国外高超声速飞机发展分析

高超声速飞机突破现有飞机的速度与高度包线,具有可重复使用、宽速域飞行的技术优势,是未来飞行器技术发展的重大方向之一。国外正加快高超声速导弹向飞机平台的技术转化,已设立多个高超声速飞机研究项目,研究进展较快。本文总结了国外高超声速飞机的研发历程与研究项目整体情况,梳理了在研重点型号的概念方案和研究进展,分析了国外高超声速飞机的主要发展趋势。研究认为,面对国外高超声速飞机加速研制的态势,我国应加强对动力等关键技术的攻关,提高试验能力,为高超领域的科技竞争奠定基础。

基于实验设计方法的高超声速飞机前缘型线优化分析

为探索前缘线变化对吸气式高超声速飞机气动性能的影响,基于一种旁侧进气布局翼身融合体构型,在飞行马赫数6,攻角4?和高度26 km的巡航飞行条件下,结合运用增量修正参数化设计方法、均匀实验设计方法和计算流体力学模拟,分析了飞行器前缘型线与其升阻力系数及纵向压心等性能参数间的关系.计算结果表明,前缘线形状对飞行器升阻力系数明显高于其对纵向压心影响,设计空间范围内升力系数变化约21.3%,阻力系数变化约31.8%,升阻比变化范围约10.63%,但相对压心变化范围仅为3.87%.在此基础上,通过对典型构型物面压力分布进行分析,发现前缘线形状适当弯曲可利用飞行器下表面侧壁压缩产生的高压气流,利用二者的耦合效应使飞行器获得额外的升力增量.

基于H_∞最优控制理论的高超声速飞机纵向逆控制

针对高超声速飞机复杂的气动特性以及不确定的非线性模型,提出了基于H∞最优控制理论的逆控制方法。该方法将H∞最优控制的鲁棒性能与动态逆控制的非线性解耦控制能力有机结合,能够在复杂的飞行条件下,实现对高超声速飞机高度非线性解耦控制;同时还能抑制模型参数变化的扰动,从而确保了高超声速飞机的纵向稳定性,改善了其纵向模态的飞行品质。通过仿真实验验证了该控制方法的有效性。

高超声速飞机纵向通道的多级模糊逻辑控制

针对飞行过程中高超声速飞机的纵向模型具有不稳定的动态特性,多变量之间的强耦合以及易变的模型参数,采用多级模糊逻辑控制为其纵向通道设计飞行控制系统。该系统由控制内环和控制外环组成,控制内环用于稳定纵向的飞行姿态,控制外环可以确保高超声速飞机对指令信号的准确响应,将两者结合起来设计的飞控系统具有高度非线性解耦控制能力。因其控制过程不依赖于高超声速飞机的精确模型,故保证了系统的强鲁棒性能。仿真研究表明,该控制系统可以维持高超声速飞机的纵向稳定性能。

从研发项目看美国高超声速飞机发展策略

为在高超声速领域抢先竞争对手形成能力和技术优势,美国逐渐加大对高超声速飞机的研发力度。介绍了美国高超声速飞机发展近况,包括近两年新启动的“苍穹”(Aether)和“观星者”(Stargaze)高超声速飞机项目,以及取得重要进展的“女武神”(Valkyrie)军用飞机和“夸特马”(Quarterhorse)项目。从技术路径、研发模式和科研力量等维度分析美国高超声速飞机发展策略。分析认为基于现货涡轮TBCC的技术路径可满足近期发展需求;研发项目和飞行试验平台项目相互配合,协调开展技术攻关和试验验证;传统军工企业与初创公司成为美国发展高超声速飞机的两支重要力量。

基于改进粒子群算法的高超声速飞机爬升轨迹优化

装备涡轮基组合动力发动机的高超声速飞机,其推力特性不同于传统的涡扇发动机,因此传统飞机的爬升策略不再适合这类高超声速飞行器。在分析了飞机爬升段数学模型的基础上,基于改进粒子群优化算法,针对某高超声速飞机模型飞行剖面爬升段,以最小燃油消耗为目标进行轨迹优化设计。通过仿真计算,优化后的爬升段飞行轨迹能有效减少燃油消耗,证明了优化方法的可行性。

