“惡魔”無人機最引人注目的特點，就是該機取消了傳統(tǒng)的機械升降舵和襟翼，而代之以曼徹斯特大學和克蘭菲爾德大學合作研制的全新“射流飛行控制系統(tǒng)”。

2010年9月17日，英國新型“惡魔”(Demon)無人技術驗證機進行了試飛。該無人機僅僅依靠噴射氣流、而不是傳統(tǒng)的襟翼／副翼等部件完成了升降和轉向控制。這次試飛也因此成為英國民航管理局(CAA)首次批準并且正式認定的飛行器“無襟翼飛行”(flapless flight)。此次試飛成功，對于射流控制技術盡早實現(xiàn)實用化具有重大意義。

“惡魔”無人驗證機簡況

“惡魔”無人驗證機的研制和測試是在英國工業(yè)界和多所高校合作實施的“無襟翼飛行器綜合工業(yè)研究”(FLAVIIR)項目下開展的。FLAVIIR項目于2005年6月啟動，為期5年，英國BAE系統(tǒng)公司和英國工程物理科學研究委員會(EPSRC)聯(lián)合投資(共620萬歐元，約合985萬美元)，由BAE系統(tǒng)公司和克蘭菲爾德大學牽頭、聯(lián)合其他9所英國高校組成的團隊合作實施。該項目旨在對未來無人機所涉及的結構、控制和集成等關鍵技術進行開發(fā)驗證，以最終設計出一種能夠避免傳統(tǒng)飛行器性能缺陷的無控制面、低成本、易維護的新一代無人機。已經(jīng)成功完成首飛的“惡魔”無人驗證機就是FLAVIIR項目團隊近期取得的成果，對其探討多年的射流飛行控制技術進行了初步測試驗證。

“惡魔”在英國BAE系統(tǒng)公司先前研制的“日蝕”(Eclipse)無人機基礎上改進而成，該機采用了翼身融合體結構，下單翼布局，機翼為切尖三角翼，翼展約2.5米，重約91千克，動力裝置為一臺推力230牛的AMT“奧林匹斯”小型渦輪噴氣發(fā)動機(今后可換裝推力增大為390牛的“泰坦”渦輪噴氣發(fā)動機)，飛行速度70～150節(jié)。

“惡魔”無人機最引人注目的特點，就是該機取消了傳統(tǒng)的機械升降舵和襟翼，而代之以曼徹斯特大學和克蘭菲爾德大學合作研制的全新“射流飛行控制系統(tǒng)”，并使用了萊斯特大學和帝國理工學院合作開發(fā)的“飛行控制算法”。出于慎重考慮，“惡魔”仍保留了副翼作為備份，準備在射流飛控系統(tǒng)的表現(xiàn)不佳時啟用。試飛中，測試人員曾鎖死了“惡魔”的副翼以便對射流飛控系統(tǒng)進行觀測，該機成功完成了升降和轉向控制，表現(xiàn)令人滿意。若在此基礎上進一步發(fā)展和推廣，今后普通飛機機翼上的襟翼和副翼、水平尾翼上的升降舵和垂直尾翼上的方向舵均可用射流控制系統(tǒng)來取代。

“惡魔”無人機項目是一個技術演示驗證項目，該機本身不會投入批量生產，但其所驗證的多項先進技術有望在未來飛行器設計中得到廣泛應用。按計劃，“惡魔”無人機今后還將進行為期兩年的驗證試飛，以測試其整個飛行包線范圍內的性能。在獲得足夠的地面和飛行測試數(shù)據(jù)信息后，項目團隊今后有可能制造一架更大的驗證機，或改裝現(xiàn)有的常規(guī)飛機并以其為平臺進行射流控制系統(tǒng)測試。

