科技论文作业zyq.doc

1、科技论文写作概论作业 论 文 具 有 矢 量 推 力 的 无 尾 鸭 式 布 局 飞 机 验 证 机张 燕 琴 北 京 航 空 航 天 大 学 仪 器 科 学 与 光 电 工 程 学 院 391711 班 39171104, 北 京 100191;* E-mail: 收稿日期: ; 接受日期: 摘 要 本 文 对 具 有 矢 量 推 力 的 无 尾 鸭 式 布 局 的 发 明 背 景 和 应 用 方 向 进 行 了 详 细 的 介 绍 ， 结 合 验证 机 实 际 试 飞 数 据 具 有 矢 量 推 力 的 无 尾 鸭 式 布 局 飞 机 控 制 规 律 进 行 了 比 较 全 面 而 系 统

2、 的 研 究 ， 并对 其 发 展 前 景 进 行 了 理 论 分 析 。 试 图 通 过 对 具 有 矢 量 推 力 的 无 尾 鸭 式 布 局 飞 机 验 证 机 的 研 究 ， 开发 出 高 效 的 控 制 系 统 以 解 决 无 尾 鸭 式 布 局 类 飞 机 操 纵 性 和 机 动 性 的 问 题 。关键词 鸭式布局矢量喷管控制规律验证飞行1 引 言在 现 代 战 争 中 ， 飞 机 正 在 发 挥 越 来 越 重 要 的 作用 。 从 作 战 要 求 出 发 ， 未 来 战 斗 机 应 具 备 全 隐 身 ，现 代 战 争 中 ， 战 斗 机 的 隐 身 特 性 正 在 发 挥 着

3、 越 来 越重 要 的 作 用 。 先 敌 发 现 ， 先 敌 开 火 的 战 斗 理 念 将 大大 提 高 战 斗 机 的 生 存 性 并 大 大 增 加 击 落 敌 机 的 可 能性 。 而 垂 尾 ， 作 为 飞 机 上 一 个 主 要 的 强 反 射 源 ， 将必 然 性 地 对 飞 机 的 隐 身 能 力 造 成 一 定 的 影 响 。 减 去垂 尾 ， 降 低 战 斗 机 的 RCS 数 值 一 直 都 是 飞 机 设 计 师的 一 个 工 作 方 向 ， 但 这 也 将 对 飞 机 的 航 向 操 纵 性 和稳 定 性 造 成 较 为 不 利 的 影 响 ， 而 这 也 一 直

4、是 飞 机 设计 的 一 个 难 题 之 一 。 至 于 近 代 ， 矢 量 推 力 技 术 和 柔性 机 翼 理 论 得 到 快 速 发 展 ， 各 国 都 开 始 投 入 到 这 些先 进 技 术 的 研 究 之 中 。 基 于 这 一 背 景 ， 我 们 提 出 了这 套 基 于 矢 量 推 进 技 术 的 无 尾 鸭 式 先 进 战 斗 验 证 机 。该 项 目 创 造 性 地 将 矢 量 推 力 技 术 和 柔 性 机 翼 理论 结 合 ， 分 别 尝 试 解 决 无 垂 尾 飞 机 的 操 纵 性 和 稳 定性 难 题 ， 并 大 胆 地 在 鸭 式 战 斗 机 上 进 行 试 飞

5、 验 证 。验 证 机 将 采 用 双 涵 道 发 动 机 ， 并 加 以 矢 量 推 力 控 制 ，从 而 实 现 俯 仰 和 航 向 的 有 效 控 制 。 同 时 ， 采 用 可 变机 翼 ， 在 需 要 增 强 飞 机 的 稳 定 性 时 改 变 机 翼 外 形 ，从 而 提 高 飞 机 的 航 向 稳 定 性 。 我 们 希 望 通 过 这 一 验证 机 的 试 飞 ， 探 索 这 些 先 进 技 术 在 鸭 式 战 斗 机 上 的综 合 使 用 效 果 ， 从 而 得 到 一 些 有 价 值 的 结 论 。 由 于取 消 了 尾 部 ， 采 用 一 体 化 设 计 的 结 果 ，

