基于升力体环流控制技术的改良气动模型

韩思琦

摘 要：基于升力体环流控制技术的改良气动模型，气动舵面及其后续升级就一直与飞行器的迭代密切相关，升力体环流控制技术则是对传统气动舵面的全面革新，在不大幅增加对核心机功率要求，不采用推力矢量的情况下，能实现飞行器机动性和可操纵性的跨步式提升。目前，新的多用途、多功能。隐身性的飞行器的研制，已经成为现在世界各个国家军事的研究和发展的方向和重点。隐身的功能在军事空军上有巨大的潜力，隐身技术即将成为各个国家军队竞相于高科技武器的装备上的核心技术。就目前升力体环流控制技术改良模型的基本架构，升力体环流控制技术的组成，升力体环流控制技术方面做出详细阐述。

关键词：升力体环流控制；核心机；气动模型

中图分类号：TG76 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）19-0088-03

1 前言

自从大气层内飞行器被大规模工程应用，气动舵面及其后续升级就一直与飞行器的迭代密切相关，但基于翼端压力载荷差动的传统气动舵面在“逃逸层、超低空”与“附面层解耦”时——即飞行包线的两个极端上存在的舵效差、效率低、可靠性不足等问题日趋突显，限制了飞行器任务包线的外拓与气动效率的提升[1]。因此界内产生了“机械偏转量”与“改良气动操纵”的两种思想。其中前者以沃尔夫冈的折流板设计和NASA的X-31验证机为先导，并拥有F110、F135系列矢量高推比涡扇装机的成就；后者则渗透入新型机设计的各领域，包括采用非常规翼形、边条翼与鸭翼的气动机提升、翼身融合模型等，尤以F104“星式”的“附面层操纵”为引领者。而本文所论述的升力体环流控制技术则是对传统气动舵面的全面革新，在不采用推力矢量，不大幅增加对核心机功率要求的情况下，能实现飞行器的机动性和可操控性的跨步式提高。

2 关于升力体环流控制技术改良模型的基本架构

在改良模型设计中应熟悉了解架构的总体的尺寸设计，发动外形的整体布局设计，在飞行力学中的具体性能的设计，核心机的选择上的设计，对模型机设备的整体布置的重量分布设置以及对改良的传统气动舵面的设计。在结构设计中，要注重整体结构受力形式选择、受力组成构件的分布、开口的分布、分离面和所连接样式的设计。完成好整体的设计设计出适合的，满足要求的机体结构。要注重各个构件之间和构件与内部装载间的形状协调、位置。

其改良模型的基本架构包括遥控器、飞控、电调、电机、机架、正反桨叶、电池、GPS、夜航灯和防撞圈等。其中遥控器是向飞控发出信号实现飞；飞控是核心，它是飞行器的大脑，来保持自身稳定飞行，接收遥控器发出的信号，并将信号传输给电调来告诉它将如何飞行；电调是飞控的控制信号，其转变成电流的大小，来控制电机的转速。其中包括动力装置、机翼、机身、起落装置尾翼组成。动力装置是在动力装置上，主要用来产生力量，其包括拉力和推力，使模型机前进。其次还可为机身上的其他用储存电量的装置[2]。现在飞机动力装置应用较广泛的有：航空活塞式发動机加螺旋桨推进器、涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮风扇发动机。除了发动机本身，动力装置还包括一系列保证发动机正常工作的系统。机翼的主要功用是产生升力，以支持飞机在空中飞行，同时也起到一定的稳定和操作作用。在机翼上一般安装有副翼和襟翼，进行对副翼的操作可以使机身实现滚动操作襟翼可以提升升力，加大升力。在机翼上还可安装核心机，起落时用的架子。在不同用途的飞行机上其机翼形状、大小也各有不同。机身的主要主要用处是能承载东西，其中包括乘客，物品，和一些设备，可以将飞机的其他部件如连接成一个整体。起落装置是飞机的起落架大都由减震支柱和机轮组成，功能是能实现平稳起飞，平稳下降，安全着地和滑翔，地面滑行和停放时支撑飞机。尾翼包括水平和垂直尾翼。水平尾翼由固定的水平安定面和可动的升降舵组成，有的高速飞机将水平安定面和升降舵合为一体成为全动平尾。垂直尾翼中包括固定翼尾垂直的和能动性的装置。尾翼的作用是操纵机身的视角和偏俯度，进而能确保机身能平稳地飞行。

3 关于升力体环流控制/补偿技术

3.1 采用升力体环流控制技术的作用

在采用升力体环流技术的同时，会带来很多便利之处和增强性能提高上的作用。它能提升人造升力体的航向控制能力与头部指向性能，能减少控制机构的结构死重，能提高流体附层的简洁度，能全面降低升力体的多方向电磁反射性能，提高雷性隐身性能，并能配合其它技术，提高系统集成度，提高控制机构的可靠性等。综合以上在采用升力体环流技术性能提高上的作用做出以下五部分详细的说明。

