射流飛控技術(shù)正在逐漸展現(xiàn)部分替代飛機舵面的潛力

徐悅

射流飛控技術(shù)通過引入二次射流改變飛機局部或全局繞流，產(chǎn)生飛行控制所需的氣動力和氣動力矩，實現(xiàn)與機械式活動舵面作用類似的“虛擬舵面”效果。射流飛控技術(shù)本質(zhì)上屬于空氣動力學(xué)中的流動控制范疇，但又有別于傳統(tǒng)流動控制技術(shù)。傳統(tǒng)流動控制通過引入相關(guān)控制措施來改變流動狀態(tài)，以實現(xiàn)飛行氣動性能的增強，而射流飛控是以實現(xiàn)飛機飛行姿態(tài)控制和機動飛行為目標(biāo)，相對需要輸入的能量大得多，對控制效率、控制精/準(zhǔn)度、系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性等方面的要求極高。

相對機械活動舵面，采用射流飛控技術(shù)可以消除飛機上大量的鼓包、縫隙、尖銳邊緣等雷達(dá)散射源，提升飛機隱身性能和氣動性能，明顯減少飛機的活動部件并降低結(jié)構(gòu)重量（質(zhì)量），使飛機的機械故障及維護工作量大幅下降，節(jié)省下的布局空間可裝載更多的燃料或其他載荷?？梢灶A(yù)見，如能合理地綜合利用各類射流飛控技術(shù)，實現(xiàn)完全替代飛機上的全部活動舵面，將有可能發(fā)展出一種綜合效能跨越式提升的射流飛控飛機，實現(xiàn)飛行器設(shè)計技術(shù)的革命性飛躍。

世界范圍內(nèi)的多家航空機構(gòu)早已對射流飛控技術(shù)表現(xiàn)出濃厚興趣。英國BAE 系統(tǒng)公司（BAE System）最早開展了射流飛控技術(shù)集成演示驗證，至今已經(jīng)發(fā)展出一系列小尺寸的專用技術(shù)概念驗證機，尤其在2010年和2017年先后發(fā)布了兩款相對成熟的射流飛控?zé)o人機DEMON和MAGMA，機上均集成了環(huán)量控制機翼和射流推力矢量兩類射流飛控技術(shù)進(jìn)行協(xié)同控制。北約科技組織（STO）從2013年開始進(jìn)行多種主動流動控制（active flow control，AFC）技術(shù)的評估，這其中包括邊界層分離控制、前緣吹氣渦流控制、等離子體控制、機翼后緣環(huán)量控制和射流推力矢量等。在其中遴選出相對高效的控制方式，并在指定的任務(wù)場景下進(jìn)行詳細(xì)技術(shù)論證，初步結(jié)論認(rèn)為所選的控制方式可用于飛行器在不低于馬赫數(shù)0.8的巡航速度下進(jìn)入戰(zhàn)場。

中國航空研究院（CAE）聯(lián)合國內(nèi)多家高校組成的CAE聯(lián)合研發(fā)團隊，針對射流飛控技術(shù)開展了系統(tǒng)性的研究。第一階段聚焦于機翼后緣射流環(huán)量控制技術(shù)的開發(fā)與驗證，自主設(shè)計的射流飛控技術(shù)驗證機α-31分別于2018年和2019年進(jìn)行了兩次飛行演示驗證，研發(fā)團隊將繼續(xù)在α-31上集成并驗證射流推力矢量等其他可用的射流飛控技術(shù)。團隊研究成果獲得2019年中國航空學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎和2019年中國通用航空創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽特等獎，充分證明了射流飛控技術(shù)已開始得到國內(nèi)航空業(yè)界的高度關(guān)注和廣泛認(rèn)可。

當(dāng)前，射流飛控技術(shù)已取得了一些關(guān)鍵性突破，但是要想使其盡快進(jìn)入工程實用階段，仍然存在巨大挑戰(zhàn)。例如，高速飛行時的超聲速吹氣控制與等比例控制，射流控制效率與發(fā)動機引氣動力損失的權(quán)衡，采用氣體作為操控介質(zhì)的系統(tǒng)維護和失效安全等關(guān)鍵問題。此外，射流飛控技術(shù)在民用航空領(lǐng)域同樣具有很大的發(fā)展空間，但在產(chǎn)品推廣過程中需要面對民眾在安全性方面的顧慮，有必要充分開展從無人到有人、從小型到大型、從貨運到客運的多層次技術(shù)演示驗證，打消公眾疑慮。