美軍積極推進X-65驗證機研發(fā)

大多數(shù)有人機和無人機利用機翼上的副翼、尾翼上的升降舵、方向舵等翼面運動來控制飛行，完成俯仰、偏轉(zhuǎn)、橫滾等機動。而X-65驗證機利用射流控制系統(tǒng)控制飛行。在飛行過程中，壓縮空氣噴射在翼面上，翼面產(chǎn)生力和力矩。壓縮空氣噴射在前機翼、后機翼、左右側(cè)外機翼的每個上翼面后部，上翼面產(chǎn)生垂直升力。隨著射流量的增加，升力增高。當射流控制作動器關(guān)閉時，上翼面不產(chǎn)生垂直升力。壓縮空氣噴射在前機翼表面，X-65完成俯仰機動；壓縮空氣噴射在后機翼表面，X-65便向后低頭；壓縮空氣噴射在右側(cè)、左側(cè)外機翼表面，X-65完成橫滾機動；壓縮空氣噴射在尾翼表面，X-65完成偏轉(zhuǎn)機動，尾翼是傾斜的，因此存在一些耦合。

掃射流作動器、共流射流作動器、等離子體作動器、渦流發(fā)生器、合成射流作動器等射流控制技術(shù)已經(jīng)成熟達幾十年，但航空器早期設(shè)計方案尚未把射流控制系統(tǒng)作為主要飛行控制系統(tǒng)。

技術(shù)應用

2019年，美國國家航空航天局（NASA）為一種由等離子體作動器、合成射流作動器組成的控制系統(tǒng)申請了專利，目的是制造沒有任何運動翼面的機翼。這些作動器安裝在機翼上，基本不需要維護。

F-16“戰(zhàn)隼”戰(zhàn)斗機和XV-15傾轉(zhuǎn)旋翼機驗證機除使用傳統(tǒng)飛行控制系統(tǒng)外，還使用了射流控制系統(tǒng)作為“替補與修復”手段。

洛克希德-馬丁公司臭鼬工廠已申請50多項與射流控制技術(shù)有關(guān)的專利，并將其中一些專利技術(shù)應用于SR-71“黑鳥”偵察機和F-104“星式戰(zhàn)斗機”戰(zhàn)斗機。

研制歷程

2019年，美國國防預研局（DAPAR）啟動“基于新型效應器的革命性航空器控制”（Control of Revolutionary Aircraft with Novel Effectors，CRANE）計劃，旨在設(shè)計、制造、試飛一種使用射流控制（Active flow control，AFC）技術(shù)的新型航空器。

2020年11月，波音公司旗下的極光飛行科學公司獲得美國國防預研局授出的一份合同，負責設(shè)計、制造1架采用射流控制技術(shù)的驗證機X-“飛機”（X-Plane）。按照“基于新型效應器的革命性航空器控制”計劃，極光飛行科學公司與波音公司、亞利桑那大學合作，共同承擔該計劃第0階段合同規(guī)定的工作，開發(fā)驗證機早期設(shè)計方案所使用的射流控制技術(shù)，并利用定制型X-“飛機”驗證機開展射流控制技術(shù)驗證試驗。為確定X-“飛機”驗證機方案，極光飛行科學公司在一年內(nèi)開發(fā)了多個任務域的射流控制技術(shù)，設(shè)計了兩種驗證機方案。

2021年8月，極光飛行科學公司被美國國防預研局選中，繼續(xù)承擔“基于新型效應器的革命性航空器控制”計劃第1階段合同所規(guī)定的工作，完成了X-“飛機”的初步設(shè)計和1架25%縮比驗證機，并在加利福尼亞州圣迭戈市的一個風洞試驗室對驗證機進行為期4周的風洞試驗，收集了超過14000個數(shù)據(jù)，其中包括8860個射流控制技術(shù)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)為射流控制系統(tǒng)飛行控制律設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。這架縮比驗證機機翼安裝了11個傳統(tǒng)運動翼面和14組射流控制陣列。

2022年12月，極光飛行科學公司獲得“基于新型效應器的革命性航空器控制”計劃第2階段合同和第3階段合同，并收到第2階段合同中的經(jīng)費。根據(jù)第2階段合同中的工作要求，極光飛行科學公司完成了詳細工程設(shè)計方案，并啟動1架X-“飛機”全尺寸驗證機制造。第3階段合同規(guī)定的工作是，極光飛行科學公司在位于弗吉尼亞州、西弗吉尼亞州和密西西比州的工廠完成X-“飛機”全尺寸驗證機制造，并開展射流控制技術(shù)驗證試驗。

2023年5月，極光飛行科學公司為美國國防預研局設(shè)計的驗證機被命名為X-65。此舉提升了“基于新型效應器的革命性航空器控制”計劃的地位。

2024年，在美國國防預研局“基于新型效應器的革命性航空器控制”計劃支持下，極光飛行科學公司獲得一份合同，將研制和試飛1架X-65驗證機，預計在2024年底之前完成驗證機制造，2025年6月之前開展首飛，2025年6—12月進行飛行試驗。

射流控制系統(tǒng)已經(jīng)在風洞試驗中完成測試，但這并不能保證該系統(tǒng)能夠控制全尺寸驗證機飛行。因為風洞中的吹氣孔很小，微小的偏差會產(chǎn)生很大的差異。因此，極光飛行科學公司在第一階段飛行試驗中將參照傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的性能指標，對射流控制系統(tǒng)進行校準，并采用一種能校準射流控制系統(tǒng)的方法控制X-65飛行。只有當射流控制系統(tǒng)完成校準后，X-65驗證機才會單獨利用該系統(tǒng)控制飛行。