6、机 身 机 翼 相互 融 合 ， 机 体 内 部 空 间 得 到 了 最 大 限 度 的 利 用 ， 有利 于 各 种 机 载 设 备 均 埋 装 于 机 体 内 ， 有 利 于 减 小 雷达 反 射 截 面 ， 提 高 飞 机 的 隐 身 性 能 ， 同 时 有 利 于 结构 强 度 的 增 加 和 结 构 重 量 的 充 分 利 用 ， 而 且 有 益 于承 受 高 机 动 产 生 的 过 载 力 。总 而 言 之 ， 具 有 矢 量 推 力 的 无 尾 鸭 式 布 局 飞 机可 大 大 增 升 减 阻 ， 减 少 重 量 或 翼 载 ， 对 提 高 续 航 时间 和 机 动 性 等 飞

7、行 性 能 极 为 有 效 ， 同 时 可 以 大 幅 度北京航空航天大学 1减 小 雷 达 反 射 面 积 。现 代 化 的 无 尾 飞 机 采 用 一 套 新 式 的 副 翼 系 统 来进 行 方 向 的 操 纵 。 这 种 副 翼 由 上 下 两 片 组 成 ， 两 片副 翼 可 以 分 别 向 上 或 向 下 偏 转 ， 也 可 以 两 片 合 起 来同 时 向 下 或 向 上 偏 转 。 当 飞 机 需 要 转 向 时 ， 一 侧 的副 翼 就 张 开 ， 增 加 这 一 侧 机 翼 的 助 力 ， 飞 机 就 得 到了 偏 航 力 矩 ； 如 果 飞 机 两 侧 副 翼 张 开 相

8、 等 的 角 度 ，机 翼 两 侧 都 增 加 助 力 ， 就 起 到 减 速 板 的 作 用 ； 如 果副 翼 面 上 下 两 面 合 起 来 一 齐 偏 转 ， 机 翼 两 侧 副 翼 差动 ， 就 起 到 副 翼 的 作 用 ； 两 侧 副 翼 同 时 上 下 偏 转 ，就 起 到 升 降 舵 的 作 用 。 这 种 称 作 开 裂 式 副 翼 的 设 计主 要 用 于 解 决 飞 翼 飞 机 操 纵 的 问 题 ， 也 被 称 作 “阻力 方 向 舵 ”。 但 是 这 种 操 纵 面 并 没 有 从 根 本 上 解 决飞 翼 飞 机 的 操 纵 问 题 ， B2 这 样 的 设 计 虽

9、 然 空 气 动力 效 率 高 ， 升 阻 比 大 ， 隐 身 性 能 好 ， 但 机 动 性 能 差 。从 操 纵 性 的 观 点 看 无 尾 布 局 有 明 显 的 缺 点 ， 因 为 它只 能 利 用 机 翼 的 后 缘 做 俯 仰 和 横 向 操 纵 ， 不 但 面 积受 到 限 制 ， 而 且 还 存 在 力 臂 小 ， 大 迎 角 气 流 分 离 和机 翼 气 动弹 性 对 操 纵 面 的 效 率 有 很 大 影 响 等 问 题 。由 此 我 们 提 出 一 种 能 够 产 生 全 方 位 操 纵 力 矩 的新 型 无 尾 飞 机 布 局 ， 即 具 有 矢 量 推 力 的 无 尾

10、 鸭 式 飞机 布 局 以 解 决 无 尾 飞 翼 类 飞 机 的 操 作 性 问 题 。 这 种鸭 式 布 局 既 能 保 证 足 够 的 机 动 性 ， 又 能 提 供 全 方 位操 纵 力 矩 以 解 决 无 尾 飞 机 的 操 纵 问 题 。2 具 有 矢 量 推 力 的 无 尾 鸭 式 布 局 飞 机具 有 矢 量 推 力 的 无 尾 鸭 式 布 局 飞 机 的 设 计 思 路是 ：一 ： 机 翼 外 段 可 以 折 叠 ， 它 的 作 用 是 提 供 附 加升 力 和 方 向 安 定 性 。当 飞 机 在 地 面 滑 跑 时 ， 外 段 立 起 来 以 增 加 稳 定性 ； 当 飞