射流控制技術原理

現(xiàn)代飛機飛行控制原理

現(xiàn)代飛機為了保證良好的操縱性，通常在其機翼和尾翼上布置有多個活動操縱面，其中最主要的有3個，分別是位于機翼上的副翼(負責滾轉操縱)、平尾上的升降舵(負責俯仰操縱)和垂尾上的方向舵(負責轉向操縱)。同時，為了提高飛機的機動能力并改善起降性能，現(xiàn)代飛機的機翼上往往還布置有前后緣襟翼、縫翼、擾流片、減速板等活動部件。駕駛員通過控制這些活動部件的偏轉可在一定范圍內改變機翼表面的形狀，影響機翼上下表面的氣流方向，從而控制機翼升力或阻力分布以產生相應的控制力矩，最終達到改變飛機飛行姿態(tài)或改善飛機起降性能的目的。但在目前技術條件下，機翼上這些活動操縱面和部件均通過鉸鏈連接，控制其偏轉需要通過機械裝置(主要為液壓系統(tǒng))來驅動。這會帶來一系列弊端，主要會使整個機翼結構趨于復雜并增加重量。若能找到一種不依靠傳統(tǒng)操縱面，也無需機械動作的手段來控制飛機，上述問題將會迎刃而解。目前，英國等國正在探討的“射流控制”技術就是在這種思想指導下提出的一種全新飛行控制理念。

射流飛行控制技術原理

射流飛行控制技術摒棄了傳統(tǒng)的飛行控制原理，它無需通過各種操縱面改變機翼的外形，而是通過“流動控制”(cc)和“射流推力矢量噴管”(FTV)等技術來控制飛機完成相應的飛行動作。其中，“流動控制”是在傳統(tǒng)的飛機襟翼位置釋放經(jīng)過調節(jié)的壓縮空氣，利用噴射氣流在機翼后部制造一個“空氣刀鋒”來改變流經(jīng)機翼表面的空氣流動方向，從而產生相應的控制力矩；“射流推力矢量噴管”則借助引入的兩股噴射氣流來影響發(fā)動機噴管主氣流的狀態(tài)，使其改變方向進而實現(xiàn)推力矢量控制，而無需像傳統(tǒng)的機械推力矢量噴管那樣需要噴管整體／部分偏轉或加裝調節(jié)擋板。

“惡魔”無人驗證機的射流飛行控制系統(tǒng)

以“惡魔”無人驗證機為例，該機的“射流飛行控制系統(tǒng)”就是由上述“流動控制”和“射流推力矢量噴管”兩部分組成，分別用于飛機的滾轉和俯仰控制。其中，“射流推力矢量噴管”是一種二元推力矢量噴管，基本上采用了先前英國曼徹斯特大學工程學院的相關研究成果；而其全新開發(fā)的“流動控制”系統(tǒng)則被外界認為是“惡魔”無人機最具特色之處。

為了產生噴射氣流，“惡魔”無人機上有專門貯存壓縮空氣的裝置，其內的壓縮空氣通過一個由輔助動力裝置驅動的專用壓縮機引入，并在前機身下方設有單獨的進氣口(今后將可改進為直接從飛機發(fā)動機引入空氣)。貯存裝置內的壓縮空氣可導入機翼后緣的一個氣腔，該氣腔內有一個特殊設計的氣缸，可以通過旋轉改變上、下氣腔的容積，使兩者產生容積差。在機翼后緣(傳統(tǒng)襟翼位置)的上、下部位分別設置有一排外形狹長的噴嘴，這兩排噴嘴分別與上、下氣腔相連，用以釋放壓縮空氣從而產生噴射氣流。當上、下氣腔存在容積差時，從機翼后緣上、下兩排噴嘴噴射出的氣流壓力也不相同，由此可以改變機翼后緣氣流的方向，從而產生控制力矩。例如，當某側機翼后緣的一排噴嘴噴出的空氣壓力大于另一排時，可導致掠過該機翼后緣的氣流偏向上方或偏向下方，此時將起到與傳統(tǒng)副翼完全相同的作用，足以完成飛機的滾轉操縱。在“惡魔”的機翼上還布置有傳感器，可隨時監(jiān)測機翼表面氣流的動向，并通過“飛行控制算法”及時調節(jié)噴射氣流的方向，從而使飛機按指令完成相應的飛行動作。

