跨速域乘波体组合变体机翼布局及其任务能力评估

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32051

第二十七届中国科协年会专栏

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

跨速域乘波体组合变体机翼布局及其任务能力评估

马铁林¹, 景彪², 蒋崇文², 乔南璇²^,³(), 付竟成¹, 向锦武²

^1.北京航空航天大学无人系统研究院，北京 100191
^2.北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100191
^3.北京航空航天大学沈元学院，北京 100191

收稿日期:2025-03-31 修回日期:2025-07-21 接受日期:2025-08-10 出版日期:2025-08-19 发布日期:2025-10-30
通讯作者: 乔南璇 E-mail:qiaonanxuan@buaa.edu.cn
基金资助:
航空科学基金(2024Z006051002);中央高校基本科研业务费专项资金(501QYJC2024129001)

Configuration design and mission capability evaluation of a cross-speed-range waverider-integrated morphing wing

Tielin MA¹, Biao JING², Chongwen JIANG², Nanxuan QIAO²^,³(), Jingcheng FU¹, Jinwu XIANG²

^1.Institute of Unmanned System，Beihang University，Beijing 100191，China
^2.School of Aeronautic Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China
^3.Shenyuan Honors College，Beihang University，Beijing 100191，China

Received:2025-03-31 Revised:2025-07-21 Accepted:2025-08-10 Online:2025-08-19 Published:2025-10-30
Contact: Nanxuan QIAO E-mail:qiaonanxuan@buaa.edu.cn
Supported by:
Aeronautical Science Foundation of China(2024Z006051002);the Fundamental Research Funds for the Central Universities(501QYJC2024129001)

摘要/Abstract

摘要：

跨速域飞行器在快速部署、持久侦察与高速投送等领域展现出广阔应用前景，其设计核心挑战在于依靠单一气动布局难以兼顾复杂飞行工况需求且单体平台尺寸较大难以向集群应用场景拓展。提出一种具备集群部署潜力且宽速域性能均衡的变体滑翔飞行器构型，融合乘波体与旋转伸缩机翼气动布局，建立了完整的设计、优化和性能评估框架，实现跨速域变体滑翔飞行器从任务需求到性能评价的完整闭环。在总体参数评估方面，提出了基于多阶段再入飞行走廊的总体参数评估方法；在气动外形优化方面，建立了乘波体尾部整流罩宽速域优化方法和变体机翼全局-梯度两阶段优化策略；在飞行器任务能力评估方面，基于hp-RPM （hp-adaptive Radau Pseudospectral Method）方法完成飞行器可达域计算和任务能力评估，探索出适用于该布局的俯冲-跃升减速策略，可在不改变布局的情况下突破准平衡滑翔软约束完成预定减速任务，使飞行器具备更强的载重能力。

关键词: 跨速域布局设计, 宽速域气动优化, 乘波体, 变体机翼, 飞行器任务能力评估

Abstract:

Cross-speed-range vehicles have shown significant application potential in rapid deployment， persistent reconnaissance， and high-speed delivery. However， their development faces core challenges： a single aerodynamic configuration is often insufficient to accommodate complex flight condition requirements， and large monolithic platforms are difficult to adapt for swarm-based deployment. This study proposes a morphing glide vehicle configuration with swarm deployment capability and balanced cross-speed-range performance. The design integrates a waverider body with rotating and telescopic wings. A comprehensive framework is established， encompassing design， optimization， and performance evaluation， forming a closed-loop development process from mission requirement definition to performance validation for cross-speed-range morphing glide vehicles. In the system-level assessment， a parameter evaluation method based on a multi-stage reentry flight corridor is proposed. For aerodynamic optimization， a cross-speed-range optimization method is developed for the waverider tail fairing， along with a two-stage global–local optimization strategy for morphing wing design. Based on the hp-adaptive Radau Pseudospectral Method （hp-RPM）， reachable domain computation and mission capability evaluation are performed. A dive–climb deceleration strategy suitable for this layout is proposed， enabling the vehicle to overcome quasi-equilibrium glide constraints and fulfill deceleration requirements without modifying the configuration， thereby improving its payload capacity.

Key words: cross-speed-range configuration design, wide-speed-range aerodynamic optimization, waverider, morphing wing, aircraft mission capability assessment

中图分类号:

V211.3

马铁林, 景彪, 蒋崇文, 乔南璇, 付竟成, 向锦武. 跨速域乘波体组合变体机翼布局及其任务能力评估[J]. 航空学报, 2026, 47(1): 632051.