11、 机 巡 航 时 ， 外 段 放 下 以 减 少 侧 面 雷 达 散 射截 面 积 ， 同 时 增 大 升 力 以 利 于 巡 航 。二 ： 飞 机 具 有 两 个 矢 量 喷 管 。推 力 矢 量 技 术 能 让 发 动 机 推 力 的 一 部 分 变 成 操纵 力 ， 代 替 或 部 分 代 替 操 纵 面 ， 从 而 大 大 减 少 了 雷达 反 射 面 积 ； 不 管 迎 角 多 大 和 飞 行 速 度 多 低 ， 飞 机都 可 利 用 这 部 分 操 纵 力 进 行 操 纵 ， 这 就 增 加 了 飞 机的 可 操 纵 性 。 由 于 直 接 产 生 操 纵 力 ， 并 且 量 值

12、和 方向 易 变 ， 也 就 增 加 了 飞 机 的 敏 捷 性 ， 因 而 可 适 当 地减 小 或 去 掉 垂 尾 ， 也 能 替 代 其 他 一 些 操 纵 面 。 这 对降 低 飞 机 的 可 探 测 性 是 有 利 的 ， 也 能 使 飞 机 的 阻 力减 小 ， 结 构 重 减 轻 。飞 机 没 有 方 向 舵 ， 实 现 方 向 舵 的 功 能 一 是 通 过开 裂 式 副 翼 ， 另 一 方 面 就 是 通 过 矢 量 喷 管 。 我 们 并未 采 用 前 者 ， 而 是 采 用 了 矢 量 喷 管 来 代 替 开 裂 时 副翼 来 探 究 矢 量 喷 管 对 飞 机 航 向

13、的 控 制 作 用 。同 时 ， 使 用 矢 量 喷 管 和 前 翼 的 配 合 可 实 现 直 接升 力 控 制 。3 验 证 机 的 总 体 和 结 构 设 计3.1 验 证 机 的 选 型 和 初 步 设 计 验 证 机 采 用 翼 身 融 合 体 的 鸭 式 布 局 ， 取 消 垂 尾 ，在 机 翼 外 段 设 计 相 应 的 可 折 叠 外 段 ， 代 替 飞 机 的 垂尾 功 能 ； 同 时 加 装 全 向 矢 量 喷 管 以 实 现 航 向 控 制 ，代 替 了 方 向 舵 ； 同 时 采 用 全 动 鸭 翼 ， 构 成 飞 机 的 主要 操 纵 系 统 。我 们 采 用 了 鸭

14、 式 布 局 ， 主 翼 采 用 小 展 弦 比 三 角翼 ， 翼 展 1570.66mm（ 外 段 立 起 时 1150.66mm） ， 最大 有 效 翼 面 积 0.44 m （ 外 段 立 起 时 有 效 翼 面 积20.35m ） ， 展 弦 比 3.4（ 外 段 立 起 时 1.8） 。 鸭 翼2同 样 采 用 小 展 弦 比 三 角 翼 ， 展 长 850mm， 翼 面 积0.1m ， 展 弦 比 2.5。 最 大 起 飞 重 量 3.3kg， 选 用 两2宋晓瑞: 第一视角遥控低空无人侦察机2台 70mm 涵 道 电 动 机 。 采 用 并 通 过 遥 控 器 设 置 ， 使 飞

15、机 有 两 种 操 纵 模 式 ， 既 正 常 飞 机 模 式 和 采 用 矢 量 喷管 进 行 控 制 模 式 ， 在 验 证 机 飞 行 过 程 中 ， 根 据 飞 行试 验 的 需 要 ， 可 在 两 种 飞 行 模 式 间 进 行 切 换 。3.2 结 构 设 计下 面 是 机 身 和 机 翼 以 及 鸭 翼 的 结 构 图 ：上 图 为 机 翼 结 构 图 。 机 翼 采 用 梁 架 式 结 构 ， 使结 构 重 量 轻 ， 载 荷 分 布 更 合 理 。 另 外 机 翼 采 用 了 两种 翼 型 ， 机 翼 根 部 采 用 AG11 翼 型 ， 梢 部 采 用SD7043 翼 型

