MAGMA無人機驗證無襟翼射流飛行控制

溫杰

自從人類實現(xiàn)飛行以來，借助機械實現(xiàn)飛機操縱的控制方式已經(jīng)沿用了100多年，但是，隨著航空技術(shù)的不斷進步，全新的氣動控制技術(shù)有可能改變這種傳統(tǒng)的飛機操縱方式。

本世紀(jì)初，BAE系統(tǒng)公司針對未來型號發(fā)展的需要，提出了一個頗具挑戰(zhàn)的設(shè)想，希望通過自主探索一些先進技術(shù)，研制一架不需要常規(guī)操縱面的無人機，與正常使用操縱面的無人機相比，并不會影響總體性能。隨后，BAE系統(tǒng)公司在英國工程與物理科學(xué)委員會的大力支持下，與本國多所大學(xué)展開密切合作，在2004年發(fā)起了一個“無操縱面飛行器綜合多學(xué)科研究”（FLAVIIR）項目。

這個項目集中于探索未來無人機的各項技術(shù)，涉及到氣動布局、控制系統(tǒng)等7個領(lǐng)域。此前，這些技術(shù)都在實驗室內(nèi)接受過測試，但是從未集成到一架飛行驗證機上。這項計劃為期5年，主要目標(biāo)是發(fā)展一種力求實現(xiàn)低成本、免維護的無人機，其中特別強調(diào)了無人機在不采用常規(guī)操縱面的情況下就能確保正常飛行和控制操縱。BAE系統(tǒng)公司希望這一項目的研究成果有助于今后設(shè)計無人機時可以取消常規(guī)操縱面，增加無人機的隱身性和可靠性。

經(jīng)過為期5年的通力合作，英國的科研人員研制出了世界一流的射流飛行控制技術(shù)，并成功地應(yīng)用到一架號稱“惡魔”（DEMON）的無人駕駛驗證平臺上，堪稱航空史上的一大創(chuàng)舉。就名稱而言，其本意是“演示、驗證”（Demonstrate）。

FLAVIIR項目在2010年2月正式結(jié)束，取得了令人矚目的工程技術(shù)成就。同年9月17日，“惡魔”無人機從英國坎布里亞郡沃爾尼島的一個機場起飛，首次完成了“無副翼”飛行測試。試飛期間，該機首先在常規(guī)控制方式下飛行，在地面人員發(fā)出的指令后，立即轉(zhuǎn)換到射流控制方式，此時副翼不再產(chǎn)生機械運動，完全依靠氣動效應(yīng)實現(xiàn)滾轉(zhuǎn)控制。

測試“惡魔”驗證機

“惡魔”驗證機在控制系統(tǒng)設(shè)計上利用了柯恩達效應(yīng)，通過一系列試飛證明了利用空氣沿著機翼后緣延伸出的圓形表面兩側(cè)的兩條狹縫切向吹出，可以產(chǎn)生控制效果。

“惡魔”無人機采用梯形機翼、單垂尾、無平尾的氣動布局，翼展為2.44m，重量為91kg。機翼后緣分別設(shè)計了4段操縱面，其中3段為常規(guī)操縱面，可以根據(jù)飛行試驗的需要，起到副翼、襟翼和升降舵的作用，而呈現(xiàn)鋁合金顏色的部件則為“氣動副翼”。從機械裝置角度來看，它實際上就是一個循環(huán)控制致動器，表面加工有兩排小孔，形成了狹縫，可以利用高壓空氣產(chǎn)生射流。

射流裝置由克蘭菲爾德大學(xué)設(shè)計，在機翼后緣采用了一種偏心安裝的圓形柯安達表面。這種設(shè)備輪流打開和關(guān)閉上表面和下表面的狹縫。另外，曼徹斯特大學(xué)也設(shè)計了一種采用閥門為上表面或下表面的增壓室提供高壓空氣的裝置，作為備選方案。

根據(jù)需要，機頭段內(nèi)部安裝了一套輔助動力裝置，作為射流裝置的動力源。這是一臺經(jīng)過改裝的小型渦輪噴氣發(fā)動機，用于驅(qū)動一組動力渦輪和壓縮機，后者為機翼后緣內(nèi)的一個增壓室提供經(jīng)過高壓空氣。

