一种面向宽域条件的高机动目标性能评估方法.pdf

2023 年 5 月第 19 卷 第 2 期系统仿真技术System Simulation TechnologyMay，2023Vol.19，No.2一种面向宽域条件的高机动目标性能评估方法徐博婷，刘 毅*（军事科学院，北京 100091）摘要：考虑工程应用的宽域飞行条件是当前高机动目标开展总体设计和性能评估的挑战和难题。本研究选取当前研究热度较高的高超声速乘波体作为典型评估目标，建立涵盖5个学科共计16个关键指标的评估指标体系，并描述理论定义和判断准则。以此为基础，本研究考虑多个马赫数、多个攻角，以及多个舵偏角下的宽域条件，针对典型评估目标，建立性能评估流程，依据指标判据得出各性能的评估结果，并对总体性能形成分析结论。结果表明，本研究中提出的评估指标及流程方法能够有效地实现典型高机动目标的总体性能评估，得出具体性能的优缺点，满足宽域条件的分析需求，可为相关研究提供参考。关键词:宽域条件；高机动性；高超声速乘波体；指标体系；评估方法Research on the Performance Evaluation of the High Maneuverability Flying Target Under Wide Scope ConditionXU Boting，LIU Yi*（Academy of Military Sciences，Beijing 100091，China）Abstract：The wide scope flight conditions for engineering applications is a challenge and hard problem for overall design and performance evaluation of high maneuvering targets.In this paper，the hypersonic wave-rider is selected as the typical evaluation target.The evaluation index system is established，which covering 16 key indexes in five disciplines，the theoretical definition and judgment criteria are described.On this basis，the performance evaluation process is firstly established for typical evaluation objectives.Then，the evaluation results of each performance are obtained according to the index system.Finally，the overall performance is analyzed.Considering the wide scope conditions with multiple Mach numbers，multiple angles of attack and multiple rudder deflection angles，the performance evaluation process is established for typical evaluation target，the evaluation results are obtained by judgement criterion，and the conclusion of the overall performance is achieved.The results show that the proposed evaluation index and method can effectively realize the overall performance evaluation of typical high maneuvering targets.The advantages and disadvantages of specific performance can meet the analysis demands of wide scope conditions，and can provide reference for relevant research.Key words：wide scope condition；high maneuverability；hypersonic wave-rider；index system；evaluation method通信作者：刘毅，E-mail：中图分类号:V211.3 文献标志码:A DOI:10.16812/31-1945.2023.02.004徐博婷，等：一种面向宽域条件的高机动目标性能评估方法以高超声速飞行器、在轨机动卫星、超音速五代战斗机为代表的高机动目标具有飞行速度快、机动能力强、突防概率高、威慑影响大等优势，已经成为学术探索和工程应用等领域的研究热点。