無人作戰(zhàn)飛機(jī)主動(dòng)射流飛行控制技術(shù)

蔡琰

主動(dòng)射流控制技術(shù)于20世紀(jì)70年代開始研發(fā)，目的是替換復(fù)雜機(jī)械高升力襟翼，具有降低重量體積，使飛機(jī)外緣做到?jīng)]有機(jī)械面縫隙達(dá)到光滑無縫的潛力。但當(dāng)時(shí)判定所需發(fā)動(dòng)機(jī)引氣質(zhì)量過大，只使用射流作動(dòng)器進(jìn)行飛控將大幅縮小所需引氣量。近年來，在北約等的積極推動(dòng)下，主動(dòng)射流控制技術(shù)目前已經(jīng)“合理可用”于飛行控制，至少可用于打擊任務(wù)的進(jìn)入戰(zhàn)場(chǎng)階段。

北約開展的主動(dòng)射流控制（ AFC）技術(shù)應(yīng)用于飛翼式無人戰(zhàn)斗機(jī) （ UCAV）目前已經(jīng)“合理可用”于飛行控制，至少可用于打擊任務(wù)的進(jìn)入戰(zhàn)場(chǎng)階段，該技術(shù)可提高隱身性。北約AVT-239任務(wù)組12月完成了創(chuàng)新控制因子（ ICE）的五年性能評(píng)估。第二個(gè)小組，AVT-925正試飛兩架不同縮比無人機(jī)模型，以期年內(nèi)使用射流飛控技術(shù)飛行。

主動(dòng)射流控制技術(shù)于20世紀(jì)70年代開始研發(fā)，目的是替換復(fù)雜機(jī)械高升力襟翼，但當(dāng)時(shí)判定所需發(fā)動(dòng)機(jī)引氣質(zhì)量過大。只使用射流作動(dòng)器進(jìn)行飛控將大幅縮小所需引氣量。

北約的科學(xué)和技術(shù)組織2013年決定開展主動(dòng)射流控制技術(shù)如何應(yīng)用于未來無人機(jī)系統(tǒng)的評(píng)估。結(jié)果發(fā)布于1月7日-11日AIAA圣地亞哥科學(xué)技術(shù)會(huì)議。AVT-239任務(wù)組包括BAE系統(tǒng)公司和洛克希德·馬丁公司，美國(guó)空軍科學(xué)研究辦公室（AFOSR），英國(guó)國(guó)防科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（DSTL）以及大學(xué)和其他學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)。

未來無人機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)異特點(diǎn)包括高性能、復(fù)雜度及成本降低、隱身性能提高。洛克希德·馬丁公司高級(jí)工程師丹尼爾·米勒稱，主動(dòng)射流控制技術(shù)具有降低重量體積，使飛機(jī)外緣做到?jīng)]有機(jī)械面縫隙達(dá)到光滑無縫的潛力。

AVT-239的目標(biāo)是識(shí)別基線飛機(jī)，應(yīng)用主動(dòng)射流控制技術(shù)并使用若干集成標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估。AFOSR歐洲航宇研發(fā)辦公室航空科學(xué)主任道格拉斯·史密斯稱：“不僅是空氣動(dòng)力學(xué)性能，而是如何在現(xiàn)實(shí)約束條件下以系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低可觀測(cè)性及引氣可用性?！?/p>

作為基線，任務(wù)組使用兩款可用的不同空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)：ICE-101，洛克希德-馬丁公司20世紀(jì)90年代為美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的無尾65。后掠三角翼概念戰(zhàn)斗機(jī);Saccon（意為穩(wěn)定和控制技術(shù)構(gòu)型），基于波音1303設(shè)計(jì)的無尾53。后掠lamda機(jī)翼無人戰(zhàn)斗機(jī)。

AVT-239開發(fā)了典型打擊任務(wù)剖面，包括三個(gè)階段：在30000ft高度以Ma0.9（ Saccon為Ma0.8）進(jìn)入戰(zhàn)場(chǎng)，以規(guī)避機(jī)動(dòng)退出戰(zhàn)場(chǎng)，以及起飛和降落。作為第一步，研究聚焦于將主動(dòng)射流控制技術(shù)應(yīng)用于需求最低的進(jìn)入戰(zhàn)場(chǎng)或巡航階段。