美国赫尔墨斯公司高超声速飞机研制进展

2022年11月,美国初创企业赫尔墨斯公司(Hermeus)在圣母涡轮机械实验室完成了涡轮冲压组合循环发动机地面模态转换试验,这标志着涡轮机组合循环(TBCC)发动机模态转换关键技术取得了阶段性重大突破,同时也意味着赫尔墨斯公司全力打造的全球最快、首个使用TBCC发动机、可重复使用的高超声速飞机“夸特马”(Quarterhorse)距离首飞又进一步。赫尔墨斯公司也成为全球首家完成TBCC发动机模态转换的商业公司。

高超声速飞机变几何进气道控制研究

为保证高超声速飞机在低马赫数下的气动特性,开展高超声速飞机变几何进气道控制研究。可移动唇罩式变几何进气道高超声速飞机是指飞机推进系统前段,设有一个能沿着来流方向前后平移的唇罩,从而实现飞机的最大气流捕获,以提高推进系统的性能。在分析变几何进气道工作原理的基础上,建立采用组合动力推进系统的高超声速飞机的纵向模型,进而提出多模型切换控制策略与可行的控制方法。仿真结果表明,采用了变几何进气道技术的高超声速飞机,相比于固定进气道,在低马赫数时需要的燃料当量比更小,保证了高超声速飞机在低马赫数下的气动特性。

高超声速飞机动力需求探讨

近年来,随着高超声速技术的长足进步,特别是在超燃冲压技术逐渐面向工程化的背景下,关于高超声速飞机及其动力系统的讨论也频繁出现。为了在宽速域条件下工作,基于不同热力循环工作模式的组合动力系统相继被提出,高超声速飞机的动力发展形式出现了百花齐放、百家争鸣的局面,也对高超声速飞机动力系统的选型提出了巨大挑战。通过对飞机发展史及高超声速相关发展技术的综述,阐述了现阶段组合动力是高超声速飞机动力主要发展方向这一结论,针对高超声速飞机需求,梳理和分析了几种高超声速组合动力系统的工作原理、工作特性及优缺点,并展望了采用组合动力系统对未来高超声速飞机研究带来的挑战。随着飞行速度的提高,高超声速飞机和动力系统的一体化势在必行。

组合动力高超声速飞机飞行任务剖面设计方法

组合动力高超声速飞机具有飞行范围大及多动力模态的特点,其飞行任务剖面设计所考虑的要素不同于Ma<2的飞机。针对组合动力高超声速飞机的飞行特点,提炼飞行任务剖面的设计要素;建立多任务段的性能指标,结合多动力模态特点,设计基本任务剖面。在此基础上,建立满足飞行性能要求的参考气动/动力匹配模型,进而提出组合动力高超声速飞机的飞行任务剖面设计方法。结合SR-72气动数据构建飞机参考构型,并据此分析其气动/动力匹配关系。所提方法能够满足组合动力高超声速飞机总体设计的性能、气动和动力的递进设计需求。

美国空军SBIR/STTR计划透露高超声速飞机若干指标构想

美国空军在高超声速飞机方面积累了丰富的科研成果,但却极少公开披露此类装备的指标信息。利用开源情报的途径,通过深入挖掘美国空军最新发布的相关科研计划文件,归纳分析了美国空军对高超声速飞机若干指标的构想,并进一步分析了相关作战任务定位和关键机载系统的特点。

NASA启动高超声速飞机研究

2021年2月,美国国家航空航天局(NASA)向通用电气公司和Aerion超声速公司授出了两个高超声速飞机技术研究合同。介绍和梳理了两个合同的研究重点及承研单位的技术基础。简述了NASA前期针对高超声速飞机开展的相关研究工作。重点分析了高超声速飞机在美国的战略定位以及美国高超声速飞机的发展态势。分析表明,美国已将高超声速飞机发展列入高超声速现代化战略,已形成了分阶段、渐进式发展路线,并逐步实施了从分系统到飞机的验证项目。