特别是高超声速飞行器横跨20100 km的飞行区域，涵盖连续流区、过渡流区和稀薄流区等多种环境，再加上几千甚至几万千米的射程，具有相当宽域的飞行条件，在实际飞行过程中受到气动力/热、稳定性、操控性、结构性等多种性能的影响，需要从综合表现的角度进行总体性能评估。面对宽域飞行条件，高机动目标的性能评估具有多学科、多约束的耦合特性，是一个复杂的系统工程。张登辉等1通过试验采样和仿真分析的方法研究了高机动目标制导控制系统的性能评估；Mistree等2提出了一种针对高机动目标概念设计的性能评估方法，可以指导方案选型；汤锦祖等3针对高机动目标的再入滑翔性能，通过构建性能指标体系和评估模型，提出了主要性能评估的理论和方法；江增荣等4从总体约束的角度分析了高机动目标的指标体系，基于层级分析法对比了典型方案的优劣；石清等5基于层次分析方法，采用定性/定量相结合的方法评估分析了高机动目标的气动性能。本研究针对宽域条件下的高机动目标性能评估方法，以典型高超声速乘波体为代表，建立了考虑多学科的总体性能指标体系，对主要指标进一步明确含义和判断准则；然后结合典型评估目标，按照评估流程，较为全面地评估了高机动目标的各项性能；最后从宽域条件的总体性能考虑，综合分析了5大类16个评估指标项，给出了性能评估结论，可为相关研究提供参考。1 典型评估目标 高超声速飞行器是一种典型的高机动目标，具有飞行马赫数高、弹道预测难、横向机动能力强等优势，近几年得到了广泛关注和重点研究。本研究以“圆头+双锥”的乘波体布局为典型评估目标，采用类型函数/形 状 函 数 转 换（Class function/Shape function transformation，CST）6方法生成机身的几何截面，构造了类HTV-2的几何布局，如图1（a）所示。然后以机身为基础，考虑宽域飞行条件下的操稳特性，在背风面增加了单垂尾的稳定部件，在迎风面安置了对称分布Flap舵的操纵部件，生成待评估的典型目标几何布局，如图 1（b）所示，其中长度 L=4 m，宽度 W=2 m，高 度 H=0.6 m，表 面 积 S=9.69 m2，体 积 V=1.13 m3。2 性能指标体系 结合上述给出的典型评估目标，考虑宽域飞行条件下的升阻性能、气动热性能、稳定性能、操控性能和结构性能等多个学科，梳理了5大类16个指标项，并对关键指标的理论定义和判断准则做出了详细描述，可为性能评估提供支撑。2.1升阻性能指标升阻性能主要包括升阻比、升力系数和阻力系数，其中升阻比综合反映了高机动目标的气动性能，大小取决于升力和阻力的优化匹配程度，其计算公式为L/D=CLCD（1）其中，CL为升力系数，CD为阻力系数，二者均随着飞行高度、马赫数、攻角、舵偏角等宽域飞行条件的变化而变化。升力系数和阻力系数决定高机动目标的飞行升力和阻力性能，影响到热环境和装填容积，其计算公式为CL=2LV2Sr，CD=2DV2Sr（2）其中，L、D分别为气动升力和阻力，为大气密度，Sr为参考面积，V为飞行速度。2.2防热性能指标防热性能主要包括驻点热流密度和大面积热流密度，需要小于高机动目标的设计指标才能满足防热要求。对于高机动目标的驻点热流密度，一般将端头的最大热流作为约束条件，可采用如下所示的经验公式：Qws=131884.2RN(o)0.5(vvc)3.25(1-hwhs)（3）其中，Qws（kW/m2）为驻点热流密度，RN（m）为驻点区的曲率半径，v为速度，vc=g0R0为圆周速度（g0为海平面重力加速度，R0为地球平均半径），o=1.225 kg/m3为海平面标准大气密度，hs为滞止焓值，hw为壁面焓值。对于高机动目标的大面积热流，目前主要有气动热数值模拟方法和气动热工程计算方法，如埃克特参图1典型评估目标的几何布局Fig.1The geometric configuration of a typical evaluation target171系统仿真技术第 19 卷 第 2 期考焓法、雷诺比拟关系法等。2.3稳定性能指标稳定性能主要从高机动目标的纵向、侧向的静稳定性能来衡量，综合反映了动力学特性。一般而言，纵向静稳定性主要取决于纵向压心系数Xcpz与纵向质心系数Xcg的相对位置关系，即Xcpz=Xcpz-Xcg（4）当Xcpz 0时满足纵向静稳定性；Xcpz=0时满足纵向中立稳定性；Xcpz 0时满足侧向静稳定性；Xcpy=0时满足侧向中立稳定性；Xcpy 3）下，升力系数CL和阻力系数CD均随着马赫数增加而变小；在不同舵偏角下，升阻比L/D都呈现先随攻角增加而变大，达到最大值后再随攻角降低的趋势，且都在8攻角附近达到最大升阻比4.0左右，具有较优的升阻性能。