研究著眼于集成主動(dòng)射流控制技術(shù)四項(xiàng)技術(shù)：流動(dòng)分離控制的掃掠噴氣;大后掠創(chuàng)新控制因子上翼尖和機(jī)翼中段前緣噴氣以分離控制渦旋;后緣噴氣以控制環(huán)量;射流矢量推進(jìn)。

主動(dòng)射流控制技術(shù)元件設(shè)計(jì)完成開發(fā)并集成到基線飛機(jī)中，飛機(jī)級(jí)性能評(píng)估開展了小時(shí)級(jí)進(jìn)入戰(zhàn)場(chǎng)階段，以確認(rèn)所需控制功率以及由此所需的引氣質(zhì)量以控制渦流和突風(fēng)。這將決定防止短暫突風(fēng)影響所需的峰值引氣需求是否會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)穩(wěn)定性。

其他評(píng)估的參數(shù)包括成熟度、集成度、四性（可靠性、維修性、可擴(kuò)展性、經(jīng)濟(jì)性）以及“跨平臺(tái)性”，表述了技術(shù)可容易移至到其他后掠角度不同飛機(jī)上的特性。

創(chuàng)新控制因子團(tuán)隊(duì)吸收了有“硬表面”控制器洛克希德·馬丁公司的原創(chuàng)設(shè)計(jì)，開發(fā)了四個(gè)主動(dòng)射流控制技術(shù)構(gòu)型，采取不同的俯仰射流矢量推力組合，后緣和機(jī)翼中段前緣吹氣和掃掠射流。

丹尼爾·米勒稱：“目標(biāo)并不是作弊，使集成更容易。飛機(jī)已經(jīng)很擁擠了。我們研究了進(jìn)入和離開戰(zhàn)場(chǎng)飛控所需的引氣。接著我們集成，盡可能在現(xiàn)有系統(tǒng)上真實(shí)地改裝。然后我們著重（改裝后系統(tǒng)的）‘四性’。”

Saccon團(tuán)隊(duì)同時(shí)采用1303構(gòu)型并應(yīng)用了基于柯恩達(dá)效應(yīng)的環(huán)量控制系統(tǒng)于機(jī)翼后緣襟翼位置的內(nèi)、外部，同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣處采用了推力矢量射流來完成控制俯仰。創(chuàng)新之處在于在跨聲速飛行時(shí)使用超聲速射流降低飛控所需氣量。

環(huán)量控制通過從狹縫向柯恩達(dá)曲面吹氣實(shí)現(xiàn)。射流貼合于曲面引射更多空氣，產(chǎn)生襟翼效果，在機(jī)翼上改變升力。DSTL的克里斯·哈青稱：“以前的主動(dòng)射流控制技術(shù)需要大量氣流保持Ma0.8的吹拂系數(shù)，原因是射流速度和自由流速度的比值?！?/p>

創(chuàng)新控制因子使用的主動(dòng)射流控制技術(shù)作動(dòng)器是分開的，上下各單縫。Saccon使用雙縫的機(jī)構(gòu)。飛行控制系統(tǒng)選取上或下縫實(shí)現(xiàn)增、減升力——或雙縫同時(shí)使用獲得對(duì)稱“反應(yīng)射流”產(chǎn)生推力?？墒怪鲃?dòng)射流控制技術(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生偏航、俯仰和滾轉(zhuǎn)。

超聲速吹氣要求主動(dòng)射流控制技術(shù)系統(tǒng)中噴嘴壓縮比（ NPR）很高。BAE系統(tǒng)公司與曼徹斯特大學(xué)合作演示驗(yàn)證了壓縮比在9的情況下射流附著和脫離表面的情況。壓縮比在7-9之間可和引氣從發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮的情況類似，將減少流體控制所需管道量。

BAE系統(tǒng)公司全球工程師克萊德·華索稱：“狹縫的高度與柯恩達(dá)半徑是關(guān)鍵參數(shù)?！备叩腘PR要求狹縫窄。要求在機(jī)翼后緣上產(chǎn)生與傳統(tǒng)控制類似的厚度——對(duì)于4m的翼弦長(zhǎng)來說需要10 - 15mm以最小化阻力和雷達(dá)反射截面——需要狹縫高度將到0.5mm，半徑5-7mm，對(duì)于制造產(chǎn)生了挑戰(zhàn)。

