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2014年“创新杯”第六届全国未来飞行器设计大赛第1页共9页TK-6新型可变体UCAV近年来关于高超声速飞行器的研发较为火热，对此类飞行器在宽速度包线内的性能研究也已经起步。同时，未来战斗机的发展的方向之一便是追求更高速度和无人化控制，未来战斗机的研发很有可能与高超声速飞行器和无人机产生较大交集。目前将三者结合的概念仍然鲜有，但这三者的结合产物在未来必定会有巨大的应用价值。它将以远超其他战斗机的速度、航程和作战效能，在未来更复杂更广阔的战场环境中发挥无可替代的作用。TK-6将战斗机、无人机和高超声速飞行器相结合，通过外形变体技术与TBCC（涡轮基组合循环发动机）同时兼顾了低速大迎角机动性能和高超声速飞行性能。TK-6具备极强空战能力的同时拥有极快的速度和极远的航程，在未来战场中能够在亚轨道高度远程高速突防，击毁敌后重要战略目标，并拥有极高的生存能力。而且由于其多功能的定位，它不仅能够执行战略打击任务，其在常规战场上的战斗力也非同一般。2.总体设计TK-6作为一款变体飞行器，其各个部件、各个模态间的统筹兼顾也是设计重点之一。本文在此通过大量介绍性图片及文字，帮助了解TK-6的总体设计，以在后文中更为清晰明了地介绍细节设计。为了方便说明，本文将TK-6的发动机称为BXH-3，矢量喷口称为PZ-40。2.1.变模态TK-6的气动外形、BXH-3发动机和PZ-40矢量喷口都可以改变形态结构和工作方式，即拥有不同的模态。TK-6气动外形分为低速模态和高速模态，BXH-3发动机分为涡扇模态、涡喷模态、亚燃冲压模态和超燃冲压模态，PZ-40矢量喷口分为收缩扩张模态和扩张模态。TK-6各部件的各个模态与速度的对应关系如图1。图12.2.简要外形图22014年“创新杯”第六届全国未来飞行器设计大赛第2页共9页图32.3.主要气动面的划分图42014年“创新杯”第六届全国未来飞行器设计大赛第3页共9页2.4.主要部件的分布图53.气动设计为了兼顾高超声速、亚声速和大迎角姿态，TK-6采用了翻转折翼的变体结构，将前掠翼与后掠翼、常规翼型与∧形弹翼相结合。并将乘波体、鸭翼、边条、机翼缺口等进行结合设计，优化了全部飞行包线和所有飞行姿态下的飞行性能。3.1.翻转折翼TK-6的机翼分为外翼和内翼两段，外翼大角度前掠，内翼小角度后掠（如图6）。内外翼之间通过铰链连接，外翼可以在飞行时绕內翼翼梢折叠184°，从而与內翼相贴合，两者共同形成新的飞行器前缘、翼形和翼型。翻转折翼的实质是在前后掠翼之间切换，利用前后掠翼的不同气动特性和适用范围，兼顾高低速飞行。翻转折翼还图6可以将机翼后掠角在19.8°和56.3°间切换，展弦比在2.49和0.79间切换，翼型在常规翼型和压缩升力翼型间切换，通过改变多处主要气动参数从而在高低速都能保持最佳飞行性能。2014年“创新杯”第六届全国未来飞行器设计大赛第4页共9页图7机翼闭合后形成的闭合翼型在高超声速时的气动特性：图8翻转折翼式变体设计使TK-6可以根据不同的飞行速度改变气动布局、后掠角、展弦比和翼型，较其他变体设计具有可变参数多、变换结构简单等优势。能够更好地满足TK-6对高速和低速的不同需求，保证在所有飞行包线内都能拥有最佳性能。图93.2.乘波前体TK-6的前体采用了乘波体构型，以在高超声速飞行时保持较高飞行性能，同时更好地与后机身以及TBCC发动机相匹配。乘波前体采用了由已知的无粘可压缩超声速流场作为出发点的反设计方法（设计原理如图10，公式1为计算生成乘波体的下表面流线的方程），并选取速度适中的6Ma为设计点，升阻比最大的β=12作为半基准圆锥激波角。将计算生成的乘波体原型进行匹配优化设计后形成TK-6的前体。公式1图10图11TK-6的乘波前体（图11）改善了下表面压力分布并增大了高压区面积，从而获得更高升力效率，也为发动机进气口提供压缩效果更好的进气。