类X_37运载器气动布局概念设计_冯毅.pdf

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1、第３１卷第１期空气动力学学报Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．１２０１２年３月ＡＣＴＡＡＥＲＯＤＹＮＡＭＩＣＡＳＩＮＩＣＡＦｅｂ．，２０１３欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟文章编号：０２５８－１８２５（２０１３）０１－００９４－０５类Ｘ－３７运载器气动布局概念设计冯毅１，２，肖光明１，２，唐伟２，桂业伟２（１．清华大学航天航空学院，北京１０００８４；２．中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所，四川绵阳６２１０００）摘要：利用二次曲线方法与基于类型函数和形状函数的ＣＳＴ方法，提出一种类Ｘ－３７高超声速

2、飞行器气动外形，进行机体的气动力分析和控制舵的匹配设计，研究飞行器的气动特性和操纵效率问题。研究表明，该方案可以获得较高的配平攻角，有较高的容积利用率和机动控制效率，可以作为未来航天飞行器的潜在可行方案。关键词：高超声速飞行器；气动布局；概念设计；Ｘ－３７；ＲＬＶ中图分类号：Ｖ２１１．３文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．７６３８／ｋｑｄｌｘｘｂ２０１３０１１６于１２月３日成功返回。２０１１年３月５日，美国发射０引言了第二架Ｘ－３７运载器，计划在轨运行９个月。本文利用二次曲线方法与基于类型函数和形状长期以来，美国一直由政府机构牵头发展自己的函数的ＣＳＴ方法（ｃｌａｓｓ

3、ｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｓｈａｐｅｆｕｎｃｔｉｏｎ可重复使用运载器，先后提出了ＮＡＳＰ计划、ＲＬＶｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅ），提出了一种类Ｘ－３７运载计划、ＳＬＩ计划和ＡＲＥＳ计划。其中可重复使用运载器气动外形，进行了气动力分析和控制舵的匹配设器（ＲＬＶ，ＲｅｕｓａｂｌｅＬａｕｎｃｈＶｅｈｉｃｌｅ）计划于１９９５年计，研究了飞行器的气动特性和操纵效率问题。开始，主要目标是研制可重复使用、以火箭发动机为动力的单级入轨飞行器。由波音公司和美国空军共１气动布局［１］同合作的Ｘ－３７（图１）就是ＲＬＶ计划中的一部分。本文在气动布局设计方法上综合利用

4、了二次曲线方法与基于类型函数和形状函数的ＣＳＴ方法。二次曲线方法主要是通过已知两个端点的坐标、两个端点处的切线斜率以及该二次曲线的凸起程度［２］（形状参数）来确定一条曲线。ＣＳＴ方法则是利用控制指数的取值来获得各种不同的曲线形状。其类型函数的一般表达式为：ＮＮζ＝η１·（１－η）２图１Ｘ－３７其中η的取值范围为［０，１］，Ｎ１和Ｎ２的不同取值可Ｆｉｇ．１Ｘ－３７Ｃｏｎｃｅｐｔ以得到不同类型的曲线。对于形状函数，可以通过ｎＸ－３７运载器是第一架进行在轨和高速返回技术阶伯恩斯坦多项式来描述，通过合理地选取各分解项［３］验证的试验飞行器，也是美国军方用于试验ＲＬＶ和

5、的系数来对所获得的曲线形状进行调整。ＳＯＶ的关键技术试验平台。美国从１９９８年开始进本文根据Ｘ－３７运载器的外形和尺寸，综合二次行Ｘ－４０Ａ（Ｘ－３７的缩比模型）的飞行试验，之后又进曲线方法与基于类型函数和形状函数的ＣＳＴ方法生行了大量的飞行试验以减少Ｘ－３７飞行试验的风险。成了如图２所示的类Ｘ－３７运载器的气动布局。Ｘ－３７运载器长约８．３ｍ，翼展约４．６ｍ，最大飞行马赫为了满足较高的控制效率，本运载器采用了Ｖ数可以达到２５，已于２０１０年４月２２日发射成功，并形方向舵（Ｒｕｄｄｅｒｖａｔｏｒ）的设计。Ｖ形方向舵不仅能　＊收稿日期：２０１１－１２－０３；修订

6、日期：２０１２－０３－１４作者简介：冯毅（１９８４－），男，博士生，主要从事航天飞行器气动布局设计及气动特性计算分析研究．第１期冯毅等：类Ｘ－３７运载器气动布局概念设计９５够起到横向安定面的作用，避免了大迎角情况下的背风面单垂尾存在的失效问题，而且还可以进行俯仰和偏航的控制。在机体下表面的后缘设计了升降舵（ＢｏｄｙＦｌａｐ），其作用主要是进行飞行迎角控制、俯仰机动和减速。升降舵的安装位置是在远离质心的机体尾部，在纵向控制时可以获得较大的力臂，而且大面积迎风便于进行热防护。这样的设计主要源自航天飞机的经验和教训。而在机翼的后缘设计有襟副图４压力系数分布云图翼（Ｆ

7、ｌａｐｅｒｏｎ），可以进行滚转控制。在布局设计时，Ｆｉｇ．４Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ各个控制面的尺寸还必须与机体相匹配，一方面确保图５给出了本文方案在不同的飞行马赫数Ｍａ、飞行器获得合理的配平控制效率，一方面也使得控制各控制面无偏转时的升力ＣＬ阻力ＣＤ极曲线变化规面的气动力及气动热环境处于可以接受的范围之内。律。从图中可以看出，在高超声速范围内，零升阻力各个控制舵的分布如图３所示。系数在０．５左右，而在２０°迎角附近的最大升阻比可以达到１．５以上，与航天飞机相当，因此，在平衡滑翔［６］条件下其纵向及横航向射程也应该是相

8、当的。本方案容积利用率较大，可达到０．