16、， 以 此 实 现 气 动 扭 转 。 根 部 相 对 厚 度 小 ，梢 部 相 对 厚 度 大 ， 失 速 迎 角 大 ， 改 善 了 翼 尖 失 速 现象 。 下 图 为 两 种 翼 型 的 对 比 图 ：上 图 为 机 翼 外 段 结 构 图 以 及 相 应 的 转 轴 结 构 。上 图 为 鸭 翼 结 构 图 。北京航空航天大学 3上 图 是 用 CATIA 制 作 的 机 身 结 构 图 。 机 身 采 用桁 条 式 机 身 ， 采 用 了 十 根 碳 条 贯 穿 机 身 来 承 受 结 构重 量 。 结 构 强 度 分 布 合 理 ， 结 构 重 量 轻 。4 验 证 飞 行 记

17、录 及 分 析验 证 机 的 验 证 飞 行 给 人 留 下 了 很 深 的 印 象 ， 在起 飞 过 程 中 ， 滑 跑 距 离 短 ， 离 地 速 度 低 ， 这 也 从 侧面 验 证 了 鸭 式 布 局 优 越 的 气 动 性 能 。 飞 机 稳 定 的 向远 处 飞 去 ， 从 录 像 视 频 可 以 看 出 飞 机 翼 载 并 不 大 ，飞 的 很 轻 松 。 但 是 当 飞 机 转 弯 回 来 ， 由 于 某 种 未 知的 因 素 ， 飞 机 突 然 垂 直 俯 冲 掉 了 下 来 飞 机 摔 坏 ，已 经 没 法 修 理 ， 所 以 展 示 的 时 候 已 经 没 有 办 法 将

18、 实物 展 示 出 来 。因 此 这 种 具 有 矢 量 推 力 的 无 尾 鸭 式 布 局 飞 机 ，预 计 可 根 据 飞 行 任 务 的 需 要 随 时 改 变 飞 机 的 稳 定 性和 操 纵 性 ， 并 能 够 为 其 提 供 足 够 的 偏 航 或 横 侧 控 制力 矩 （ 以 此 代 替 阻 力 式 方 向 舵 的 作 用 ） ， 改 善 飞 机的 纵 向 大 迎 角 性 能 。5 应 用 前 景 理 论 分 析5.1 利 用 矢 量 喷 管 改 善 飞 机 大 迎 角 机 动 性 能对 于 现 代 战 斗 机 ， 大 迎 角 机 动 在 进 攻 和 防 御 中都 是 不 可 缺

19、 少 的 。 高 机 动 性 和 良 好 的 大 迎 角 机 动 性能 是 高 机 动 性 战 斗 机 的 基 本 设 计 要 求 ， 代 表 性 的 飞机 有 ： 美 国 的 F-14、 F15、 F16、 和 F-18,俄 罗 斯 的米 格 -29、 苏 -27 等 系 列 飞 机 。 作 为 第 四 代 战 斗 机 的美 国 F-22， 俄 罗 斯 的 S-37 和 1.44， 在 强 调 超 声 速巡 航 和 隐 身 性 能 的 同 时 ， 仍 然 将 高 机 动 性 和 良 好 的大 迎 角 机 动 性 能 作 为 基 本 的 设 计 要 求 。 良 好 的 大 迎角 性 能 是 取

20、 得 高 机 动 性 的 基 本 条 件 ， 因 此 现 代 战 斗机 的 设 计 尽 量 设 法 扩 大 飞 机 的 可 使 用 范 围 。 现 代 战斗 机 如 F-15,F-16,米 格 -29 和 苏 -27 机 动 飞 行 的 迎角 一 般 都 限 制 在 30以 下 。 在 这 个 范 围 内 ， 飞 机 上会 出 现 大 面 积 的 气 流 分 离 ， 因 此 飞 机 在 飞 行 中 会 发生 抖 振 和 失 控 的 现 象 ， 飞 机 的 设 计 任 务 就 是 要 控 制抖 振 和 失 控 ， 可 以 用 气 动 力 或 机 械 的 方 法 把 它 们 限制 在 可 接 受