Tielin MA, Biao JING, Chongwen JIANG, Nanxuan QIAO, Jingcheng FU, Jinwu XIANG. Configuration design and mission capability evaluation of a cross-speed-range waverider-integrated morphing wing[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(1): 632051.

图/表 33

图 1

图 2

图 3

表1

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

图 17

图 18

图 19

图 20

图 21

图 22

图 23

表2

表3

图 24

图 25

图 26

图 27

表4

图 28

表5

参考文献 46

[1]	曲智国，林强，费太勇，等. 美国高超声速武器发展与防御［J］. 战术导弹技术， 2023（2）： 39-45.
	QU Z G， LIN Q， FEI T Y， et al. Development and defense of American hypersonic weapon［J］. Tactical Missile Technology， 2023（2）： 39-45 （in Chinese）.
[2]	汪丰麟，朱启超，张杰. 俄罗斯高超声速武器发展简析［J］. 国防科技， 2021， 42（3）： 57-64.
	WANG F L， ZHU Q C， ZHANG J. The development history of Russian hypersonic weapons［J］. National Defense Technology， 2021， 42（3）： 57-64 （in Chinese）.
[3]	HAN Z H， QIAO J L， ZHANG L W， et al. Recent progress of efficient low-boom design and optimization methods［J］. Progress in Aerospace Sciences， 2024， 146： 101007.
[4]	HILTON S， SABATINI R， GARDI A， et al. Space traffic management： Towards safe and unsegregated space transport operations［J］. Progress in Aerospace Sciences， 2019， 105： 98-125.
[5]	ZHAO Z T， HUANG W， YAN L， et al. An overview of research on wide-speed range waverider configuration［J］. Progress in Aerospace Sciences， 2020， 113： 100606.
[6]	LI Z H， JIANG C W， HU S Y， et al. Leading-edge cone method for waverider design［J］. AIAA Journal， 2023， 61（6）： 2331-2346.
[7]	ZHANG T T， WANG Z G， HUANG W， et al. A design approach of wide-speed-range vehicles based on the cone-derived theory［J］. Aerospace Science and Technology， 2017， 71： 42-51.
[8]	ZHAO Z T， HUANG W， LI S B， et al. Variable Mach number design approach for a parallel waverider with a wide-speed range based on the osculating cone theory［J］. Acta Astronautica， 2018， 147： 163-174.
[9]	LI S B， LI L Q， HUANG W， et al. Design and investigation of equal cone-variable Mach number waverider in hypersonic flow［J］. Aerospace Science and Technology， 2020， 96： 105540.
[10]	孟旭飞，白鹏，刘传振. 可变马赫数乘波体的宽速域性能优势探究［J］. 力学学报， 2024， 56（12）： 3442-3454.
	MENG X F， BAI P， LIU C Z. Advantage exploring of variable Mach number waverider in hypersonic wide-speed performances［J］. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics， 2024， 56（12）： 3442-3454 （in Chinese）.
[11]	AJAJ R M， PARANCHEERIVILAKKATHIL M S， AMOOZGAR M， et al. Recent developments in the aeroelasticity of morphing aircraft［J］. Progress in Aerospace Sciences， 2021， 120： 100682.
[12]	LIU C Z， BAI P， YANG Y J， et al. Double swept waverider from osculating-cone method［J］. Journal of Aerospace Engineering， 2018， 31（6）： 06018004.
[13]	WANG J F， LIU C Z， BAI P， et al. Design methodology of the waverider with a controllable planar shape［J］. Acta Astronautica， 2018， 151： 504-510.
[14]	刘超宇，屈峰，李杰奇，等. 涡波一体乘波飞行器宽速域气动优化设计研究［J］. 力学学报， 2023， 55（1）： 70-83.
	LIU C Y， QU F， LI J Q， et al. Aerodynamic optimization design of the vortex-shock integrated waverider in wide speed range［J］. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics， 2023， 55（1）： 70-83 （in Chinese）.
[15]	LI Z H， JIANG C W， HU S Y， et al. Variable leading-edge cone method for waverider design［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2025， 38（3）： 103225.
[16]	LIU C Z， BAI P. Waverider design using osculating method［J］. AIAA Journal， 2024， 62（5）： 1643-1661.
[17]	PHOENIX A A， MAXWELL J R， ROGERS R E. Mach 5-3.5 morphing waverider accuracy and aerodynamic performance evaluation［J］. Journal of Aircraft， 2019， 56（5）： 2047-2061.
