左林玄 尤明

摘要：本文介绍了高超声速飞行器气动布局分类，对钟形体布局、升力体布局、乘波体布局、翼身融合布局进行了分析说明，总结了高超声速飞行器气动布局的发展方向。从稳定性和操纵性的维度对高超声速飞行器的操稳特性进行了分析，重点分析了在纵向静稳定性、航向静稳定性、副翼操纵效率、方向舵操纵效率等方面，高超声速飞行器区别于传统飞机的特点。基于高超声速飞行器的操稳特性，给出了高超声速飞行器可行的升降舵、副翼、方向舵的使用策略。

关键词：高超声速飞行器；气动布局；操稳特性；乘波体布局；翼身融合布局

中图分类号：V221.3文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.11.006

基金项目：国家自然科学基金（61903349）

高超声速飞行器是指飞行高度在20～100km之间，速度超过马赫数5的快速新型飞行器[1]，高超声速飞行技术是继发明飞机实现飞行、突破声障实现超声速飞行后，航空航天史上又一项具有划时代意义的新技术。高超声速飞行器既包含以吸气式发动机为动力的飞行器，也包含无动力或采用其他推进方式的可重复使用运载器、再入飞行器等。高超声速技术涉及总体、气动、推进、结构、材料、热防护、控制等众多学科，对科技和工业的发展具有极大的带动作用。因此，世界各军事强国积极探索高超声速技术，按照近期目标为高超声速巡航导弹、中期目标为高超声速飞机、远期目标为空天飞机持续开展相关技术研究，包括美国的HyperX计划、HyFly计划、HyTech计划等，俄罗斯的“冷”计划、“鹰”计划等，法国的组合吸气式发动机计划（JAPHAR），英国的“云霄塔”等[2-6]。本文从高超声速飞行器气动布局与操稳特性角度出发，对典型的高超声速飞行器气动布局进行分析，并分别从稳定性、操纵性、机动性等方面对高超声速飞行器的操稳特性进行分析与评估。

1高超声速飞行器气动布局

1.1高超声速飞行器气动布局分类

高超声速飞行器气动布局可以分为：钟形体布局、升力体布局、乘波体布局和翼身融合布局[7-8]。

（1）钟形体布局

钟形体布局的特点是构型简单、技术成熟度高、进入过程减速特性好，主要用于航天员或航天货物的运输及再入返回。

美国火星探测的维京（Viking）任务、探路者（Pathfinder）任务以及近年最庞大的火星探测任务火星科学实验室（MSL）均采用钟形体布局[9-10]，其防热多具有较大的气动阻力，有利于着陆器减速，同时其俯仰静稳定度对轴向的敏感度较低。SpaceX公司的“龙”飞船（见图1）也采用钟形体布局，于2012年5月成功完成首飞试验，并于2020年5月30日载人发射成功[11]。

（2）升力体布局

升力体布局的特点是易获得高超声速机动飞行需要的大升阻比和稳定配平能力，并具有较高的容积率。美国X-37B飞行器（见图2）采用升力体布局，气动布局借鉴了航天飞机的成果，并采用低脊的圆形机身横截面，机身平面大而机翼小，在气动外形设计上具备了飞机的主要特征[12]。其他采用升力体布局的高超声速飞行器还包括X-33[13]、HTV-2[14]等。

（3）乘波体布局

乘波体布局的特点是在高超声速条件下具有高升力、低阻力、大升阻比特性，常与超燃冲压发动机相结合设计飞发一体化布局，已经成为高超声速巡航飞行器主要气动布局形式[15]。美国X-43A飞行器采用乘波体布局，首次实现了以超燃冲压发动机为动力的乘波体布局飞行器高马赫数自主飞行；X-51A飞行器（见图3）同样采用乘波体布局，共开展了4次飞行试验，并在第4次取得成功[16]。

（4）翼身融合布局

翼身融合布局的特点是具有较高的内部空间使用效率，机身为流线型，机翼与机身连接处较为平滑，机身两侧有脊线，三角翼的安装角小，获得较高的升力与较低的高速阻力。20世纪70年代，著名的超声速侦察机SR-71（见图4）是早期翼身融合布局的一个成功实现。2013年，美国开始研究新一代翼身融合布局的高超声速无人侦察机SR-72（见图5）[17]。

未来高超声速飞机的气动布局将向翼身融合布局的方向发展，而吸气式高超声速巡航飞行器或者高超声速导弹可能采用乘波体布局，由于此兩种布局在高超声速阶段具有相似的操稳特性，本文后续的操稳分析也重点针对此两种布局开展。

2高超声速飞行器稳定性分析

2.1纵向稳定性分析

2.1.1纵向静稳定性分析

纵向静稳定性指在平衡状态的基础上，飞行器受纵向瞬时干扰是否具有恢复到原来平衡状态的趋势。传统飞机一般采用迎角静稳定性进行纵向静稳定性分析，但是高超声速飞行器速度变化范围大，迎角静稳定性已经不能完全表征其纵向静稳定性，还需要考虑速度静稳定性。