射流控制技術的應用前景

國外(目前主要是英國和美國)相關領域的研究表明，射流控制技術在軍用及民用方面都有著廣闊的應用前景。與傳統(tǒng)的飛行控制系統(tǒng)相比，飛機采用射流控制技術后至少將在以下幾方面有改進：減小機翼外形尺寸

采用射流控制系統(tǒng)的飛機取消了普通飛機機翼上的襟翼、副翼等控制面，其機翼的外形尺寸將明顯減小(這對寬體客機尤為重要)，飛機的結構重量也將隨之減輕。

降低使用維護成本

采用射流控制系統(tǒng)后，飛機上的各種活動控制面及與其相關的控制子系統(tǒng)部件將大幅減少甚至完全取消，從而將減少全機零部件數(shù)量，提高系統(tǒng)可靠性。同時，還可避免像常規(guī)飛機的活動控制面那樣需要進行頻繁的檢查維修，不僅有助于降低使用成本，還將提高飛機的使用效率。

降低飛機噪音

飛機上的襟翼、副翼等活動控制面是導致機上噪音的重要原因。用射流控制系統(tǒng)代替后，飛機噪音將大幅降低，這對提高民用飛機的乘坐舒適性尤為重要。

提高軍用飛機的隱身性能

對軍用飛機來說，襟翼、副翼等活動控制面以及這些部件而形成的一系列尖銳邊緣、開口、凸出物和縫隙等是雷達反射源，會增大雷達反射面。采用射流控制系統(tǒng)后，這些反射源幾乎全部消失，再加上機翼外形尺寸減小，可大幅提高飛機的隱身能力。此外，隨著射流控制技術的發(fā)展，軍用飛機將來還有可能完全取消垂尾，從而在保證高機動性的前提下從根本上消除這一傳統(tǒng)飛機上最大的側向雷達反射源，使飛機的隱身性能得到根本性提高。

提高軍用飛機的機動性和敏捷性

根據(jù)研究，射流控制與推力矢量噴管等手段相配合，將會顯著提高戰(zhàn)斗機的機動性與敏捷性。例如，目前正在探討論證中的美空軍第6代戰(zhàn)斗機和美海軍“下一代空中優(yōu)勢戰(zhàn)斗機”就計劃采取該措施。

應用射流控制技術面臨的主要困難

盡管射流控制技術有著上述誘人的應用前景，但從目前情況來看，要研制出實用的射流控制飛行器，在氣動、控制、系統(tǒng)、材料、集成和制造等領域都還需要解決許多技術問題，突出表現(xiàn)在以下幾方面：

飛機能耗增加

目前通過液壓系統(tǒng)等驅動襟翼來控制飛機的機動，所需耗費的能量很少。但采用射流控制技術的飛機需要發(fā)動機額外提供較多能量，甚至配備一臺專用的輔助動力裝置來提供壓縮空氣和噴射氣流(目前“惡魔”無人機即采取此種方式)，這將使飛機的能耗大大增加。

可靠性問題

完全采用射流控制的飛機若遇到發(fā)動機故障、燃油耗盡、機翼表面遭到破壞(例如飛鳥撞擊)等情況，可能連方向也無法控制，因此通過射流控制完全代替翼面還需商榷。若同時為飛機加裝襟翼、副翼、方向舵等作為備份，又將弱化射流控制技術帶來的優(yōu)勢。

適用范圍受限

目前射流控制技術還只能用于飛機機翼／尾翼后緣的襟翼、副翼、方向舵，代替普通飛機機翼前緣的前緣襟翼還有待進一步研究。因此，飛行器射流控制技術距離實用還有相當大的距離。但該技術的應用無疑將會大幅提高軍／民用飛機的任務效能和效費比，并給新一代飛行器的設計思想帶來革命性影響?？梢灶A見，射流控制技術一旦成熟，將會大大擴展未來軍／民用飛機概念設計的空間，有望使未來飛行器性能取得突破性進展。