3.1.1 提升人造升力体的航向控制能力与头部指向性能

采用升力体环流控制技术在航向控制能力上会比不采用的更具有灵活性和能动性，在飞控的时间能更好的控制其方位，能行之有效的减少飞行器的意外碰触事件发生[3]。在其航向控制能力的前提下，在头部指向性能上的提高也会更加明显，在控制了方位的同时能使飞行的位置更加精准，提高了飞行的效率也避免了一些其他事故的发生。

3.1.2 减少控制机构的结构死重

采用升力体环流控制技术，可增强飞行器的机动性和灵敏性，进而减少控制机构的结构死重现象的发生。机构觉得结构死重现象会给飞行器带来很大的弊端，最严重的情况下会使飞行器死机，直接在空中掉落，此技术的采用会使飞行器在未来的发展中实现质的跨越。

3.1.3 有助于提高流体附层的简洁度，优化气动性能

采用升力体环流控制技术能使飞行器在飞行状态下所受的阻力会有所减少，升力会有所提高，力的方向会更准确，力的大小会加大，其自身飞行的稳定性会有所提高，有利于使涡系更加稳定，推迟了涡的破裂，提升了很好的涡升力。并且有助于提高流体附层的简洁度进而提高飞行的速度和效率。

3.1.4 全面降低升力体的多方向电磁反射性能，提升雷达隐身性能

采用升力体环流控制技术提高其雷达隐身技术，并在隐身性能、生存能力、自我分析能力上加速提高。多方向的电磁反射性能，其雷达的反射面积越大，目标在雷达屏上的点就会越大，同样的同等的雷达就可以在更远的地方探测到这个目标反之就不能，隐身飞机就是通过促进雷达波的散射（比如说机身设计得光滑）或者折射（比如说棱角的机头，倾斜尾翼）等来降低飞机的雷达反射面积，从而达到电子隐身的目的，像F22的正面雷达截面约只有0。001平方米，普通L波段侦查雷达和X/C波段火控雷达根本无法侦测。目前，新一代多用途、多功能。隐身性的飞行器的研制，已经成为现在世界各个国家军事的研究和发展的方向和重点。隐身的功能在军事空军上有巨大的潜力，隐身技术即将成为各个国家军队竞相于高科技武器的装备上的核心技术[4]。

3.1.5 配合其它技术，提高系统集成度，提高控制机构的可靠性

采用升力体环流控制技术可以配合其气动模型和其他技术的相结合，进而提高整个气动模型的集成度，来提高控制机构的可靠性和实用性。

3.2 升力体环流控制技术的系统组成

升力体环流控制技术的基本原理是通过人为制造流体环流，以中压来干涉附面层，涡扇来制造可用压力差。

3.2.1 核心机

适用于大气层内飞行器时，动力源包括中压、涡扇、液体或固体火箭等，使用压力机与多级能阀和增压机。当适用于大气层内飞行时，动力源包括电动机、热力轮机或专用气源，采用低压工质泵与高压泵。核心机提供的力有两部分构成，一部分是涡喷直接提供的力涡喷力，另一部分是涡轮驱动风扇提的力涡扇力。这两部分力占的比值决定了核心机的基本构造，也就是说这涡轮是要把力分配给风扇还是直接喷出去，这也是涡扇核心机区别和比涡喷发动机更复杂的原因，涡扇力（涡轮驱动风扇力）和涡喷力的比值决定了涵道比，这两个力的比值不同决定了涡扇发动机的最根本设计，由核心机的涡轮驱动风扇力和涡喷力比值可以看出太行系列的核心机技术很前沿，已经为环流控制技术奠定了动力基础。

3.2.2 舵效喷口

替代传统的水平舵、垂直舵、副翼、襟翼等舵面的作用。具有可调流量、流速，可调矢量的功能，也是该系统的关键部位。对材料提出高比模量、高可塑性的要求，对实际工艺提出批量生产异性多元喷管的要求。发动机推力方向都和飞机前进方向一致[5]。前边是尾翼配平。只有尾翼产生抬头力矩。尾翼面积小，偏转角度大。后边是矢量配平。整个机身、机翼都產生抬头矢量。偏转角度小。矢量配平，机身、机翼、尾翼都在一个相对平整的流场中，所以阻力小一些。尾翼配平，尾翼和机身、主翼有偏转角，在流场中产生扰乱，阻力增大。另外，尾翼已经有了较大偏转角度，很难再增加偏转角度使飞行器抬头机动。起飞时，其升力风扇上部和下部的排风口打开，矢量喷口向下，发动机运转输出动力，两个向下的力升起飞机；达到一定高度后，矢量喷口恢复正常位置，机头抬起一定角度，升力风扇排风口关闭，切断动力攻击，喷气发动机全推力，利用其大于1的推重比，推起飞机完成水平方向的加速和飞行。