乘波体宽大的外形不仅更容易与升力体机身相结合，也能够增大前部机体的内部容积，使TK-6能够安装更大直径的雷达，从而提升其整体作战性能。2014年“创新杯”第六届全国未来飞行器设计大赛第5页共9页3.3.鸭翼-边条系统TK-6的鸭翼与边条相结合，鸭翼在不偏转时与边条共面，两者融为一体并构成联系气动面，从而增大整体升阻比。当鸭翼偏转后鸭翼不再与边条相接触。两者不再构成连续气动面，鸭翼提供仰俯控制力矩，并与边条形成有利气动耦合。在大迎角时，鸭翼与边条共同形成一个强劲涡流，控制升力面的气流分离并产生较强涡升效应。鸭翼与边条产生的缝隙可以将机体下表面高压气流引入上表面，加强涡流的同时提供下俯稳定力矩。使TK-6的失速特性得到改善、升力形成平台，仰俯力矩拐点后移，失速迎角增大。而且其融合于整体气动布局的外形又可以兼顾到高速飞行。在大幅提升TK-6的机动性的同时增强其巡航飞行时的气动效率，提升了整体作战性能。图12图13图142014年“创新杯”第六届全国未来飞行器设计大赛第6页共9页3.4外翼-內翼系统TK-6通过将前掠翼、后掠翼、机翼缺口等设计相结合，大幅提升了外翼-內翼这个系统的气动效率，并使翻转折翼的收效最大限度地扩大。如图15所示，在內翼的翼梢处，內外翼形成一个机翼前缘缺口。在大迎角时这个缺口能够形成强烈的涡流，并与外翼涡产生有利干扰，两者相互增强延迟破裂。形成较强涡升力的同时，能够将前掠外翼翼根处堆积的分离气流卷走，改善前掠外翼翼根不利的气流流动状况。提高了TK-6的大迎角性能，提升了其低速模态时的过失速机动性和持续机动能力。前掠外翼的气动弹性发散问题可由复合材料的弯扭变形耦合效应克服。而內翼有所下反是为了在高速模态时使机翼下反，从而更好地利用压缩升力。同样应用压缩升力的B-70轰炸机的翼尖在高速飞行时会下垂（如图16），以“包住”压缩升力。TK-6下反的机翼为同样的作用（如图17），也可以把这些“流散”的压力包拢起来，获得更多收效。图15图16图173.5.垂尾TK-6保留垂直尾翼的设计是为了解决高超声速飞行安定性骤降的问题，面积较小是为了降低雷达反射面积和阻力。垂尾为全动式，以增强横向控制能力。4.BXH-3发动机基于TK-6低速大推力和高超声速的同时要求，其发动机BXH-3为串联式涡轮基组合循环发动机，涡扇和涡喷模态的核心机处于内涵道，亚燃冲压和超燃冲压发动机（外涵燃烧室）位于外涵道。BXH-3在亚声速提供较大推力的同时，也能够在高超声速飞行时提供飞行动力，且能够自主从亚声速过渡至高超声速。其主要解决了多系统的组合优化问题和超声速燃烧问题。图182014年“创新杯”第六届全国未来飞行器设计大赛第7页共9页图194.1中间风扇BXH-3的风扇处于低压压气机之后，高压压气机之前。这种结构可以消除传统涡扇发动机风扇对压气机的不利影响。而且由风扇处外泄的内涵高压气流增加了外涵气流的压力，提高涡扇的推力效率。核心机进气口的流量比调节片可以对外泄气流量进行调节。更重要的是，中间风扇带来的特殊内外涵构型可在超燃冲压模态解决超声速燃烧难的问题。4.2超声速燃烧由于BXH-3采用中间风扇设计，内涵在风扇处“断开”，使风扇处的内外涵是相通的。在内涵外壁的附面层会在风扇处脱离壁面被卷入外涵气流。而且外涵的高速气流会通过引射作用抽吸内涵中的空气。内涵的气压会因为引射作用远低于外涵，甚至成为类中空状态。这会在风扇处形成横向压力梯度，使外涵气流有向中间靠拢的趋势。同时风扇也起到一定的涡流发生器的作用，这种三种作用相产生复杂的气动耦合，使风扇后形成强度较高且结构复杂的夹杂着附面层的涡流。研究表明，当燃料充分预混时，在高温高压的附面层中会提前发生燃烧。已经发生燃烧的附面层卷入涡流后，会迅速引起其他预混燃气的燃烧，从而点燃外涵燃烧室（如图20）。中间风扇的特殊设计构型，使BXH-3通过形成涡流并将预燃附面层卷入的方式扩散和维持火焰，解决了超声速燃烧点火、火焰扩散和维持火焰难的问题。