纵向静稳定性可以用飞行器焦点与质心的相对关系来表征，表示为：

此时，升降舵偏转对纵向的静稳定性导数影响不会改变Cmα的符号，即飞行器本体的静稳定导数Cmα可以表征静稳定性导数；而当飞行器升降舵效率对迎角的偏导数相比于本体静稳定导数Cmα不可忽略，则在分析纵向静稳定性时必须考虑升降舵偏转的影响。图6和图7分别给出了传统飞机和高超声速飞行器不同升降舵偏转角下俯仰力矩系数随迎角的变化曲线。从图6可以看出，对于传统飞机，升降舵偏转对俯仰力矩的斜率没有影响，表示其静稳定性导数可以完全由静稳定导数Cmα表征。但是对于高超声速飞行器，焦点随着马赫数和舵面偏转变化范围很大，从图10可以看出，当迎角大于一定值时，升降舵的偏转会引起俯仰力矩系数斜率的改变，其影响不可忽视。

2.1.2纵向动稳定性分析

飞行器的纵向动稳定性是指飞行器在受到纵向扰动后到最终恢复的全过程特性。

高超声速飞行器的纵向运动状态包括速度V、迎角α、俯仰角θ、俯仰角速率q，一般其纵向运动的4个特征根是由两组共轭复根组成：其中一对复根实部的绝对值比较大，另一对复根实部的绝对值相对比较小，前者对应的运动称为短周期模态，后者对应的运动则称为长周期模态。高超声速飞行器的短周期模态主要体现在迎角和俯仰角速率的快速振荡，为方便分析，可将高超声速飞行器的速度和俯仰角看作常量，这样高超声速飞行器的纵向运动由4个自由度变成了二自由度的短周期运动，短周期的两个根可表示为：

当（Mq/V）Zα- Mα< 0时，式（5）根号内为正值，表明短周期运动的两个根有一个正的实根，表明高超声速飞行器是稳定的。由于（Mq/V）Zα值比较小，因此只要Mα为正值，即表明高超声速飞行器是稳定的。

而Mα= Cmα-qSc/Iy（-q为动压，S为参考面积，Iy为转动惯量），从图7中可以看出，如果是负的斜率，飞行器是稳定的。但是若是升降舵的效率太高，导致加上配平舵面后力矩斜率是正的，则原来的稳定性被抵消，飞行器是不稳定的。

2.2横航向稳定性分析

2.2.1横向静稳定性分析

横向静稳定性用静导数Clβ表示，若Clβ< 0，则表示横向静稳定。图8和图9分别是高超声速飞行器滚转力矩系数Cl在不同迎角下随马赫数的变化曲线图，图中变化曲线的斜率表示高超声速飞行器的横向静稳定导数Clβ。迎角和马赫数会影响高超声速飞行器的横向静稳定导数Clβ，从图8和图9可以看出，同一迎角下，马赫数越大，侧滑角产生的滚转力矩越小；相同马赫数下，迎角越大，侧滑角产生的滚转力矩越大。一般高超声速飞行器的Clβ都是负值，表示高超声速飞行器横向是静稳定的。

2.2.2航向静稳定性分析

航向静稳定性又称为风标稳定性，用静导数Cnβ表示，若Cnβ> 0，则表示航向静稳定。高超声速飞行器在高马赫数飞行时，若飞行迎角较大，其垂尾就会处于飞行器产生的扰流中，导致Cnβ较差，其航向静不稳定的区域就存在于其大迎角飞行时。图10和图11分别是高超声速飞行器偏航力矩系数Cn在不同迎角下随马赫数的变化曲线图，其斜率就是航向静稳定导数Cnβ。从图中可以看出，相同马赫数下随着迎角的增大Cnβ变差，相同迎角下随着马赫数的增大Cnβ变差。

2.2.3横航向动稳定性分析

高超声速飞行器在高空高速飞行阶段，动压比较低，螺旋模态频率很小，此时占主导地位的是滚转模态和荷兰滚模态。其中，荷兰滚模态可以用来描述高超声速飞行器的横航向的动稳定性。传统飞机的荷兰滚频率可以用Cnβ表征，但是当高超声速飞行器处于大迎角飞行状态时，Clβ对荷兰滚频率的影响不能忽略。因此，需要用Cnβ，dyn预测荷兰滚频率：

同时，由于高超声速飞行器的气动布局是细长体，滚转通道的转动惯量很小，导致其滚摆比很大，因此滚转运动在荷兰滚模态中占的比重比偏航运动大很多。图12是Clβ、Cnβ和Cnβ，dyn的比较曲线，从图中可以看出，虽然Clβ和Cnβ一直都为负值，但是在同一迎角下，Clβ的绝对值大于Cnβ的绝对值，且随着迎角增大，两者的差值越来越大，导致Cnβ，dyn一直为正值，且随着迎角增大越来越大，表明荷兰滚频率增大。

