关于飞行器折叠翼舵结构的动力学建模与模态

摘要 文章通过建立合理的折叠翼舵结构模型进行动力学分析，改进结构减小振动危害和提高飞行器的安全性。首先，通过梳理相关资料更深入地了解飞行器折叠翼舵结构，在此基础上对飞行器折叠翼舵结构进行了动力学建模；然后从总设计流程、关键设计技术两个方面进行了分析；最后，对强度和刚度计算结果进行了分析，进一步了解折叠翼舵结构的优势，为后续折叠翼舵结构动力学分析奠定基础。

关键词 飞行器；折叠翼舵结构；动力学；建模

中图分类号 V214 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）22-0013-03

0 引言

在科技的不断发展进步下，有关飞行器方面的技术也在进步，再加上现代社会中对于设计的要求越来越高，使得飞行器方面的技术也随之不断改进。就飞行器翼舵结构来说，一般情况下均有一个固有的频率和模型，后期进行改变会有一定的难度，固有的模型会占据较大的存放空间。在此情况下，如果能够对飞行器翼舵结构进行改良设计，可以达到优化效果，以缩小存放空间。出于这样的考虑，该文进行飞行器折叠翼舵结构的设计，以达到既节省空间，又能够保证飞行器安全飞行的目的。为此，该文进行了飞行器折叠翼舵结构的动力学建模与模态的相关分析。

1 飞行器折叠翼舵结构简介

折叠翼舵结构允许气动面的折叠，并设有锁定机制以固定其展开或折叠状态。在现代科技的发展下，折叠翼舵结构应用的领域也越来越广泛，如各种飞行器、卫星太阳帆板展开机构、火箭级间分离机构、导弹折叠弹翼机构等，具体在各种战术导弹中，如地空导弹、地地导弹等都有折叠翼舵结构[1]。折叠翼舵结构设计旨在节省空间，但需要考虑其在飞行中的稳定性问题。为解决这一问题，该文需要进行模态分析，以更准确地预测飞行器的运动状态，从而确保飞行安全，更大程度地提高飞行器的飞行安全[2]。

2 飞行器折叠翼舵结构的动力学建模

2.1 总设计流程

折叠翼舵系统作为一套多功能系统，涉及的专业领域十分广泛，因此其总体设计流程是多学科耦合设计的过程，具体流程如图1所示。

2.1.1 折叠展开和解锁/锁紧机构设计路线

（1）立足于飞行剖面，分析全程稳定飞行控制的能力需求。

（2）结合掌握的控制力需求，针对性地完成翼/舵面外形的尺寸设计。

（3）翼/舵的折叠展开方向本质上取决于发射平台的空间包络、翼/舵面外形尺寸等。

（4）深入分析不同折叠展开方向条件下的动翼/舵面载荷特性，为折叠展开方向设计提供有价值的参考。

（5）分析无控过程的气动特性。

（6）在分析初始起控特性前，应率先完成无控过程的气动特性和运动参数的分析，以完成时序的科学设计，精准把握折叠翼/舵展开的时间要求。

（7）掌握以上所有情况后，进行机构运动和设计折叠展开，以及解锁/锁紧机构的仿真分析。

（8）推敲并确定设计方案，最后对解锁、展开、锁紧进行试验。

2.1.2 翼/舵面结构设计路线

（1）立足飞行剖面完成飞行热环境分析。

（2）掌握翼/舵面的热环境，并分析翼/舵面三维传热。

（3）分析翼/舵面传热后酌情选择翼/舵面的防热形式与材料。

（4）基于以上状况，完成翼/舵面的结构设计、结构强度和刚度的仿真分析，对气动弹性也要进行仿真分析，前提是率先完成之前几项操作。

（5）严格按照设计方案完成联合试验，包含静热、热力、静力等。

2.1.3 迭代设计过程

完成设计、分析、优化和试验后，掌握结果。如果结果符合要求，则接着进行气动、气控特性的深入详尽分析，形成闭环设计[3]。

2.2 关键设计技术

立足高速飞行器折叠翼/舵在工作时序中历经的三个阶段，将总体设计中的重要技术进行归纳：展开过程气动载荷设计、折叠展开和解锁/锁紧机构设计、翼/舵面结构设计。

高速飞行器折叠翼/舵设计的关键点包括以下几个方面：

（1）气动载荷分析：研究展开时的气动影响。

（2）机构设计：研发折叠、解锁/锁紧机构。

（3）结构设计：优化翼/舵面的结构，以确保强度和刚度。

2.2.1 展开过程气动载荷设计

在折叠翼舵结构的设计中，展开过程气动载荷设计是一项至关重要的技术。这一设计过程涉及翼舵面在展开过程中受到的各种气动力的分析和计算，包括但不限于空气阻力、升力、侧力等。

首先，需要根据飞行器的飞行剖面，分析翼舵面在展开过程中可能遇到的各种气流条件，包括风速、风向、空气密度等。第二，基于这些气流条件，通过气动力学原理，计算翼舵面在展开过程中受到的各种气动力。这些计算结果的准确性直接影响翼舵面结构设计的合理性和安全性。如果计算结果不准确，可能会导致翼舵面在展开过程中受到过大的气动载荷，从而引发结构破坏或飞行器失控等严重后果。