21、的 范 围 内 ， 或 者 有 足 够 的 的 操 纵 能 力 去控 制 它 。 30 70是 现 代 战 斗 机 在 正 常 飞 行 状 态禁 止 进 入 的 范 围 ， 此 时 飞 机 上 的 气 流 发 生 全 面 的 严重 分 离 ， 操 纵 能 力 急 剧 下 降 甚 至 失 效 ， 飞 机 很 容 易进 入 尾 旋 状 态 。 而 使 飞 机 可 实 现 在 这 个 范 围 内 的 可控 机 动 飞 行 即 为 过 失 速 机 动 。 实 现 过 失 速 机 动 ， 通常 的 解 决 办 法 是 增 大 可 用 升 力 ， 因 为 可 用 升 力 是 机动 飞 行 的 一 个 十

22、分 重 要 的 因 素 ， 但 现 代 战 斗 机 大 迎角 时 的 可 用 升 力 往 往 达 不 到 理 论 上 的 ， 而 是maxLC受 到 失 控 或 操 纵 能 力 的 限 制 ； 在 过 失 速 的 迎 角 下 ，飞 机 的 正 常 气 动 操 纵 面 效 率 即 使 不 是 完 全 丧 失 也 是效 率 很 低 。 而 采 用 矢 量 喷 管 后 ， 喷 管 可 以 提 供 足 够的 操 纵 力 矩 而 与 飞 机 表 面 气 流 分 离 无 关 ， 因 此 在 大迎 角 机 动 情 况 下 可 以 有 效 地 控 制 飞 机 的 迎 角 ， 使 其始 终 产 生 最 理 想

23、的 战 斗 姿 态 。5.2 运 用 矢 量 喷 管 和 前 翼 配 合 进 行 直 接 升 力 控制常 规 的 升 力 或 侧 力 控 制 都 是 通 过 控 制 飞 机 的 姿态 来 实 现 的 。 直 接 力 控 制 则 是 在 保 证 飞 机 的 某 些 特定 的 自 由 度 上 不 产 生 运 动 的 条 件 下 ， 通 过 一 些 控 制宋晓瑞: 第一视角遥控低空无人侦察机4面 直 接 产 生 升 力 或 侧 力 ， 从 而 使 飞 机 作 所 需 要 的 机动 。 这 种 控 制 使 飞 机 的 姿 态 变 化 和 轨 迹 变 化 脱 离 确定 的 关 系 ， 使 力 和 力 矩

24、 的 变 化 脱 离 关 系 ， 因 而 也 叫解 偶 控 制 。 直 接 力 控 制 对 于 提 高 飞 机 的 机 动 性 和 攻击 瞄 准 精 确 度 具 有 重 要 的 意 义 。在 常 规 飞 机 上 ， 飞 行 员 要 改 变 飞 机 在 其 对 称 面内 的 航 迹 时 ， 所 需 的 升 力 变 化 是 靠 改 变 飞 机 的 迎 角得 到 的 ， 当 飞 机 要 爬 升 时 ， 飞 行 员 一 方 面 要 加 油 门增 速 ， 一 方 面 拉 驾 驶 杆 使 升 降 舵 上 偏 一 个 角 度， 使 平 尾 上 产 生 一 个 向 下 的 升 力 增 量 ， 使0z全 机 升