3高超声速飞行器操纵性分析

3.1纵向操纵性分析

对于高超声速飞行器来说，纵向操纵性主要考虑纵向配平能力和升降舵的操纵效率。其中，纵向配平能力主要是根据高超声速飞行器的飞行剖面，选取重要的飞行状态点进行纵向配平，考察整个飞行剖面内升降舵的配平能力是否足够。

升降舵的操縱效率指升降舵的偏转改变高超声速飞行器飞行状态的能力，其操纵性必须要满足全飞行范围内飞行控制系统的要求。从纵向操纵性的角度考虑，希望升降舵偏转后，高超声速飞行器的响应比较快，并且纵向操纵性能随高度和马赫数的变化比较小。

对于高超声速飞行器来说，单位升降舵舵面偏转产生的俯仰角加速度随着动压的增大而增大，飞行器的响应频率也随着动压的增大而增大。

3.2横航向操纵性分析

3.2.1副翼效率分析

副翼主要用于滚转操纵，对于高超声速飞行器来说，高马赫数下的副翼操纵效率足够，但是会带来航向失稳的问题，目前副翼操纵时的航向稳定性主要用LCDP来判断：

当LCDP < 0时，将导致航向不稳定。LCDP < 0主要有三个原因：一是航向不稳定或者稳定度不够；二是上反效应明显；三是Cnδa> 0。图13是LCDP随迎角和马赫数变化曲线图，从图中可以看出，在低马赫数时，LCDP为正值；在小迎角时，LCDP随着马赫数的增加，由正值逐渐变为负值；在高马赫数下，LCDP随着迎角的增加，由负值逐渐变为正值。当LCDP为负值时，操纵副翼会产生反操纵现象，为了增加航向稳定性，可以采用以下两种策略解决副翼的反操纵现象：采用侧滑角反馈或者增加副翼到方向舵的补偿。

3.2.2方向舵效率分析

高超声速飞行器方向舵的作用主要包括：增稳荷兰滚、绕速度轴滚转、协调转弯及特殊情况下用来进行滚转控制。

高超声速飞行器在高马赫数大迎角飞行状态进行滚转时，副翼和方向舵耦合严重，飞行器的迎角会转化为侧滑角，飞行迎角越大，对侧滑的作用也越大，侧滑角会产生一个与飞行器滚转方向相反的稳定力矩，直到飞行器的机体轴与速度轴重合。为了绕速度轴完成滚转，需要侧滑角保持为零，此时高超声速飞行器利用副翼操纵完成滚转角偏转，利用方向舵操纵抑制滚转带来的侧滑。

高超声速飞行器方向舵引起的滚转力矩系数随迎角和马赫数的变化曲线如图14所示，从图中可以看出，由于高超声速飞行器的滚摆比很大，导致在荷兰滚模态中滚转占优势，在高马赫数飞行时，方向舵偏转引起的滚转力矩较小，不能用于增稳荷兰滚；随着马赫数降低，方向舵的效率提高，方向舵偏转引起的滚转力矩逐渐增大，此时方向舵可以用于增稳荷兰滚。

4结束语

本文详细总结了高超声速飞行器的气动布局分类，并指出未来高超声速飞行器的布局将向翼身融合布局和乘波体布局两个方向发展；从稳定性和操纵性等维度分析了高超声速飞行器的操稳特性，并给出可行的升降舵、副翼、方向舵的使用策略。

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作者简介

左林玄（1981-）男，博士，研究员。主要研究方向：飞机总体设计、气动力设计。

Tel：13516004762E-mail：Zuolinxuan_601@sina.com尤明（1988-）男，博士，高级工程师。主要研究方向：操稳分析与控制律设计。

Tel：18940218582E-mail：mywbdl@tju.edu.cn

Research on Aerodynamic Configuration，Stability and Control Characteristics of Hypersonic Vehicle

Zuo Linxuan*，You Ming

AVIC Shenyang Aircraft Design and Research Institute，Shenyang 110035，China

Abstract： This paper introduces the classification of aerodynamic configuration of hypersonic vehicle， analyzes the configuration of clock form configuration， lift body configuration， waverider configuration and blended wing body configuration， summarizes the development direction of hypersonic vehicle aerodynamic configuration. The stability and control characteristics of hypersonic vehicle are analyzed， and the characteristics of hypersonic vehicle are distinguished from that of conventional aircraft in the aspects of longitudinal static stability， heading static stability， aileron control efficiency， rudder control efficiency. Based on the stability and control characteristics of hypersonic vehicle， a feasible strategy for elevator， aileron and rudder of hypersonic vehicle is presented.

Key Words：hypersonic vehicle；aerodynamic configuration；stability and control characteristics；waverider configuration； blended wing body configuration