因此，在展开过程的气动载荷设计中，需要采用先进的计算方法和工具，如CFD（计算流体力学）仿真软件，以精确模拟翼舵面在展开过程中的气流场和气动载荷分布。同时，还需要结合试验数据，对计算结果进行验证和修正，以确保设计的准确性和可靠性。总体来说，展开过程的气动载荷设计是飞行器折叠翼舵结构设计中的一项关键技术，需要通过精确的气动力学分析和计算，为翼舵面结构设计提供合理的气动载荷输入，从而保证飞行器的安全飞行和性能稳定。

2.2.2 折叠展开和解锁/锁紧机构设计

在折叠翼/舵的解锁、展开和锁紧过程中，气动力和摩擦力相互作用，这需要驱动机构具备合理的动力，确保动翼/舵能在预定时间内平稳展开，同时尽量减小对定翼/舵的冲击。因此，常采用扭簧等弹性元件或火工装置（如小过载火工作动筒）实现这一目标。火工装置中包含多项设计参数，如燃气压力、作动行程、工作时间等，尽可能在固定结构空间中降低冲击过载，将火工装置对翼/舵的影响降到最低[6]。

2.2.3 翼/舵面结构设计

热防护设计和结构优化包含在翼/舵面的结构设计中，结合数据来看，飞行器速度与翼/舵承受的温度密切相关，速度为Ma5时承受的温度为650～750℃，速度为Ma8时承受的温度高于1 200℃，因此应对处于力热耦合环境下的折叠翼/舵采取针对性的热防护方案。对于热防护方案，应从多个视角入手完成综合评比，确保选取的方案最佳，涉及的评比内容包括结构重量、占用空间、工艺技术、经济成本等，以保证间隙热密封和不同材料间的热匹配，进而保证大面积和局部热防护的热匹配。与此同时，还应确保重量或力学特性等指标最优的结构优化，一切均建立在遵循各项约束条件的前提下，陆续开展联合试验活动，联合对象包括折叠翼/舵静力试验、静热、热力等，从而完成飞行器环境适应性的评估[7]。

2.3 工作原理

折叠舵操作步骤如下：

（1）销轴顶住解锁销，实现初始锁紧。

（2）接收解锁信号，销轴解脱，退出并收回，完成初始解锁。

（3）动舵转动，板簧势能释放，解锁销向下运动，开始折叠展开。

（4）动舵与定舵接近时，滑锁与动舵楔形齿面逐渐啮合，锁紧销与凹槽也开始啮合。动舵与定舵碰撞产生挤压，最终完成到位锁紧。

3 强度和刚度计算结果

通过分析折叠舵载荷的传递路径便可获悉，考核关键点集中在不同部位静强度和刚度的考核上，包括定/动舵连接处、轴向滑锁、法向锁紧销等。表1展示的是折叠舵的最大应力、应变及最大位移。

从表1中可以得知，在顺时针的载荷作用下，定/动舵面的应力集中主要发生在定舵与滑锁#1连接的凹槽处，应力值高达1 041 MPa，但仍小于该区域材料的屈服强度；最大等效塑性应变也位于同一位置，达到1.076%，不超出材料在该温度下的延伸率；折叠舵的最大位移为1.06 mm，发生在舵梢的前缘。

在动舵与滑锁#1连接处的齿槽，当施加逆时针集中载荷时，定/动舵面的最大应力达到995.8 MPa，但仍小于材料在该温度下的屈服强度。同时，最大等效塑性应变也位于同一区域，最大值为1.194%，未超过材料的延伸率。此外，折叠舵的最大位移发生在舵梢的前缘，最大位移为0.93 mm。

顺时针加载时，轴向锁紧机构在滑锁#1和定舵连接的凸键处出现最大应力，达到1 027 MPa，未超过材料屈服强度。此处的最大等效塑性应变约为0，表明未发生屈服。法向锁紧机构的最大应力位于锁紧销与动舵凹槽连接的上端，为555.9 MPa，小于材料屈服强度。最大等效塑性应变为0，显示未进入屈服状态。

逆时针加载时，轴向机构最大应力为1 017 MPa，发生在滑锁#1和定舵凸键，未超过屈服强度，无塑性变形。法向机构最大应力为777.4 MPa，出现在锁紧销和定舵凹槽斜面，未达到屈服强度，无塑性变形。

4 结语

在高速飞行器发展领域，折叠翼舵的设计技术一直是外界关注、讨论的焦点，它的价值主要体现在飞行器技术指标提升、满足飞行器功能性要求两方面，具有不可小觑的发展前景，但其发展得越来越复杂将是必然趋势。有关高速飞行器折叠翼舵设计技术的研究将会持续落实、推进，未来研究重点将涉及兼具折叠展开、解锁锁紧功能等方面，研究成果也会逐步丰富起来，研究应侧重交叉、多视角和多学科，以加快其在工程中的有效应用进程。

参考文献

[1]陈克，金玲，徐倩，等.基于高温合金的高速飞行器折叠舵结构设计与研究[J].航空兵器，2022（6）：71-77.

[2]张韵佳，张浩杰，崔志成.飞行器折叠翼舵结构的动力学建模与模态分析[J].成都信息工程大学学报，2022（2）：131-137.

[3]陈克，金玲，雷豹，等.高速飞行器折叠翼/舵设计技术与进展研究[J].强度与环境，2022（1）：53-59.