3.2防热性能评估基于防热性能指标，计算典型评估目标的端头半径RN对驻点热流密度Qws的影响，如图2所示。针对典型评估目标布局，其迎风面和背风面的热流密度Qe云图，如图3所示。经过评估，驻点热流密度Qws与端头钝化半径RN基本呈指数型反比关系，虽然RN的数值越大越有利于缓和热环境，但是气动阻力也会变大，两者是相互冲突的，需要合理设置RN的取值。典型评估目标的迎风面热流明显大于背风面，在头部、迎风面的中间区域存在图2端头半径对驻点热流密度的影响Fig.2The effect of end radius on standing point heat flux图3典型评估目标的表面热流云图Fig.3The surface heat flow of the typical evaluation target172徐博婷，等：一种面向宽域条件的高机动目标性能评估方法较高的热流分布，需要重点考虑热防护。3.3稳定性能评估设定典型评估目标的纵向/侧向参考质心系数为0.65，首先考虑典型舵偏角（Dp=10）下的纵向静稳定性，纵向压心系数Xcpz随攻角的变化特性。然后在无舵偏角（Dp=0）的情况下，对典型评估目标施加0.5的侧滑角，得到不同马赫数下侧向压心系数Xcpy随攻角的变化特性。经过评估，在10舵偏角时，典型评估目标的纵向压心系数基本在0.630.64附近，在小攻角（8）下逐渐趋向纵向中立稳定，纵向稳定性较好；在0舵偏角时，典型评估目标的侧向压心系数基本在0.640.66附近，在小马赫数（Ma 12）下处于侧向静不稳定状态，侧向稳定性偏弱。3.4操控性能评估设定典型评估目标的参考质心系数为0.65，首先在典型马赫数（如Ma=8、12）下，参考质心处的俯仰力矩系数Cmz随攻角的变化特性。然后分析典型评估目标的配平舵偏角Dptrim，选取舵偏角 Dp=-1515，寻找典型性能评估状态下（如Ma=8、12和=8、12），典型评估目标达到俯仰力矩平衡所需要的舵偏角，如表1所示。经过评估，典型评估目标的俯仰力矩系数CMz基本位于-0.030.03内，在不同马赫数下随攻角的变化规律基本一致，且在正向舵偏角下，俯仰力矩系数CMz随攻角的增加呈现先增大后减小，所有状态下的配平舵偏角Dptrim均位于典型评估目标的允许舵偏角内，且基本处于48内，说明该俯仰通道具备正向舵偏自配平的能力，具备较好的操控性能。3.5结构性能评估对于高机动目标，质量越小，发射成本越低。同时质量小便于运输，更适于机动发射，其总体性能随着其质量的增加而降低；表面积尽量小，既能降低质量，还影响到表面摩擦阻力、结构布局、建造成本等相关性能；几何尺寸满足运载器的装填包络约束；装填容积需要考虑关键部件、重要载荷的内部容积需求。4 性能评估结论 针对以高超声速乘波体为代表的典型高机动目标，考虑在多个马赫数（Ma=5、8、10、12、15）、多个攻角以及多个舵偏角（Dp=-1515）的宽域条件下，按照指标体系的评估流程，对典型评估目标的总体性能形成评估结论，如表2所示。表2宽域条件下的典型目标性能评估结论Tab.2The performance evaluation results of the typical target under wide scope condition性能指标升阻性能气动热性能稳定性能操控性能结构性能单项指标升阻比升力系数阻力系数驻点热流密度/（kWm-2）表面的热流密度/（kWm-2）纵向压心系数侧向压心系数俯仰力矩系数俯仰通道配平舵偏角/()质量/kg表面积/m2体积/m3长度/m宽度/m高度/m装填约束评估结果在8攻角附近，达到最大升阻比4.0不同马赫数下，随着攻角增加而变大；在较大攻角（3）下，随着马赫数增加而变小钝化半径RN=10 mm，驻点最大热流Qws=1773.39 kW/m2迎风面热流平均高于背风面一个量级，两侧前缘区域热流最大，热流峰值Qe-max=370.9 kW/m20.630.64附近，小攻角（8）下逐渐趋向纵向中立稳定0.640.66附近，在小马赫数（Ma 12）下处于侧向静不稳定状态-0.030.0348约9609.691.134.02.00.6满足评估结论升阻性能较优重点考虑端头和迎风面的热防护，选取复合基陶瓷、碳化硅等防隔热材料纵向稳定性较好，侧向稳定性偏弱，有待进一步提高俯仰通道具备正向舵偏自配平的能力，具有较好的操控能力质量约960 kg、表面积9.69 m2、体积1.13 m3，具有较小的包络尺寸，满足装填容积约束表1不同状态下的配平舵偏角DptrimTab.1The value of Dptrim in different conditions变量812Ma83.545.94127.227.88173系统仿真技术第 19 卷 第 2 期由表2可见，评估结论综合分析了典型评估目标在升阻性能、防热性能、稳定性能、操控性能和结构性能等一系列评估指标下的结果，指出了典型评估目标的优缺点和改进方向，对工程应用具有一定的指导意义。