3.2.3 （前缘）干涉喷口

替代传统的前缘机动襟翼，甚至部分取代近距离耦合鸭翼的干涉功能的作用。技术要求低于舵效喷口，只需具有可调流量的功能。喷口的工作原理是发动机前装有空气压缩机，在压缩机转子有叶片，在核心机发动之后，压缩机会吸入外部的空气而进行旋转，在外界的空气被吸进来以后，这事压缩机就会实现一点点的往后压缩，会使被吸入的气体的浓度增大，当然其中的压力也会随之增加，当压缩机实现最后一次的压缩时，这时气体的压力就会达到最大值。涡轮轴上装涡轮盘，涡轮盘周圈装满叶片，会通过涡轮旋转再一点点向后压，压缩机就会实现一点点的往后压缩，会使被吸入的气体的浓度增大，最后，通过尾部喷口喷出。产生反作用力，使飞机向前飞。

3.2.4 基于任务计算机的飞、推、（火）一体操作的系统

备份有三余度液压应急操纵系统。如果发生应急情况（如安全协议外的操作，或飞控系统损坏）而增加飞行器中数据处理的负担，这时会通过对液压电动泵进行控制的形式，进而尽可能地减少液体压出现的一系列的问题和故障，从而减轻飞行器中处理的困难[6]。当减少了困难的情况下，会使机身更具有灵敏性和高效性的发展。进而实现任务计算机的飞，推、（火）一体操作的整个过程。

3.2.5 前缘进气口

如果采用喷气式发动机，可以与热机进气口整合，具体建议在低压涡轮后并联管路，若无高涵道比进气口或者不具有外涵道，应选装预增压风扇、二级压机、低压涡轮。当空气流过机身时，在离机身很近的地方受摩擦影响，流速减慢，气流紊乱，尤其是离机身表面几毫米甚至几厘米以内的地方，称“附面层”。如果附面层中的不稳定气流进入发动机，会扰乱发动机内的流场，使之工作不稳定。而前缘进气口可以使飞行器更具有稳定性，灵敏性和可操作性。

4 结语

基于升力体环流控制技术的改良气动模型中，所才能用的技术运用到实际民事生活和军事生活，将会是这方面很大的进步和质的跨越，将会提高国家军事上的能力。其中该技术中升力体环流控制技术在应用于气动模型涡轮中，推进了该模型的每一个其组成的部件，其中可以用来改善气动和热力性能，如果以后的发动机能采用升力体环流控制的技术，就可能会提高气动模型飞行器的性能，并能减轻其重量[7]。升力体环流控制技术是对传统气动舵面的全面革新，在不采用推力矢量，不大幅增加对核心机功率要求的情况下，实现飞行器机动性、可操纵性的跨代式提升。目前国内研究升力体环流控制技术的改良气动模型距离国外的水平还有一定的差距，要综合考虑到其在民用生活的领域和在军事上的重要性，我们国家要加大这方面的研究和投入加各个方面力量的投入，鼓励和支持该技术的发展，将该技术发展到成熟并能应用到实际的领域。新一代多用途、多功能。隐身性的飞行器的研制，已经成为现在世界各个国家军事的研究和发展的方向和重点。隐身的功能在军事空军上有巨大的潜力，隐身技术即将成为各个国家军队竞相于高科技武器的装备上的核心技术。

参考文献

[1]杨晓峰，郑琼林.基于MMC环流模型的通用环流抑制策略[J].中国电机工程学报，2012，32（18）：59-65.

[2]孙丽娜，毕庆.基于改进模型的气动肌肉神经网络串级控制[J].机床与液压，2018，46（7）：82-85.

[3]年珊珊.基于气动比例技术的加载控制系统的设计[D].中国计量学院，2014，37（22）：264.

[4]杨雷，白国振，朱灵康.一种基于气动加载系统的控制器设计[J].电子科技，2017，30（8）：44-47.

[5]张兴辉，武宏波，王朝亮.基于自抗扰控制技术的MMC环流抑制器[J].电力建设，2014，35（11）：97-101.

[6]郭鹏，何志兴，罗安，等.基于多步模型预测控制的模块化多电平换流器环流控制策略[J].电力系统自动化，2017，41（16）：9.

[7]林环城，王志新，史莉，等.基于分层控制的模块化多电平变流器模型预测控制方法[J].高电压技术，2016，42（1）：143-152.