栅格翼的气动特性及发展应用简介

1、摘要

栅格翼是一种非常规的气动稳定和控制舵面,它是由外部框架和内部众多的薄格壁布置成框架形式或蜂窝形式的空间多升力面系统,最早由前苏联科学家与20世纪40年代开展了系统的理论和实验研究工作,其具有弦向压心变化小,失速舵偏角大,可以在较宽M数范围内调整升力线斜率等诸多优点,目前已在火箭和导弹上得到了成功地应用。

2、栅格翼的常见布局形式

栅格翼的结构具有多样化,其内部栅格壁的布局及栅格孔的形状也有多种形式,最基本的形式包括框架式栅格翼和蜂窝式栅格翼,蜂窝式栅格翼又包括正置式栅格翼和斜置式栅格翼,如图1。

图 1 栅格翼主要的布局形式

目前应用最为广泛的栅格翼布局形式是栅格壁和边框成45°夹角的斜置式蜂窝栅格翼,蜂窝式栅格翼作为飞行器的控制翼面具有良好的升力特性,在提供升力的同时能够使飞行器的压心后移,增加飞行器的飞行稳定性和操控性。

3、栅格翼的气动特性

栅格翼的结构对其气动特性的影响非常大,栅格翼的结构参数主要包括栅格弦长格宽比(即栅格弦长与栅格上下壁间距离之比)、栅格长度比(即栅格迎风口长度与宽度之比)、栅格翼格片厚度、栅格翼格子数目以及栅格形状等[2]。

栅格翼作为新型气动部件,在升力特性、铰链力矩特性、折叠特性、强度特性等方面较传统平面翼具有不可替代的优点,主要气动特性为[3]

  1. 升力特性好,大攻角状态仍能保持良好线性,不易失速,在较高马赫数的超声速气流中,在相同的外形尺寸下,栅格翼的升力面积比平板翼大很多,所以,栅格翼的升力特性在超声速下比平板翼好得多。
  2. 压心漂移小,可有效减小铰链力矩,降低对舵机的要求,减轻舵机质量。
  3. 弦向尺寸小,可紧贴弹体折叠安装,减小尺寸,利于存储,折叠状态可在自身空气动力矩作用下自动打开。
  4. 栅格翼作为承力面,最大的优点是具有高的强度-质量比。

栅格翼作为一种新型弹翼,其在气动特性的研究以及在弹箭应用方面都不如常规弹翼那样成熟,原因在于栅格翼虽然具有以上所说的在气动特性方面的优点,但相应的在某些方面具有一定的缺点。栅格翼比平板翼阻力要大,需要通过复杂的气动设计来减小栅格翼阻力,提高升阻比,同时还存在如何求解栅格翼组合体动导数的问题,另外栅格翼的结构比较复杂,对加工工艺要求很高,结构的隐身性也相对较弱,这些都限制了栅格翼的广泛应用。

4、栅格翼的应用

1)苏联/俄罗斯

20世纪50年代,苏联就对栅格翼进行了理论和试验研究工作,探讨了栅格翼气动特性的解析和工程计算方法,研究了风动的实验技术,同时开展了栅格翼的结构、强度、生产工艺的研究,形成了一套设计方法,并成功地将栅格翼用到联盟号宇宙飞船逃逸系统的稳定翼面上[4]。

图 2 联盟-TM号火箭(左)以及先锋号(SS-20)尾部的栅格翼和舵图(右)

70年代开始,苏联科学家开始在导弹设计中应用栅格翼,特别是弹道导弹,如SS-12薄板战术弹道导弹、SS-20先锋战略导弹、SS-21弹道导弹等。到目前为止,栅格翼在导弹上最成功的应用是俄罗斯R-77中程空-空系列导弹上采用4片栅格尾翼舵面取代常规舵面,可减轻尾翼质量,减少大攻角机动飞行时的气流分离,减小舵面气动铰链力矩,提高低速飞行时的稳定性和高速飞行时的机动性。

图 3 俄制R77空空导弹

2)美国

美国开展栅格翼的工作比较晚,但是其发展非常快。美国在栅格尾翼在导弹上的应用特点做了充分的评估,并且在栅格翼气动方面的数值计算上做了大量的工作[4]。

由美国研制的栅格翼典型应用是其MOAB炸弹,它充分利用了栅格翼的可折叠性。MOAB炸弹尺寸较大,重达9t多,作战时由c-130运输,待发状态栅格翼紧贴弹体,发射时MOAB炸弹被推出货物仓到一个装有降落伞的特殊装置上,待释放装置后,栅格翼打开,控制 MOAB 炸弹利用GPS导航信号攻击指定目标。

SpaceX公司研制猎鹰9火箭回收的姿态稳定和姿态控制就是依靠栅格翼于反推力系统的完美配合实现的,栅格翼以X翼形环绕火箭安装,上升时收起,重入大气层时展开以控制一级火箭的升力矢量。

图 4 美国spaceX公司猎鹰9火箭上的栅格舵

3)中国

中国自20世纪90年代初开始了对栅格翼的研究,并且已成功应用于神舟号宇宙飞船逃逸飞行器上。逃逸飞行器由逃逸塔、栅格翼、可分离头部整流罩、栅格翼展开机构等组成,其中栅格翼展开机构是保证逃逸飞行器静稳定性的特殊装置。

快舟系列固体运载火箭是世界上首个星箭一体,我国首个具有快速集成、快速入轨、栅格翼舵面等创新特点的小型固体运载火箭。其采用了栅格舵作为一级飞行姿态控制装置,增加了气动静稳定性,可保证飞行器尺寸基本不变的情况下,获得很大的升力面积。

图 5 快舟固体运载火箭

星际荣耀公司发射的双曲线一号火箭上验证了栅格舵技术。飞行试验取得成功,栅格舵实现了大气层内全程控制,包括上升段的全速域精确控制和高马赫数再入落点控制。文章来自:宇航智控。

星际荣耀公司发射的双曲线一号火箭上的栅格舵

  • [1] 王迎,马贵春,符文科. 不同栅格壁形状的栅格翼导弹气动特性对比研究. 兵工自动化,2017
  • [2] 余永刚. 亚跨音速栅格翼气动特性研究,南京理工大学硕士论文,2007.
  • [3] 彭科,胡凡,张为华,周张. 栅格翼气动特性及其应用研究综述. 固体火箭技术,2015.
  • [4] 黎汉华,石玉红. 栅格翼国内外研究现状及发展趋势. 导弹与航天运载技术,2008.
  • [5] 陈阳. 不同栅格翼模型减阻特性的仿真分析. 中北大学硕士论文,2016.
  • [6] 郭江涛,陆飞龙,王柯,邢存震. 栅格翼气动特性研究现状及应用前景. 中原工学院学报,2011.

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