高超声速飞机电子设备舱热模型构建与仿真计算

高超声速飞机电子设备舱的温度场分析需要考虑外部气动加热、舱体热防护系统导热、内部热控系统传热,这三者之间相互影响,热耦合性强。目前对飞机电子设备舱的热分析研究尚没有针对这种热耦合的有效解耦算法。文中针对隔热型热防护系统和以液氮为热沉的相变热控系统为研究对象,建立了电子设备舱隔热层、电子设备、舱内温度场、液氮相变等热力学模型,实现热的解耦计算。完成了高超声速飞机电子设备舱温度计算,并开展了数值模拟方法与该方法的对比分析,表明该方法有效解决了气动加热、舱体热防护系统导热、内部热控系统传热三者间的热耦合计算问题,而且计算速度快、计算精度较高,可以满足概念设计阶段需要。

美军高超声速飞机组合动力技术进展分析

从美国空军研究实验室完成大推力超燃冲压发动机地面试验这一重要动向出发,分析了国外高超声速飞机组合动力的主要技术路线,认为美军在高超声速飞机动力上将长期坚持涡轮基冲压组合发动机的技术路线;而欧盟和日本等针对高超声速民用飞机需求,正在多方案探索动力技术。深入分析了涡轮基冲压组合发动机涉及的关键技术问题。概述了美军涡轮基冲压组合发动机技术研究进展情况。分析认为,动力是发展高超声速飞机所面临的首要瓶颈,尺寸放大对于动力系统而言面临巨大的技术跨度。

波音发布高超声速飞机概念

今年以来,波音公司陆续发布了侦察/打击型和载客型的高超声速飞机概念,引发人们对高超声速飞机及动力技术发展的关注。出于保密的原因,波音公司没有透露更多的细节,只表示高超声速飞机的涡轮基冲压组合发动机(TBCC)技术已取得了相应的进展,为下一步开展技术验证铺平了道路。

吸气式高超声速飞行器机体/推进一体化设计技术研究进展及分类对比分析

为了探索吸气式高超声速飞行器机体/推进一体化设计技术新理念,按照高超声速飞机和SSTO/TSTO分类对其一体化设计技术主要研究进展进行了对比分析,结果表明:高超声速弹用一体化设计技术采用将进气道直接作为前体的方案较多;高超声速飞机一体化设计技术需重点兼顾宽速域整体气动性能;SSTO/TSTO一体化设计技术则由于火箭发动机的引入在一定程度上改善了其对一体化设计的具体需求;同时,近年来高超声速内/外流"弱干涉"和"无干涉"等新型一体化设计技术已逐渐成为一个重要发展方向。对背负式进气的内/外流"无干涉"一体化和常规腹部进气的前体预压缩内/外流"强干涉"一体化方案开展初步对比,研究表明"无干涉"一体化方案升阻比等气动性能更优,同时整体气动特性对飞行条件变化不敏感,具有更好的宽速域适应性,值得进行深入研究。

高超声速作战平台概述

目前高超声速作战平台主要包括三种:高超声速飞机平台、高超声速巡航导弹平台、和空天飞行器入轨推进平台。本文介绍了高超声速作战平台的典型作战样式,结合"航空航天倡议"(NAI)对高超声速技术发展路线进行了分析。

2022年国外高超声速领域发展研究

为研究国外高超声速领域发展现状,系统地梳理和分析了2022年世界主要国家在高超声速领域的重要发展动向。通过综合分析国外官方机构和权威网站报道、战略规划文件及预算投资文件等信息,从战略规划、预算投入、装备研制、技术进展、作战能力、试验能力、工业能力、基础/应用研究等多维度,梳理了美国、俄罗斯、英国、日本、朝鲜、澳大利亚、加拿大、瑞士等国家2022年在高超声速领域的重大进展及发展态势。2022年,国外高超声速导弹发展势头强劲,高超声速飞机概念布局广泛,高超声速试验技术持续发展创新,高超声速工业基础不断夯实,高超声速技术发展整体持续加速。

2018年度国外高超声速飞行器发展动向

总结并回顾了国外主要国家在高超声速飞行器装备和技术领域的重大发展动向,认为国外高超声速飞行器发展呈现出"加速转化"和"加速分化"的总体态势。分别综述了美国、俄罗斯、欧洲、日本等国家和地区2018年度在高超声速导弹、高超声速飞机和航天运载飞行器三个方向上的主要进展。