【最新录用】编委高正红教授团队：飞行器气动隐身设计技术研究进展

文摘科技 2024-10-30 11:10 陕西

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飞行器气动隐身设计技术研究进展

文章亮点：气动隐身设计技术是提升作战飞行器突防能力和生存力的关键技术，一直以来都是研究的热点。本文从型号研发对气动隐身设计技术的需求出发，介绍了气动隐身一体化设计的应用和发展，详细阐述了气动隐身协同快速设计技术、气动隐身一体化精细化设计技术和进排气系统气动隐身设计技术的发展历程和研究现状，总结了气动隐身设计经验和技术要点。在此基础上，梳理了决定气动隐身综合优化设计的三项关键技术：复杂外形高效参数化技术、气动隐身精细化设计技术和内外流一体化气动隐身综合设计技术。结合未来飞行器气动隐身的设计需求，对气动电磁红外一体化隐身设计、考虑涂敷的气动隐身设计、气动/隐身结构一体化设计和主动流动控制隐身一体化设计等四项未来重点研究方向进行了展望。

研究背景：隐身技术，又称“低可探测技术”，是一项颠覆性的科技，改变了现代战争的逻辑和模式，一直以来都是各个国家争相角逐的焦点和杀手锏技术。它可以减少飞行器的各种信号——电磁、红外、视觉和声学信号等，从而避免暴露。对飞行器威胁最大的信号源是雷达信号，因此本文所述的隐身主要是雷达隐身。雷达隐身技术通过散射雷达波到非威胁区域而不是直接将其反弹到雷达接收器上，从而减小目标的雷达信号。雷达截面（Rader Cross Section，简称RCS）小的战斗机和轰炸机可以在被探测到之前接近目标，使得与非隐身飞机相比，战场的胜率更高。例如，世界上首屈一指的空中优势战斗机F-15的雷达截面是F-35的5 000倍，导致雷达可以探测到超200 miles（1 mile=1.609 344 km）外的F-15，而F-35直到21英里才会被探测到。通常可以通过外形设计、雷达吸波材料、被动消除和主动消除等技术实现RCS缩减。但是外形设计是隐身设计的基础，是决定飞行器隐身性能的首要因素，同时其使用维护成本也最低。在外形设计的基础上，再结合其他隐身措施，才可能真正实现雷达隐身指标。

最早通过外形实现雷达隐身的飞机是F-117，该飞机的外形布局设计是以电磁隐身为主导，牺牲了气动性能。以B2轰炸机为代表的第二代外形隐身技术，颠覆了雷达主导的理念，实现了气动隐身性能的协同设计；第三代外形隐身技术代表是F22和F35战机，进一步通过外形细节精细化设计实现隐身和气动外形的一体化优化设计。对于新型军用飞机而言，隐身和气动性能要求会随着作战使命的不同将会进一步提升，为了进一步提高飞机的隐身和气动性能，更需要将隐身材料、流动控制和隐身结构等新的技术引入飞行器外形设计中，以实现未来飞行器更低可探测更高作战性能的设计要求。例如，最新一代轰炸机B21在隐身上取得了进一步的发展，气动和隐身在外形上较B2飞机更加融合，机翼外形上更加兼顾气动隐身综合性能。从雷达隐身设计技术的发展可见，随着隐身技术的发展，气动隐身一体化设计越来越紧密和必要。因此本文主要讨论的是气动隐身一体化外形设计技术的发展。

雷达隐身外形设计要求的引入，给飞行器气动力设计带来了新的严苛的约束，颠覆了传统的气动力设计准则，无论是大的布局形式，还是机翼、翼型和进排气等细节设计，气动隐身一体化设计都成为核心的技术。本文首先回顾了气动隐身设计技术的发展历程，接着介绍了气动隐身设计的关键技术，最后对气动隐身设计技术的发展进行了展望与讨论。

研究结论：随着未来作战环境的日益严苛，对飞机的气动隐身的要求将越来越高，气动隐身之间的矛盾越来越突出，导致对飞机外形的要求越来越背道而驰，因此，需要开展从总体布局到精细化设计的一体化气动隐身设计技术，从而应对未来的作战要求。

气动隐身设计发展到现在，其总体布局形式越来越简单，而进排气与机体也越来越融合，给气动隐身设计提出了极高的挑战，必须采用精雕细琢的设计方法和一体化的设计理念逐步提升气动隐身性能，因此需要开发高效高可信度的精细化设计技术和内外流一体化综合设计方法。同时对于流动控制、隐身材料等先进技术也需要持续关注，为新的气动隐身设计革命奠定基础。

作者简介：

赵轲，男，1985-，工学博士，副研究员，硕士生导师，现就职于西北工业大学航空学院，主要从事飞行器总体设计、气动设计与多学科优化、计算空气动力学、主动流动控制技术以及机体-动力一体化设计等研究。现任某eVTOL项目总工程师，主持包括国家重点研发计划、基础加强、共用技术等多项国家级项目。曾就职于航空工业第一飞机设计研究院总体气动所，参与多个国家级重大型号的研制工作，具有丰富的工程设计经验，获航空工业第一飞机设计研究院三等功一次，科技成果二等奖一项，徐舜寿青年科技进步三等奖一项。现担任Aerospace Science and Technology、力学学报、航空学报等知名期刊审稿专家，航空基金评审专家，并多次受邀在APISAT、中国空气动力学大会等国际国内会议中担任分会主席和做分会报告。发表学术论文30余篇。

高正红，女，1960-，工学博士，洪堡学者，现任西北工业大学航空学院教授、博士生导师，飞行器设计学科长江学者特聘教授，教育部长江学者创新团队带头人，享受国务院特殊津贴。兼任中国航空学会理事、国际航空科学大会（ICAS）学术委员会委员；《空气动力学学报》副主编、《航空学报》编委、《飞行力学》编委；第九、十、十一届全国政协委员、陕西省十二届人大常委会委员。长期从事飞行器气动、隐身多学科优化设计、飞行力学等相关问题研究，先后负责承担国家自然基金，国家"十五""十一五""十二五"预先研究、973等研究项目。获得国家科技进步一等奖1次，省部级科技进步奖3次，先后被评为陕西省劳动模范、“全国三八红旗手"，并荣获“冯如航空科技精英奖”以及首届“全国创新争先奖”。

夏露，现任西北工业大学航空学院副教授， 1999年、2001年和2004年分别获得空气动力学与飞行力学专业学士、飞行器设计专业硕士和飞行器设计专业博士学位。长期从事有关飞行器综合设计、设计空气动力学、计算流体力学等方面的研究工作。负责和参与完成了导弹外形气动、隐身一体化设计、多种布局气动／隐身一体化优化设计研究、新型布局及布局机理研究、隐身评估及优化、多学科综合优化设计等研究工作。

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