一种跨速域变体飞行器

本发明涉及飞行器，特别是涉及一种跨速域变体飞行器。

背景技术：

1、现代航空飞行器的发展源于对鸟类飞行方式的仿生学研究，依据鸟类滑翔时的翅膀姿态及其剖面形态，设计出可适应于不同飞行状态的各类飞行器。然而，无论是固定翼飞行器还是旋翼飞行器，在其飞行过程中，其气动布局并不发生较大变化，因此，一种飞行器通常只有一种巡航模式，无法实现跨速域高效飞行。而鸟类可以根据不同的飞行状态以调节自身的形状姿态来获得最优的飞行性能，实现了效率和性能的完美平衡。因此，基于鸟类变体飞行的仿生学研究，设计并研究可通过改变自身气动外形来适应不同速域飞行的跨速域变体飞行器，为未来航空飞行器的发展提供设计思路和理论基础，具有重要的学术意义和工程价值。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种跨速域变体飞行器，以解决上述现有技术存在的问题，通过改变飞行器自身气动外形，能够适应不同速域飞行。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种跨速域变体飞行器，包括采用翼身融合体结构的机身与机翼，所述机翼包括外翼和内翼，所述外翼的后掠角和内翼的折叠角均能够调节，从而使得飞行器能够呈现低速构型、高速构型以及介于低速构型和高速构型之间的多种中间构型以适应低速、亚声速、跨声速、超声速等多种来流条件。

4、可选的，机翼完全展开后，外翼的第二段后掠角能够处于最小位置，机翼投影面积以及展弦比均达到最大，从而使得飞行器能够适应低速飞行。

5、可选的，机翼变形过程中，内翼在变形机构的作用下能够绕着平行于机身轴线的转轴向上翻折增大机翼上反角，减小机翼投影面积及展弦比，外翼的第一段能够带动外翼的第二段向下翻折，维持升力，同时通过外翼的第一段和第二段间的变后掠角装置增大外翼第二段的后掠角，提升飞行器高速性能；机翼变形完毕后，内翼完全与机身侧壁贴合，全机机翼投影面积及展弦比达到最小。

6、在典型气动布局中，飞翼布局已经被用于具有隐身突防的远程轰炸机和一些无人攻击机上，他们都能在不经意间出现在敌人后方给予其最致命的打击。飞翼布局一大显著优点就是气动升力效率比其它布局高，这来自于两个方面：一是在飞翼布局中，机翼机身基本相融合，机身对升力也有贡献，而常规的机身升力很小；二是飞翼布局仅是单翼面，这避免了常规布局翼面间不利干扰产生的升力损失，因此机翼选择飞翼布局形式，翼型平面采用超音速双弧形对称翼型，机翼前缘后掠角变化范围为10～50°，展弦比变化范围为3.3～4.9，机翼参考面积变化范围为49.5～145.7m2，基于最大起飞重量的翼载荷变化范围为130.4～383.3kg/m2；

7、飞行器定常平飞时作直线匀速运动，由以下公式

8、

9、

10、得到飞行器平飞速度为

11、

12、其中，l—升力；g—飞行器重力；t—发动机推力；d—阻力；sref—飞行器参考面积，cl—升力系数；cd—阻力系数；保持飞行器构型阻力最小，当飞行器发动机推力达到最大时，平飞速度v也达到最大，即最大平飞速度vmax；保持飞行器构型升力最大，则飞行器的平飞速度达到最小，即最小平飞速度vmin，在不同高度下，飞行器最大平飞速度vmax和最小平飞速度vmin之间的可能平飞速度范围就成为了飞行器的速度包线；以上述依据，当飞行器起飞重量和发动机选定时，飞行器的平飞性能则由其气动力系数和参考面积确定，也就是飞行器的气动外形。

13、针对不同的飞行马赫数，起飞着陆及低速飞行时使用小后掠角、大展弦比；随着飞行速度的增大，增大飞行器后掠角，减小展弦比；当飞行速度达到亚音速时，后掠角进一步加大；当飞行速度达到超音速后，采用大长细比机身和三角翼。

