国防科技大学 l 高速飞行器舵/翼轻量化技术如何突破“轻质-承载-防热”三重挑战？

摘要：在航空航天领域，“更快、更轻、更远”是永恒的追求，而舵/翼作为飞行器姿态控制的核心部件，其轻量化设计直接决定了飞行器的性能上限。随着飞行速度向高超声速迈进，舵/翼面临超高温（Ma=8时驻点温度超1500℃）、强载荷、宽频振动的极端环境，传统设计难以兼顾“轻质、

在航空航天领域，“更快、更轻、更远”是永恒的追求，而舵/翼作为飞行器姿态控制的核心部件，其轻量化设计直接决定了飞行器的性能上限。随着飞行速度向高超声速迈进，舵/翼面临超高温（Ma=8时驻点温度超1500℃）、强载荷、宽频振动的极端环境，传统设计难以兼顾“轻质、承载、防热”三大需求。

近期，国防科技大学李世斌等研究人员在《战术导弹技术》期刊所发表的《高速飞行器舵/翼结构轻量化技术研究进展》一文，从材料、结构、多场耦合三个维度，拆解高速飞行器舵/翼轻量化的技术突破与未来方向。本期谷·专栏将对该文进行简要分享。

DOI：10.16358/j.issn.1009-1300.20250079

【引用格式】李世斌，黄奕，马锐，等. 高速飞行器舵/翼结构轻量化技术研究进展［J］. 战术导弹技术，2025 （4）：1-15.

一舵/翼结构的“进化史”：从实心板到功能一体化

随着飞行器速度的提升，舵/翼结构外形发生明显变化，由大展弦比梯形翼逐渐演变为小展弦比、尖前缘、薄三角翼，并向翼身融合、小翼面甚至无翼设计发展，呈现轻量化趋势。以美国X-37B、SR-72和俄罗斯“匕首”、“锆石”导弹为例，其舵/翼已采用翼身高度融合或小翼面设计，结构质量系数降至25%以下，较初代战斗机实现显著减重。

图1 战斗机气动外形演化

随着技术的快速进步，轻量化设计在飞行器研发中作用日益突出，不仅能提升航程与机动性，还具显著经济效益。推动舵/翼结构经历了四次关键迭代，每一次进化都围绕“减重增效”展开：

1、实心板式（初代）：以高强铝合金为主，通过机械加工或铸造制成，仅适用于亚声速小型翼面，重量大、刚度有限；

2、整体夹芯式：铝合金板材内部钻孔填充泡沫塑料，相比实心板减重50%，适配较厚舵翼面，但耐温性不足；

3、蒙皮骨架式：变厚度蒙皮与铝合金骨架组合，兼顾外形精度与高气动载荷适应能力，成为超声速飞行器主流；

4、夹层式（高速）：采用蜂窝、点阵、加强肋等结构，材料升级为钛合金、陶瓷基复合材料，可承受超高温与大载荷，实现“结构-防热”初步一体化。

图2 战斗机气动外形演化

二材料是核心：不同区域“量身定制”耐高温轻质方案

高速飞行器舵/翼按热流分布可分为前缘高热流区、大面积防热区、内部承力骨架，不同区域材料选择需精准匹配环境需求：

表1 空气舵/翼不同区域的材料选型

图3 金属/复材比强度/最大服役温度图

传统飞行器常用的铝合金，因耐温不足已逐步退出高超声速热结构设计领域；而陶瓷基复合材料（如C/SiC）凭借1600℃工作温度、高比强度的优势，成为未来典型耐高温区域防热方案的优选，例如法国Hermes航天飞机的升降副翼、美国Sanger航天飞机的方向舵等均采用该材料。

三 “结构优化”+“制造创新”：让“轻”与“强”兼得

仅靠材料升级不够，结构设计与制造技术的突破，才能进一步释放轻量化潜力：

1 仿生/点阵结构：向自然界“偷师”

仿生结构：模仿叶脉、甲虫鞘翅的多孔/分支形态，实现“轻质-高刚度”平衡。例如，受鱼鳃盖骨“Y”形分支启发，研究学者设计出仿生夹层舵翼，刚度提升的同时减重21.5%；

图4 仿生夹层结构

点阵结构：由毫米级杆件组成四面体、金字塔等构型，内部可填充气凝胶隔热，兼顾承载与防热。美国NASA利用点阵结构设计机翼，通过内部通冷却液，实现“轻质-承载-防热”一体化，减重超10%。

2 优化算法：从“经验设计”到“精准计算”

传统“校核式设计”已被现代优化方法取代，三类核心算法成为主流：

尺寸优化：调整蒙皮厚度、骨架截面等参数，如国外团队通过响应面优化，实现机翼减重27%；拓扑优化：通过改变材料分布突破传统构型，如丹麦学者用变密度法设计的机翼，结构类似自然骨骼；多目标混合优化：结合拓扑、尺寸、形状优化，国内团队对飞翼结构采用“拓扑重构-尺寸优化”流程，实现减重增刚双重目标。

图5 翼/舵结构优化设计

3 增材制造：解锁复杂结构的“钥匙”

金属点阵结构通过选区激光熔融（SLM）增材制造技术，可实现致密度近100%的复杂构型；钛合金超塑成型/扩散连接（SPF/DB）工艺，材料利用率达100%，已用于美国 F-22 舵翼制造，国内也完成相关技术验证，为复杂舵翼面量产奠定基础。

0 4 多场耦合：高超声速的“隐形挑战”

高速飞行中，“气动力、热、振动”形成“流-热-固”多场耦合效应，曾导致多起飞行器事故：“哥伦比亚”号航天飞机因隔热板破损引发颤振解体，X-15验证机在Ma7飞行时因热-结构耦合诱发垂尾颤振。

已有研究表明，多场耦合分析能显著提升轻量化设计效果。如气动–结构松耦合用于机翼和变形翼优化，获得轻质高刚度方案；气动–热–结构或热–固耦合用于高速飞行器舵翼优化，可满足热–力性能要求并减重。当前研究主要聚焦以下两大方向：

耦合分析方法：采用紧耦合（实时交互数据）、松耦合（分阶段计算）两种方式，结合 CFD（计算流体动力学）与CSD（计算结构力学），精准预测极端环境下的结构响应；耦合优化设计：国内团队构建“流-热-固”集成分析平台，在热颤振约束下对升力面优化，实现轻量化的同时保障安全；国外通过热-结构单向耦合优化，获得满足热-力性能的轻质舵结构。