5067 ’- 8/)’*+(6095 +*: 856)’*+(6095 ，./010*2 C###E% ，MH0*+ ）
图 0) 大展弦比飞翼布局后缘操纵面舵容量
) ) 以某 大 展 弦 比 无 尾 飞 翼 布 局 飞 机 为 基 本 构 型， 设计一组沿不 同 展 向 位 置 安 放 且 面 积 不 同 的 升降副翼进行 !"# 计算其俯仰和滚转控制 效 率， 表 ( 的结果表明操纵效率与舵容量存在的近似的 线性关系 "
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"##$ 年 " 月 第 %% 卷 第 " 期
北 京 航 空 航 天 大 学 学 报 &’()*+, ’- ./010*2 3*04/)5067 ’- 8/)’*+(6095 +*: 856)’*+(6095
;/<)(+)7! "##$ =’,>新型操纵面设计
图 #$ 大展弦比飞翼布局操纵面典型配置
!" #$ 升降副翼气动特点 以前后缘均为单后掠角的大展弦比无尾飞翼 布局为基本构型 进 行 分 析， 最早提出能操纵此构 型的方案就是 升 降 副 翼 （ %&’()* ） ， 而且认为升降 副翼至少是完全 可 以 实 现 俯 仰 和 滚 转 轴 的 操 纵， 因此可以被称为单一操纵系统［ + ］" 当升降副翼差 动 偏 转 时 产 生 副 翼 的 效 应， 当 联动时产生升降 舵 的 效 应 " 飞 翼 布 局 为 大 后 掠 和 大展长时纵向和 横 向 的 操 纵 效 率 都 比 较 高， 这是 因为纵横向的操 纵 力 臂 较 大 的 缘 故 " 实 际 上 仅 由 升降副翼来控制 飞 机 是 不 足 的， 有时甚至是危险 的， 因此现代飞翼 无 尾 布 局 飞 机 采 用 + 组 或 更 多 升降副翼， 使飞行操纵能纵横向解耦， 并达到相应 品质规范要求的操纵效率 " 如图 , 所示， 对某型大展弦比飞机的一侧升 降 副 翼 进 行 -./ 计 算 ， 在升降副翼的适当偏转范
! ! 飞翼布局的无尾飞机取消了平尾和升降舵以 及垂尾和方向舵， 雷达散射截面 ZMQ （ Z+:+) M)’55 Q/960’* ） 得到了大幅减缩， 却要求飞机具有理 想 控 制效率的新型操纵面或推力矢量装置来实现飞机 良好的操纵性
［C］
的操纵面不仅要 提 供 足 够 的 控 制 力 来 源， 同时还 在控制系统的作 用 下 保 证 飞 机 的 稳 定 性 要 求 > 本 文引入操纵面容量的概念来表征操纵面的设计操 纵能力， 并从理 论 上 提 出 对 飞 翼 布 局 设 计 操 纵 面 的效率需求进行评估的方法 >
为了便于综合 操 纵 面 的 多 个 设 计 参 数， 本文 引入舵容 量 的 概 念 来 表 征 操 纵 面 的 操 纵 能 力 大 小， 它可视为操纵面设计参数的综合指标 " 俯仰舵容量： ! #& $ ) ) 滚转舵容量［ * ］： %+ )+ ( %+ &+ ! $ #+ $ %’ ( , %’ ( ) ) 偏航舵容量： ! #- $ %- &%’ ( （.） （,） %& && %’ ’ （(）
!" 操纵面型式特点
!# !" 典型配置 大展弦比飞翼布局飞机操纵面配置多采用开
! 作者简介：马 ! 超 （ CDE% F ） ， 男， 江西南昌人， 博士生，G+9H+’I +5/> <(++> /:(> 9*>