14、在飞行器低速飞行时，机翼完全展开，外翼第二段后掠角处于最小位置，此时机翼投影面积以及展弦比均达到最大；当飞行速度增大时，飞行器内翼在变形机构的作用下绕着平行于机身轴线的转轴向上翻折增大机翼上反角，减小机翼投影面积及展弦比，外翼第一段带动外翼第二段向下翻折，维持升力，同时通过外翼第一段、外翼第二段间的变后掠角装置增大外翼第二段的后掠角，提升飞行器高速性能；当变形完毕，内翼完全与机身侧壁贴合，不再提供升力，全机机翼面积及展弦比达到最小，进入高速变形状态。

15、外翼机翼相对厚度分布为机翼最大厚度3.375％，位于50％弦长处，采用这一翼型的一大不足就是该翼型属于尖前缘，容易发生分离，低速性能不好，飞行器在低速飞行也要使用，会造成一定的性能损失。在本文中，要兼顾飞行器的低、高速性能，就必须做出一些妥协，在此先选用该翼型作为初选方案，可以根据后期计算结果再返回进行调整。此外，随着对自适应柔性变形机翼研究的深入，未来也可以考虑将该技术加入到变体飞行器上来，这就可以避免类似的选择妥协，进一步提高飞行器的适应性。

16、对于内翼翼根翼型的选择，考虑到内翼在超音速飞行时与机身贴合并不提供升力，且在其内部要布置机翼变形时所需的驱动器和转轴，故相对厚度不用太小，然而为减小其翻折后对周围流场的干扰，也不宜采用相对厚度过大的翼型。本发明中，内翼翼根采用应用较为广泛的naca63a006翼型。

17、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

18、本发明根据新型变体飞行器所需具备的跨速域(马赫数0.3-3.0)飞行性能指标要求，从飞行器气动布局设计的角度出发，提出了一种全新的跨速域变体飞行器气动布局及变形设计方案，设计方案包括适应于来流马赫数为0.3的低速构型和来流马赫数为3的高速构型，且可通过进一步调整飞行器外翼后掠角和内翼折叠角等变形参数使飞行器呈现介于低速构型与高速构型之间的多种中间构型以适应跨声速、超声速等多种来流条件，并基于此方案进一步运用计算流体力学的研究手段，计算了飞行器不同变形构型在跨速域飞行马赫数内的纵向气动特性。

技术特征：

1.一种跨速域变体飞行器，其特征在于：包括采用翼身融合体结构的机身与机翼，所述机翼包括外翼和内翼，所述外翼的后掠角和内翼的折叠角均能够调节，从而使得飞行器能够呈现低速构型、高速构型以及介于低速构型和高速构型之间的多种中间构型以适应低速、亚声速、跨声速、超声速等多种来流条件。

2.根据权利要求1所述的跨速域变体飞行器，其特征在于：机翼完全展开后，外翼的第二段后掠角能够处于最小位置，机翼投影面积以及展弦比均达到最大，从而使得飞行器能够适应低速飞行。

3.根据权利要求2所述的跨速域变体飞行器，其特征在于：机翼变形过程中，内翼在变形机构的作用下能够绕着平行于机身轴线的转轴向上翻折增大机翼上反角，减小机翼投影面积及展弦比，外翼的第一段能够带动外翼的第二段向下翻折，维持升力，同时通过外翼的第一段和第二段间的变后掠角装置增大外翼第二段的后掠角，提升飞行器高速性能；机翼变形完毕后，内翼完全与机身侧壁贴合，全机机翼投影面积及展弦比达到最小。

4.根据权利要求3所述的跨速域变体飞行器，其特征在于：机翼的后掠角变化范围为10～50°，展弦比变化范围为3.3～4.9。

5.根据权利要求1所述的跨速域变体飞行器，其特征在于：机翼采用超音速双弧形对称翼型；机翼相对厚度分布为机翼最大厚度3.375％，位于50％弦长处。

技术总结
本发明公开一种跨速域变体飞行器，涉及飞行器领域；包括采用翼身融合体设计结构的机身与机翼，所述机翼包括外翼和内翼，所述外翼的后掠角和内翼的折叠角均能够调节，从而使得飞行器能够呈现低速构型、高速构型以及介于低速构型和高速构型之间的多种中间构型以适应跨声速、超声速等多种来流条件。本发明提供的跨速域变体飞行器设计方法，通过改变飞行器自身气动外形，能够适应不同速域飞行。

技术研发人员：冯立好,王晋军,张加讯,李齐,刘亚光
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11