[18]	DAI P， YAN B B， HUANG W， et al. Design and aerodynamic performance analysis of a variable-sweep-wing morphing waverider［J］. Aerospace Science and Technology， 2020， 98： 105703.
[19]	罗世彬，岳航，刘俊. 高超声速变构型飞行器气动布局优化设计［J］. 电子技术与软件工程， 2023（2）： 51-55.
	LUO S B， YUE H， LIU J. Aerodynamic layout optimization design of hypersonic variable configuration aircraft［J］. Electronic Technology & Software Engineering， 2023（2）： 51-55 （in Chinese）.
[20]	LIU B， LIANG H， HAN Z H， et al. Surrogate-based aerodynamic shape optimization of a morphing wing considering a wide Mach-number range［J］. Aerospace Science and Technology， 2022， 124： 107557.
[21]	LI H F， ZHANG R， LI Z Y， et al. Footprint problem with angle of attack optimization for high lifting reentry vehicle［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2012， 25（2）： 243-251.
[22]	吴楠，王锋，赵敏，等. 高超声速滑翔再入飞行器的可达区快速预测［J］. 国防科技大学学报， 2021， 43（1）： 1-6.
	WU N， WANG F， ZHAO M， et al. Fast prediction for footprint of hypersonic glide reentry vehicle［J］. Journal of National University of Defense Technology， 2021， 43（1）： 1-6 （in Chinese）.
[23]	ZHANG Y L， CHEN K J， LIU L H， et al. Rapid generation of landing footprint based on geometry-predicted trajectory［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part G： Journal of Aerospace Engineering， 2017， 231（10）： 1851-1861.
[24]	GARG D， PATTERSON M， HAGER W W， et al. A unified framework for the numerical solution of optimal control problems using pseudospectral methods［J］. Automatica， 2010， 46（11）： 1843-1851.
[25]	李兆亭，周祥，张洪波，等. 基于伪谱法的再入可达域影响因素分析［J］. 上海交通大学学报， 2022， 56（11）： 1470-1478.
	LI Z T， ZHOU X， ZHANG H B， et al. Analysis of entry footprint based on pseudospectral method［J］. Journal of Shanghai Jiao Tong University， 2022， 56（11）： 1470-1478 （in Chinese）.
[26]	王涛，张洪波，李永远，等. Gauss伪谱法的再入可达域计算方法［J］. 国防科技大学学报， 2016， 38（3）： 75-80.
	WANG T， ZHANG H B， LI Y Y， et al. Landing footprint generation of entry vehicle based on Gauss pseudospectral method［J］. Journal of National University of Defense Technology， 2016， 38（3）： 75-80 （in Chinese）.
[27]	赵江，周锐. 基于粒子群优化的再入可达区计算方法研究［J］. 兵工学报， 2015， 36（9）： 1680-1687.
	ZHAO J， ZHOU R. Landing footprint computation based on particle swarm optimization［J］. Acta Armamentarii， 2015， 36（9）： 1680-1687 （in Chinese）.
[28]	GUO X L， HUANG Y R， LI T R， et al. Intelligent calculation of reachable domain under No-fly zone influence based on tangent flight trajectories［J］. Engineering Applications of Artificial Intelligence， 2024， 137： 109146.
[29]	HOLZINGER M J， SCHEERES D J， HAUSER J. Reachability using arbitrary performance indices［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2015， 60（4）： 1099-1103.
[30]	LIU K， ZHANG J L， GUO X L. Reentry flight capability assessment based on dynamics-informed neural network and piecewise guidance［J］. Aerospace， 2022， 9（12）： 790.
[31]	CHAI R Q， TSOURDOS A， SAVVARIS A， et al. Trajectory planning for hypersonic reentry vehicle satisfying deterministic and probabilistic constraints［J］. Acta Astronautica， 2020， 177： 30-38.
[32]	PAN L， PENG S C， XIE Y， et al. 3D guidance for hypersonic reentry gliders based on analytical prediction［J］. Acta Astronautica， 2020， 167： 42-51.
[33]	ZHANG D， LIU L， WANG Y J. On-line reentry guidance algorithm with both path and no-fly zone constraints［J］. Acta Astronautica， 2015， 117： 243-253.
[34]	张阳，韩忠华，张科施，等. 高超声速飞行器宽速域气动布局设计与优化研究进展［J］. 空天技术， 2024（2）： 1-14.
