無人實驗飛機測試尖端技術創(chuàng)新

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無人實驗飛機測試尖端技術創(chuàng)新

為了緩解主要航空樞紐的擁堵狀況，使飛機能夠在較短的跑道上起飛和降落，航空界提出了一種可能的解決方案——環(huán)流控制翼概念。該技術要求增加高壓空氣的量，這些高壓空氣可由噴氣式發(fā)動機產(chǎn)生，也可通過安裝獨立壓縮機獲得，其在機翼的前緣和后緣上流動，從而產(chǎn)生更大的升力。由此，飛機就能夠在較低的速度下起飛和降落，從而縮短所需跑道的長度，并提高承載能力。

為了驗證這一方案，2006年，美國國家航空航天局（NASA）德萊頓飛行研究中心（現(xiàn)在的阿姆斯特朗飛行研究中心）通過小企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）計劃項目提出了設計和制造配備環(huán)流控制翼的亞尺寸的無人實驗飛機進行測試的項目征集計劃。在測試中，研究人員將主要測定普通飛機和采用新技術的飛機的起降跑道長度，并進行比較。此外，研究人員還將對飛行的其它參數(shù)進行測量，包括環(huán)流控制翼對于空氣動力學失速的反應等。由于在風洞測試或仿真建模中不能非常準確地模擬失速情況，而其又是必須的飛行測試數(shù)據(jù)，且載人測試風險很大，因此，無人實驗飛機測試無疑是最好的解決方案。

美國喬治亞州肯尼索市的Area-I公司最終獲得了SBIR計劃項目第一階段和第二階段的資助，主要用于無人實驗飛機設計的研發(fā)。同時，該公司還獲得了佐治亞州的資助，并同時投入了部分自籌資金，以設計一個無人實驗飛機的原型。Area-I公司的首席執(zhí)行官（CEO）尼克·阿利（Nick Alley）負責管理環(huán)流控制翼項目。經(jīng)過努力，Area-I公司在2011年完成了該無人實驗飛機的開發(fā)。

在該無人實驗飛機的開發(fā)期間，NASA開始專注于其它方面的航空研究，NASA的兩個研究中心開始征求開發(fā)不同的實驗飛機的SBIR計劃項目。其中，阿姆斯特朗飛行研究中心希望開發(fā)一種低成本、亞尺寸的基準模型，類似于一個中程、窄體、雙噴氣發(fā)動機客機的模型，用于開展空氣動力學研究。蘭利研究中心希望開發(fā)一種采用T型尾翼和后置發(fā)動機架的區(qū)域型亞尺寸飛機，用于其航空安全計劃項目研究。由于采用T型尾翼的飛機存在著更為嚴重的失速特性，因此，蘭利研究中心的研究人員希望試飛一個小型的模型，使其在極端條件下進行測試。從這些測試中收集到的數(shù)據(jù)將被用于開發(fā)飛行員訓練模擬器的模型。

幸運的是，Area-I公司設計的用于測試循環(huán)控制翼的無人實驗飛機具有超強的適應能力。該公司設計出了一個可重構的平臺，僅需少量的改進，就可按照需求重新對設計的無人實驗飛機進行配置，如可更換機翼的種類，或者安裝其它設備，而無需從頭重新設計一個全新的飛機。鑒于其多功能性，該無人實驗飛機被稱為“原型技術評估研究飛機”（PTERA）。2011年，Area-I公司申請并獲得了阿姆斯特朗研究中心和蘭利研究中心的SBIR第一階段的資助，用于開發(fā)尼克·阿利所謂的“飛行實驗室”。2012年，Area-I公司獲得了阿姆斯特朗研究中心和蘭利研究中心第二階段的資助資金，繼續(xù)開展相關研究工作。

2014年，Area-I公司完成了阿姆斯特朗研究中心和蘭利研究中心所需實驗飛機的制造，并開發(fā)出了類似于阿姆斯特朗研究中心的中程雙噴氣發(fā)動機飛機的另一模型，計劃用于商業(yè)用途。