图202014年“创新杯”第六届全国未来飞行器设计大赛第8页共9页BXH-3将变距风扇、中间风扇、低压转子-风扇减速传动系统、燃气预冷等技术相结合，在实现高超声速飞行动力的同时，在低速也获得了大推力、大推重比。通过优化各部件各流道的设计，解决了涡轮基组合循环发动机流道共用少、死重多等问题。通过中间风扇设计提高了涡扇和涡喷模态的推力效率，并解决了超燃冲压发动机点火、维持火焰难的问题。BXH-3满足了TK-6宽飞行包线的动力需求，使其在所有速度下都拥有强劲的心脏。5.PZ-40矢量喷口TK-6的矢量喷口PZ-40将流场矢量技术和传统的机械矢量偏转相结合，获得了远大于现代矢量喷口的喷流偏转角，大幅提高TK-6的机动性。而且PZ-40的设计也面向BXH-3发动机，能够满足BXH-3不同模态的不同需求。当矢量偏转角需要大于20°时，PZ-40需要同时进行流场矢量偏转和机械矢量偏转。喷流需要向上偏转20°-40°时，流场矢量的偏转程度首先变为最大，之后两个导流块同时向上偏转（如图21）。这种机械偏转方式的偏转角度在±20°左右，推力效率在90％左右。与流场矢量偏转相叠加，喷流最终偏转角度可达±40°左右，推力效率81％左右。±40°的超大矢量偏转将赋予TK-6极强的可操控性和机动性，包括0速度下的机头瞬时转向能力。6任务展望因为TK-6应用尖端技术多且预计性能强，其应用成本应该是非常高的。为解决这个问题，本设计借鉴F-35的应用方式，将TK-6分为两种不同的型号，拥有不同的性能和不同的成本，满足不同的需求。6.1标准型TK-6A此型按TK-6的最高标准设计制造（即本文所介绍），能够进行高超声速飞行。对制造工艺、技术、材料等都有着十分高的要求，造价不菲，维护成本高。但其拥有极强的超远程打击和高速突防能力。TK-6A不可能大量装配，它在未来战争中的作用主要是从亚轨道远程高速突袭，打击敌后重要战略节点，能够起全球战略威慑作用。6.2常规型TK-6B此型TK-6的速度区间在0到4Ma左右，BXH-3发动机削减去亚燃冲压模态和超燃冲压模态，对飞行器和发动机的制造工艺、技术、材料等方面的要求基本等同于普通战斗机。造价等同于普通优秀战斗机，维护便捷。TK-6B在低速机动和超声速机动方面远超其他战斗机，4Ma的最高速度也不会输于其他六代战机，拥有强大的打击能力和较长的留空时间。TK-6B用来大量装配海、空军，用作重型多功能战斗机。在未来战争中的主要作用是夺取制空权、护航、侦查、前线支援、目标轰炸、防空截击等。7基本参数本文中对相对面积的计算以低速模态机翼总面积为计算参数。几何参数设计参数及性能机长20.929m高速模态机翼总面积36.926m2全机空重19000kg高速模态机宽13.32m高速模态机翼翼展5.412m最大燃油装载量15000kg低速模态机宽18.72m高速模态机翼展弦比0.7932011最大武器装载量6000kg机高2.327m高速模态机翼后掠角56.3°最大起飞重量40000kg发动机推力2×150KN，2×220KN（加力）低速模态机翼总面积46.856m2翼身面积38.092m2推重比1.467图212014年“创新杯”第六届全国未来飞行器设计大赛第9页共9页低速模态机翼翼展10.812m低速模态有效升力面积84.848m2低速模态翼载荷353.6kg/m2低速模态机翼展弦比2.49486392高速模态有效升力面积75.018m2高速模态翼载荷399.9kg/m2过载限制无内翼面积28.696m2外翼面积18.16m2TK-6A实用升限50000m内翼后掠角19.8°外翼前掠角56.3°TK-6A巡航速度6Ma內翼翼展5.412m外翼翼展5.4mTK-6A最大速度10Ma内翼展弦比1.02069083外翼展弦比1.60572687TK-6A航程50000km内翼跟梢比2.28911343外翼跟梢比1.07464528TK-6A作战半径20000km内翼下反角4°外翼下反角0°TK-6B实用升限25000mTK-6B巡航速度2.5Ma鸭翼面积6.21m2垂尾面积4.534m2TK-6B最大速度4Ma鸭翼相