	ZHANG Y， HAN Z H， ZHANG K S， et al. Progress in the research on aerodynamic layout design and optimization for wide-speed-range hypersonic vehicles［J］. Aerospace Technology， 2024（2）： 1-14 （in Chinese）.
[35]	刘文，郭帅旗，刘洋，等. 乘波体设计与优化研究进展：从高超声速至宽速域［J］. 力学学报， 2024， 56（6）： 1655-1677.
	LIU W， GUO S Q， LIU Y， et al. Advances in design and optimization of waverider： From hypersonic to wide-speed range［J］. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics， 2024， 56（6）： 1655-1677 （in Chinese）.
[36]	陈树生，冯聪，张兆康，等. 基于全局/梯度优化方法的宽速域乘波-机翼布局气动设计［J］. 航空学报， 2024， 45（6）： 629596.
	CHEN S S， FENG C， ZHANG Z K， et al. Aerodynamic design of wide-speed-range waverider-wing configuration based on global & gradient optimization method［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（6）： 629596 （in Chinese）.
[37]	陈树生，张兆康，李金平，等. 一种宽速域乘波三角翼气动布局设计［J］. 航空学报， 2023， 44（23）： 128441.
	CHEN S S， ZHANG Z K， LI J P， et al. Wide-speed aerodynamic layout adopting waverider-delta wing［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（23）： 128441 （in Chinese）.
[38]	孟旭飞，白鹏，刘传振. 基于可变马赫数锥形流场的定平面形状乘波体设计方法研究［J］. 力学学报， 2023， 55（9）： 1809-1819.
	MENG X F， BAI P， LIU C Z. Research on design method of planform-customized waverider from variable Mach number conical flow［J］. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics， 2023， 55（9）： 1809-1819 （in Chinese）.
[39]	李珺，易怀喜，王逗，等. 基于投影法的双后掠乘波体气动性能［J］. 航空学报， 2021， 42（12）： 124703.
	LI J， YI H X， WANG D， et al. Aerodynamic performance of double swept waverider based on projection method［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2021， 42（12）： 124703 （in Chinese）.
[40]	易怀喜，王逗，李珺，等. 涡升力乘波体发展研究综述［J］. 航空工程进展， 2021， 12（6）： 1-12.
	YI H X， WANG D， LI J， et al. Overview on the development research of vortex lift waverider［J］. Advances in Aeronautical Science and Engineering， 2021， 12（6）： 1-12 （in Chinese）.
[41]	武宇飞，龙腾，史人赫，等. 跨域变体飞行器气动力热非层次多模型融合降阶方法［J］. 航空学报， 2023， 44（21）： 528259.
	WU Y F， LONG T， SHI R H， et al. Non-hierarchical multi-model fusion order reduction based on aerodynamic and aerothermodynamic characteristics for cross-domain morphing aircraft［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（21）： 528259 （in Chinese）.
[42]	张龙，田野，李博骁. 应急快速抵近侦察监视技术发展现状与思考［J］. 兵工自动化， 2020， 39（6）： 10-15.
	ZHANG L， TIAN Y， LI B X. Development status and thinking of emergency fast close-in reconnaissance and surveillance techniques［J］. Ordnance Industry Automation， 2020， 39（6）： 10-15 （in Chinese）.
[43]	马铁林，乔南璇，付竟成，等. 一种具备旋转伸缩功能的飞行器机翼： CN216086693U［P］. 2024-06-07.
	MA T L， QIAO N X， FU J C， et al. An aircraft wing with rotatable and telescopic features： CN216086693U［P］. 2024-06-07 （in Chinese）.
[44]	QIAO N X， MA T L， JING B， et al. Design and aerodynamic analysis of the morphing waverider with rotating telescopic wing for wide-speed-range flight［J］. Aerospace Science and Technology， 2025， 158： 109941.
[45]	乔南璇，马铁林，薛普，等. 考虑多源模型时间成本的乘波体整流罩宽速域优化［J］. 力学学报， 2025， 57（3）： 578-592.
	QIAO N X， MA T L， XUE P， et al. Waverider fairing optimization incorporating multi-source model time cost［J］. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics， 2025， 57（3）： 578-592 （in Chinese）.
[46]	雍恩米，唐国金，陈磊. 高超声速无动力远程滑翔飞行器多约束条件下的轨迹快速生成［J］. 宇航学报， 2008， 29（1）： 46-52.
	YONG E M， TANG G J， CHEN L. Rapid trajectory planning for hypersonic unpowered long-range reentry vehicles with multi-constraints［J］. Journal of Astronautics， 2008， 29（1）： 46-52 （in Chinese）.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