對(duì)于射流推力矢量來說，次級(jí)射流通過向發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴上或下的反應(yīng)曲面中的孔注入氣體來實(shí)現(xiàn)。結(jié)合位于孔中上游的小臺(tái)階，可使600華氏度Ma0.8的初級(jí)排氣射流矢量化實(shí)現(xiàn)俯仰控制，偏角最大10。。BAE系統(tǒng)公司計(jì)劃結(jié)合偏航射流推力矢量。

第二個(gè)北約任務(wù)組AVT-295于2017年1月成立，試飛主動(dòng)射流控制技術(shù)?？s比飛機(jī)（為了安全安裝了垂直尾翼）延期了將于今年實(shí)現(xiàn)射流飛控，包括美國(guó)空軍學(xué)院的創(chuàng)新控制因子和威爾士的麥格瑪飛機(jī)。

1：7縮比的創(chuàng)新控制因子在2017年最初使用傳統(tǒng)控制方式“挑戰(zhàn)飛行”，與伊利諾伊理工學(xué)院合作開展研究。噴氣模型將使用翼尖或后緣吹氣飛行，但不會(huì)兩者同時(shí)使用，以度量控制功率并驗(yàn)證風(fēng)洞測(cè)試結(jié)果。

麥格瑪基于Saccon平臺(tái)，改裝了機(jī)翼區(qū)域，機(jī)翼更厚，前緣更圓，以減少1303“討厭”的抬頭行為。第一架飛機(jī)2017年使用傳統(tǒng)飛控飛行，第二架（麥格瑪F）已經(jīng)做好飛行準(zhǔn)備，采用射流俯仰推力矢量和超聲速雙縫吹氣環(huán)量控制。

AVT-239對(duì)于創(chuàng)新控制因子和不那么激進(jìn)的Saccon構(gòu)型的評(píng)估結(jié)果是類似的。至少在進(jìn)入戰(zhàn)場(chǎng)階段能否使用射流飛控替代傳統(tǒng)飛控性能，但還不能在飛行所有階段實(shí)施。

克萊德·華索稱：“足量的引氣量可產(chǎn)生主動(dòng)射流控制技術(shù)所需的足夠控制功率，對(duì)現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)是可承受的，創(chuàng)新控制因子使用不到3%，Saccon不到1.8%?！敝鲃?dòng)射流控制技術(shù)在進(jìn)入戰(zhàn)場(chǎng)階段的平均引氣量為0.5%，對(duì)航程產(chǎn)生1%“可接受”的影響。從性能角度是可接受的。

對(duì)兩種平臺(tái)來說，后緣的環(huán)量控制更有效。創(chuàng)新控制因子上的偏航推力矢量是必需的，但翼尖和機(jī)翼中段前緣吹氣和掃掠射流可能對(duì)其他飛行階段更適用。對(duì)飛機(jī)重量、體積、隱身性的影響可能意味著在進(jìn)入戰(zhàn)場(chǎng)階段將主動(dòng)射流控制技術(shù)用作傳統(tǒng)飛控的冗余備份更合理。傳統(tǒng)控制面保持中性位置而使用主動(dòng)射流控制技術(shù)加強(qiáng)隱身。

關(guān)鍵問題是射流飛控系統(tǒng)中閥門的可靠性。丹尼爾·米勒稱：“閥門需要更可靠2 - 2.5倍才能保證主動(dòng)射流控制技術(shù)的可靠性可與傳統(tǒng)飛控系統(tǒng)相比。”克萊德·華索稱：“可靠性問題可通過改進(jìn)閥門設(shè)計(jì)和采取更簡(jiǎn)潔接人架構(gòu)解決?！?/p>

主動(dòng)射流控制技術(shù)對(duì)跨聲速進(jìn)入和離開戰(zhàn)場(chǎng)階段是適用和合理的。未來工作將擴(kuò)展其他任務(wù)階段的評(píng)估，以及故障、冗余控制架構(gòu)等。同時(shí)，保持所有主動(dòng)射流控制技術(shù)飛機(jī)的生存率、可承受性和韌性。