在后续研究中，针对多个评估目标，可采用层次分析法7、网络分析法和物理规划法等评估对比方法，横向对比不同设计方案的性能优劣，给出方案选型的评估结论。5 总 结 本研究考虑工程应用背景下的宽域飞行条件，选取当前研究热度较高的高超声速乘波体作为典型评估目标，综合升阻性能、气动热性能、稳定性能、操控性能和结构性能等5个指标，梳理了16个关键性能指标，并描述了理论定义和判断准则。以此为基础，考虑多个马赫数、多个攻角，以及多个舵偏角下的宽域条件，针对典型评估目标，建立性能评估流程，依据指标判据做出各性能的评估结果，并对总体性能形成评估分析结论，对工程应用具有一定的指导和借鉴意义。参考文献：1张登辉，马萍，晁涛，等.高超声速飞行器制导控制系统性能评估J.系统工程与电子技术，2018，8（8）：1811-1816.ZHANG Denghui，MA Ping，CHAO Tao，et al.Performance evaluation of guidance and control system for hypersonic vehicleJ.System Engineering and Electronics，2018，8（8）：1811-1816.2MISTREE Farrokh，LEWIS Kemper，STONIS Luke.Selection in the conceptual design of aircraft C/AIAA/NASA/USAF/ISSMO Symposium on Multidisciplinary Analysis and Optimization.Panama City Beach，FL，U.S.A.2013，1153-1166.3汤锦祖，张欣光.高超声速飞行器滑翔再入性能评估J.火力与指挥控制，2012，37（8）：120-123.TANG Jinzu，ZHANG Xinguang.Research on performance evaluation for hypersonic reentry glide vehicleJ.Fire Control&Command Control，2012，37（8）：120-123.4江增荣，张斌，丰志伟.考虑总体约束的高超声速滑翔飞行器气动性能评估研究 J.系统仿真技术，2018，14（4）：260-264.JIANG Zengrong，ZHANG Bin，FENG Zhiwei.Research on the aerodynamic performance evaluation of hypersonic gliding vehicle with overall constraintJ.System Simulation Technology，2018，14（4）：260-264.5石清，李桦.飞行器空气动力特性的综合评估方法研究J.空 气 动 力 学 学 报，2009，27（3）：271-274，287.SHI Qing，LI Hua.Study on the integrated evaluation method of aircraft aerodynamic characteristics J.Acta Aerodynamica Sinica，2009，27（3）：271-274，287.6KULFAN Brenda，BUSSOLETTI John.Fundamental parametric geometry representations for aircraft component shapesC.AIAA-2006-6948，11th AIAA/ISSMO Multidisciplinary Analysis and Optimization Conference：The Modeling and Simulation Frontier for Multidisciplinary Design Optimization，6-8 September，2006.7严蕾，王乔.基于层次分析法的面向第三方物流信息系 统 评 价 体 系 构 建J.系 统 仿 真 技 术，2020，16（1）：17-21.YAN Lei，WANG Qiao.Construction of evaluation system for third-party logistics information system based on analytic hierarchy process J.System Simulation Technology，2020，16（1）：17-21.徐博婷 女（1992-），江西上饶人，博士，助理研究员，主要从事战略安全领域研究。刘 毅 男（1983-），河南孟州人，博士，助理研究员，主要从事战略安全领域研究。174