飞行器构型	过载	最大动压/kPa	最大热流密度/（kW∙m^-2）
乘波体构型	［5，8］	150	2 000
小展弦比构型	［2，3］	10	1 000
大展弦比构型	［2，3］	5	500

边界条件	指标
再入高度/km	60
再入速度/（m·s^-1）	5 500
乘波体构型法向过载	［5，8］
小展弦比及大展弦比构型法向过载	［2，3］
再入构型最大动压/kPa	150
小展弦比构型最大动压/kPa	10
大展弦比构型最大动压/kPa	5
第1交班点高度/km	20
第1交班点速度上限/（m·s^-1）	220
第1交班点航向倾角/（°）	0
第2交班点高度/km	10
第2交班点速度上限/（m·s^-1）	90
第2交班点航向倾角/（°）	0

控制量	指标
攻角/（°）	［10，20］
乘波体构型攻角变化率/（（°）·s^-1）	［-5，5］
小展弦比及大展弦比构型攻角变化率/（（°）·s^-1）	［-10，10］
滚转角/（°）	［-30，30］
乘波体构型滚转角变化率/（（°）·s^-1）	［-10，10］
小展弦比及大展弦比构型滚转角变化率/（（°）·s^-1）	［-15，15］

总质量/kg	乘波体构型滑翔时间/s	小展弦比构型滑翔时间/s	大展弦比构型滑翔时间/s	亚声速总滑翔时间/s	终点经度/（°）
80	3 412	628	1 055	1 683	95.97
120	3 372	528	872	1 400	96.09
160	3 341	468	761	1 229	96.06
200	3 319	425	680	1 105	96.01

总质量/kg	乘波体构型滑翔时间/s	小展弦比构型滑翔时间/s	大展弦比构型滑翔时间/s	亚声速总滑翔时间/s	终点经度/（°）
80	3 412	107	3 099	3 206	95.83
120	3 372	104	2 504	2 608	95.97
160	3 341	106	2 111	2 217	95.85
200	3 319	105	1 984	2 089	95.81

跨速域乘波体组合变体机翼布局及其任务能力评估

Configuration design and mission capability evaluation of a cross-speed-range waverider-integrated morphing wing

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 33

参考文献 46

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	孟旭飞, 白鹏, 刘传振. 内锥流场参数对定平面形状乘波体性能的影响[J]. 航空学报, 2026, 47(1): 632041-632041.
[2]	段佳昕, 刘愿, 高亮杰, 钱战森. 展向多参数可变的新型宽速域乘波体设计方法[J]. 航空学报, 2026, 47(1): 632109-632109.
[3]	杨凯, 张勐飞, 施崇广, 余耀堃, 郑晓刚, 朱呈祥, 尤延铖. 三维弯曲流面法及其在外流乘波体中的应用[J]. 航空学报, 2025, 46(2): 130492-130492.
[4]	张伟, 聂旭涛, 欧李苇, 夏智勋, 陈磊. 基于频率加权的后缘拍动变体机翼流场模态分解[J]. 航空学报, 2024, 45(18): 129846-129846.
[5]	喻世杰, 周兴华, 黄锐. 变弯度机翼参数化气动弹性建模与颤振特性分析[J]. 航空学报, 2023, 44(8): 227346-227346.
[6]	刘超宇, 屈峰, 孙迪, 刘传振, 钱战森, 白俊强. 基于离散伴随的高超声速密切锥乘波体气动优化设计[J]. 航空学报, 2023, 44(4): 126664-126664.
[7]	陈树生, 张兆康, 李金平, 冯聪, 高正红. 一种宽速域乘波三角翼气动布局设计[J]. 航空学报, 2023, 44(23): 128441-128441.
[8]	刘传振, 孟旭飞, 刘荣健, 白鹏. 双后掠乘波体高超声速试验与数值分析[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 126015-126015.
[9]	孟旭飞, 白鹏, 李盾, 王荣, 刘传振. 上/下反翼对双后掠乘波体高超特性的影响[J]. 航空学报, 2022, 43(2): 124998-124998.
[10]	李珺, 易怀喜, 王逗, 罗世彬. 基于投影法的双后掠乘波体气动性能[J]. 航空学报, 2021, 42(12): 124703-124703.
[11]	周航, 金志光. 非均匀来流下三维激波反问题的微元密切轴对称解法[J]. 航空学报, 2020, 41(12): 124035-124035.
[12]	刘传振, 田俊武, 白鹏, 刘强. 双后掠乘波体的非线性升力增长[J]. 航空学报, 2019, 40(10): 122864-122864.
[13]	刘传振, 刘强, 白鹏, 陈冰雁, 周伟江. 涡波效应宽速域气动外形设计[J]. 航空学报, 2018, 39(7): 121824-121824.
[14]	宋赋强, 阎超, 马宝峰, 鞠胜军. 锥导乘波体构型的气动特性不确定度分析[J]. 航空学报, 2018, 39(2): 121519-121519.
[15]	贺旭照, 乐嘉陵. 曲外锥乘波体进气道实用构型设计和性能分析[J]. 航空学报, 2017, 38(6): 120690-120690.