從工作機理上講，“惡魔”無人機在飛行過程中可以保持常規(guī)操縱面不動，僅僅借助于“氣動副翼”實現(xiàn)滾轉(zhuǎn)控制。飛行過程中，高壓空氣借助射流裝置或循環(huán)控制裝置，從機翼后緣上、下表面的狹縫中吹出，利用柯安達效應(yīng)讓噴氣流附著在圓形的機翼后緣，并使機翼表面的流場發(fā)生彎曲，從而有效地改變副翼表面的升力。通過改變機翼兩側(cè)副翼上的狹縫，升力可以增加或減少，使無人機向左或向右滾轉(zhuǎn)。

當(dāng)時，研制人員還只是局限于測試它的滾轉(zhuǎn)控制能力，計劃在下一階段將內(nèi)側(cè)的操縱面改裝為“氣動升降舵”，實現(xiàn)無人機的俯仰控制，也可以通過一個射流推力矢量噴管實現(xiàn)俯仰控制。

但是，F(xiàn)LAVIIR研制團隊驗證的柯恩達效應(yīng)相對有限，部分是因為通過機翼上的狹槽吹出的空氣以亞聲速流動。各項研究的結(jié)果表明，在更高的速度下，超聲速空氣將從曲面分離，提供了亞聲速氣流無法用于方向控制的能力。

另外一個問題是關(guān)于無人機系統(tǒng)的基本適用性。針對“惡魔”驗證機研制的后緣吹氣裝置在測試過程中必須借助螺絲釘經(jīng)常進行手動調(diào)整，如何減小控制裝置的尺寸和減少維護調(diào)整的頻率，成為研制團隊需要解決的一個主要問題。

驗證射流控制技術(shù)

與此同時，BAE系統(tǒng)公司針對未來作戰(zhàn)飛機的發(fā)展需求，與曼徹斯特大學(xué)合作研究一種飛機控制的新概念，取消了傳統(tǒng)上所要求的復(fù)雜機械運動部件，即在飛行過程中改變襟翼、副翼來控制飛機。這種技術(shù)可以提供更好的控制能力，同時減輕重量和降低維護成本，用于未來發(fā)展更輕、更隱身、更快速和更高效的軍用和民用飛機。

MAGMA無人機采用了瑞典霍克渦輪動力公司為模型飛機生產(chǎn)的噴氣式發(fā)動機，主要用于試驗兩項技術(shù)：一項技術(shù)是機翼循環(huán)控制，利用引自發(fā)動機的高壓空氣，以超聲速從機翼后緣吹過，為飛機提供控制。另一項技術(shù)是射流推力矢量，利用多股從狹縫中吹出的空氣偏轉(zhuǎn)發(fā)動機排出的燃氣，從而改變飛機的飛行方向。兩者結(jié)合起來后，飛行員只需控制飛機內(nèi)部的空氣，就可以操縱飛機的方向。

MAGMA無人機所驗證的技術(shù)令人印象深刻，幾乎可以革命性來形容。目前，這項技術(shù)僅限于一架單發(fā)無人駕駛飛機，也只是完成了一次飛行。BAE系統(tǒng)公司聲稱，這項技術(shù)如果投入使用，產(chǎn)生的效益會十分巨大，因此有可能迅速地應(yīng)用于新型飛機設(shè)計上。從飛機設(shè)計來看，這項技術(shù)將有助于增強作戰(zhàn)飛機的隱身性能。飛行員或無人機操作員可以改變飛行器的飛行方向，而不用擔(dān)心由此導(dǎo)致飛機或無人機被雷達發(fā)現(xiàn)。

目前，第二架MAGMA驗證機的機體已經(jīng)制造完成，將配備一些射流控制技術(shù)裝置。后緣控制裝置已經(jīng)安裝完畢；研制團隊仍在致力于集成推力矢量噴管。第一架驗證機將保留傳統(tǒng)的控制裝置，但可以安裝射流控制裝置，用于取代副翼。

除了集成無襟翼控制裝置和推力矢量噴管外，第一架MAGMA驗證機與第二架MAGA驗證機的機身之間的一些主要區(qū)別在于內(nèi)部采用了更好的內(nèi)部管路，更好地將壓縮空氣從發(fā)動機輸送到機翼后緣，并順暢地進入到不同的子系統(tǒng)。在結(jié)構(gòu)上，第一架MAGMA驗證機重達40kg，第二架驗證機會更重一些，主要是機身內(nèi)部填滿了各種射流裝置，重量增加到60kg。這架驗證機也稱為MAGMA射流型。

研制團隊希望第二架驗證機在2018年上半年升空，目標(biāo)是在一系列飛行中逐步實現(xiàn)從飛機上取消垂直尾翼，并使用射流技術(shù)實現(xiàn)完全控制飛行狀態(tài)。