其中，Area-I公司為阿姆斯特朗研究中心開發(fā)的模型是1︰10的縮比模型。采用該模型，阿姆斯特朗飛行研究中心在空氣動力學方面開發(fā)了多項研究。例如，該研究中心計劃用其測試采用記憶合金制成的翼梢。此外，該研究中心還將用其來測試其它的機翼創(chuàng)新設計，以及各種傳感器和模擬算法等。

該公司為蘭利研究中心開發(fā)的飛機被命名為T型尾翼通用模塊化飛機（PTERA GMA-TT），大小約為全尺寸的16%，可用于驗證一架中型區(qū)域型噴氣式運輸機的飛行動力學特性，除了提高失速情況下飛行員的應對能力外，還將測試相關的警報和自動化技術。另外，蘭利研究中心還研究了幾種先進的控制規(guī)律，可自動使飛機擺脫失速等危險狀態(tài)，這些控制規(guī)律的驗證也是GMA-TT可能應用的領域。

基于與NASA的成功合作，Area-I公司正在為美國海軍和美國空軍開發(fā)其它的無人航空飛行器機身，也開始接受對利用PTERA或該公司設計的其它無人飛機產(chǎn)品進行航空航天技術測試感興趣的大學和企業(yè)的訂單。這些測試對于載人駕駛飛機測試來說可能太危險，或者通過風洞測試無法精確進行模擬，

需要通過真正的無人實驗飛機進行測試。

在阿姆斯特朗飛行研究中心SBIR計劃第二階段項目的支持下，2014年，Area-I公司的PTERA在喬治亞州進行了3次獨立的飛行和測試。測試結果有助于Area-I公司的工程師進一步優(yōu)化控制器的結構設計和多種飛行軟件的性能，也可獲得新型飛機在飛行過程中可能遇到的意外情況，并研究出相關的解決方案，在新型飛機正式投入使用前消除隱患。這也意味著大量的挑戰(zhàn)性工作已經(jīng)完成。PTERA是一個整體系統(tǒng)，包括從地面控制站到機載航空電子設備，到機身及其結構的全部設計。其擁有開源的飛行計算機系統(tǒng)，用戶可以進入系統(tǒng)中，基于PTERA加載所需的設計，如可以加入自己的有效載荷，可以設計新的機翼或其它結構，僅需很短的時間，就可構建出所需的產(chǎn)品，并進行飛行測試，而無需從頭設計新的飛機。

實際飛行測試數(shù)據(jù)還能幫助Area-I公司建立PTERA飛行性能數(shù)據(jù)庫，以記錄其最大速度、起飛距離和高度等參數(shù)。用戶可查詢所有的飛行測試基本數(shù)據(jù)，并將其與這些數(shù)據(jù)創(chuàng)新設計后的數(shù)據(jù)進行比較，確定是否獲得了預期的效果，如創(chuàng)新設計的燃油消耗是否更少等。這對于新技術的評估非常有價值。目前，共享這種飛行測試數(shù)據(jù)的做法非常少見，因為根據(jù)《國際武器管制條例》（ITAR），美國海軍和美國空軍所擁有的數(shù)據(jù)不能公開，而企業(yè)的專有數(shù)據(jù)通常不愿共享。PTERA的數(shù)據(jù)基本上全部歸政府所有，并且是非軍事數(shù)據(jù)，因此，便于傳播和發(fā)布。

PTERA的模塊化設計技術的另一個優(yōu)勢在于成本。通常，同類產(chǎn)品的價格約為幾百萬美元，甚至幾千萬美元，而購買一架新的PTERA僅需約25萬美元。

對于Area-I公司而言，從NASA合作開展的亞尺寸無人實驗飛機研究中獲得的經(jīng)驗是無價的，不僅鍛煉了其年輕工程師，也獲得了從其它領域無法獲得的經(jīng)驗，提高了公司的科研和生產(chǎn)能力，促進了公司的發(fā)展。

(唐甜)

▲ PTERA可用于T型尾翼飛機在正常和失速情況下的對比

Unmanned Research Aircraft Test Cutting-Edge Innovations