25、 力 减 小 。 如 果 开 始 时 飞 机 作 水 平 飞 行 ， 则 飞机 会 因 为 升 力 小 于 重 力 而 有 瞬 间 下 沉 的 现 象 。 与 此同 时 ， 平 尾 产 生 的 升 力 增 量 会 对 飞 机 重 心 形 成 抬 头力 矩 （ ） ， 增 大 迎 角 。 当 迎 角 增 大 到 一 定zm程 度 ， 既 时 ， 飞 机 才 开 始 上 升 ，zCyy使 飞 机 的 轨 迹 角 开 始 增 大 ， 由 此 可 见 ， 在 常 规 飞 机的 升 力 控 制 中 ， 飞 机 对 飞 行 员 的 操 纵 反 应 存 在 一 定的 滞 后 ， 并 且 先 掉 高 度 后

26、上 升 。 此 外 ， 迎 角 的 增 大造 成 的 阻 力 增 加 还 会 引 起 速 度 的 减 小 。 当 飞 机 达 到预 定 的 高 度 后 飞 行 员 还 得 进 行 与 上 述 过 程 相 反 的 操纵 ， 才 能 回 到 平 飞 状 态 。 而 直 接 升 力 控 制 与 此 不 同 ，改 控 制 方 式 是 在 保 持 飞 机 迎 角 不 变 的 情 况 下 ， 增大 飞 机 的 升 力 ， 加 快 飞 机 在 垂 直 剖 面 内 的 航 迹 变 化 ，提 高 飞 机 的 机 动 性 。采 用 具 有 矢 量 推 力 的 无 尾 鸭 式 布 局 飞 机 进 行 直接 升 力

27、控 制 的 设 计 方 案 是 ： 在 鸭 翼 偏 转 有 一 定 迎 角的 同 时 矢 量 喷 管 向 下 偏 转 ， 这 时 鸭 翼 上 升 力 增 加 ，机 头 抬 起 ； 与 此 同 时 喷 管 给 后 机 身 一 个 向 上 的 力 ，以 此 实 现 直 接 升 力 控 制 。结 论由 于 我 们 知 识 水 平 的 限 制 ， 我 们 目 前 无 法 自 行开 发 出 飞 行 控 制 系 统 和 自 动 驾 驶 系 统 ， 所 以 该 飞 机也 只 能 对 具 有 矢 量 推 力 的 无 尾 鸭 式 布 局 飞 机 的 性 能做 出 初 步 的 ， 较 肤 浅 的 验 证 。 所

28、以 在 中 后 期 我 们 努力 对 其 性 能 进 行 理 论 上 的 进 一 步 研 究 ， 摸 清 其 控 制规 律 ， 发 掘 其 再 未 来 先 进 战 斗 机 上 的 应 用 潜 力 。最 后 ， 借 此 机 会 我 们 要 向 所 有 曾 为 我 们 提 供 过关 心 和 帮 助 的 老 师 和 同 学 表 示 真 心 的 感 谢 ， 尤 其 要感 谢 张 云 飞 教 授 的 悉 心 指 导 。 在 项 目 的 进 行 过 程 中 ，我 们 的 科 研 能 力 有 了 很 大 的 提 高 ， 对 所 学 专 业 也 有了 更 全 面 的 认 识 ， 也 坚 定 了 我 们 要 航

29、 空 报 国 的 决 心 。参考文献 1 顾 诵 芬 主 编 .飞 机 总 体 设 计 .北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 .20062 方 振 平 陈 万 春 张 曙 光 编 著 .航 空 飞 行 器 飞 行 动 力 学 .北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 .20053 早 期 航 空 教 育 及 航 空 模 型 研 讨 会 会 议 文 集 .20034 高 金 源 李 陆 豫 编 著 .飞 机 飞 行 品 质 .国 防 工 业 出 版 社 .20015 武 文 康 张 彬 乾 编 著 .战 斗 机 气 动 布 局 设 计 .西 北 工 业 大 学 .20056 郦 正 能 主 编 .飞 行 器 结 构 学 . 北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 .20057 钱 翼 稷 编 著 .空 气 动 力 学 . 北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 .20048 Daniel P Raymer.Aiecraft Design A Conceptual Approach.19899 张 明 廉 主 编 。 飞 行 控 制 系 统 .航 空 工 业 出 版 社 .199410 宋 翔 贵 张 新 国 编 著 .电 传 飞 行 控 制 系 统 .国 防 工 业 出 版 社 .2003