極光飛行科學公司將利用飛行包線中央?yún)^(qū)域的飛行參數(shù)開展第一階段飛行試驗，根據(jù)時間和經(jīng)費預算，在第二階段飛行試驗擴大飛行包線，但是不會使用被擴大的飛行包線某些區(qū)域的飛行參數(shù)。X-65在某些迎角下存在問題，但永遠不會在這些迎角下飛行。

當所有試驗結(jié)束后，美國國防預研局希望將X-65驗證機移交給合作伙伴使用。為此，該局正在尋找一家潛在合作伙伴。另一個選擇是，美國國防預研局將繼續(xù)使用X-65開展更先進的射流控制技術(shù)驗證試驗。

技術(shù)數(shù)據(jù)

X-65驗證機翼展9.1m，空機重量超過3178kg，尺寸與軍用教練機相似。美國國防預研局一直期待超聲速飛行，希望射流控制系統(tǒng)能提高X-65在起飛時的升力，以及X-65能實現(xiàn)更高的飛行速度。該機設(shè)計飛行速度為Ma0.58，但極光飛行科學公司設(shè)計了一種淺俯沖機動方案，飛行速度進而達到Ma0.7，而且X-65驗證機能以Ma0.7的速度飛行足夠長的時間來獲取一些試驗數(shù)據(jù)。

設(shè)計特點

X-65只是一架控制技術(shù)驗證機，并不是實戰(zhàn)裝備，也不會提升射流控制技術(shù)水平。它采用非常規(guī)聯(lián)翼氣動布局構(gòu)型方案，機翼平面形狀為獨特的菱形，旨在讓試飛團隊收集全尺寸驗證機的大量射流控制技術(shù)信息。機體結(jié)構(gòu)由金屬鋁制成，機身蒙皮采用復合材料制成。射流控制系統(tǒng)使用的空氣壓縮設(shè)備、空氣冷卻裝置和管路密集地布設(shè)在機身內(nèi)部。

動力系統(tǒng)

X-65驗證機以威廉姆斯國際公司研制的發(fā)動機為動力，S形發(fā)動機進氣道位于機頭下部。

射流控制系統(tǒng)

X-65驗證機控制系統(tǒng)由傳統(tǒng)機械控制系統(tǒng)和射流控制系統(tǒng)組成。

射流控制系統(tǒng)擁有14組射流控制作動器，1個獨立單元控制1組作動器工作。每個前翼分別安裝2組作動器，1對前翼共有4組作動器；每個后翼分別安裝2組，一對后翼共有4組；左右側(cè)外機翼分別安裝2組，2副外機翼共有4組；每個尾翼分別安裝1組，一對尾翼共有2組。射流控制系統(tǒng)通過管路向每組作動器的每個噴氣口輸送等量高壓空氣，因此技術(shù)人員對管路設(shè)計產(chǎn)生了興趣。由于X-65使用非剛性機翼，所以不能安裝剛性管路。

傳統(tǒng)襟翼、方向舵使用電動作動器，而射流控制系統(tǒng)使用電動流量控制閥來控制實時流量。極光飛行科學公司三余度數(shù)字飛行控制系統(tǒng)經(jīng)過升級后，能與射流控制系統(tǒng)協(xié)同工作，控制電動作動器和電動流量控制閥工作。

輔助動力裝置

加拿大普惠公司研制的APS3200輔助動力裝置（APU）為射流控制系統(tǒng)提供質(zhì)量流率為68kg/s的壓縮空氣，該質(zhì)量流率是一個非常恒定的數(shù)值?？諝鈴臋C頭上方的進氣道進入輔助動力裝置，位于機身兩側(cè)的2個排氣口排出空氣。壓縮機加熱了空氣，因此熱交換器冷卻空氣。當射流控制作動器噴氣口不噴射高壓空氣時，另一個排氣口排出多余的高壓空氣。針對輔助動力裝置排氣技術(shù)、輔助動力裝置排出的高壓空氣撞擊尾翼后產(chǎn)生的影響，美國國防預研局和極光飛行科學公司做了大量研究和分析工作。

模塊化設(shè)計

射流控制系統(tǒng)、左右側(cè)外機翼均采用模塊化技術(shù)，可以更換新組件。

技術(shù)優(yōu)勢

2019年，美國國防預研局在征集射流控制系統(tǒng)方案時強調(diào)，該系統(tǒng)應替代副翼、襟翼等運動翼面，實現(xiàn)穩(wěn)定的飛行控制，并減小空機重量，降低復雜性，提高性能。由于不必考慮飛行員的生理限制，該技術(shù)更適用于無人機。射流控制技術(shù)具有如下幾方面優(yōu)勢。

一是減輕重量，增加續(xù)航時間。航空器使用射流控制系統(tǒng)后，重量減輕，可安裝更厚的機翼，攜帶更多的燃料，續(xù)航時間增加。

二是增大航空器起飛時的迎角，提高起降能力，實現(xiàn)超短距離起降（ESTOL）。采用射流技術(shù)的飛機和無人機可擴展作戰(zhàn)方式，起降地點選用更加靈活。

三是實現(xiàn)隱身性。射流控制技術(shù)能減小反射雷達信號的機翼的面積，航空器更難被雷達探測，獲得良好的隱身性能。射流控制系統(tǒng)更加靜音，能最大程度降低航空器被音頻傳感器探測的概率。

四是提高機動性。射流控制系統(tǒng)替代傳統(tǒng)運動翼面，航空器具有高效空氣動力學特性，更易采用流線型機身，具有更高的機動性。

五是降低機械復雜性，提高可靠性。使用射流控制系統(tǒng)的航空器沒有傳統(tǒng)副翼、方向舵使用的各種作動器和其他組件，可能損壞的零部件數(shù)量相應減少，可靠性提高，同時維修成本降低。