溫杰

自從人類實(shí)現(xiàn)飛行以來，借助機(jī)械實(shí)現(xiàn)飛機(jī)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(jìn)步，全新的氣動(dòng)控制技術(shù)有可能改變這種傳統(tǒng)的飛機(jī)操縱方式。

本世紀(jì)初，BAE系統(tǒng)公司針對(duì)未來型號(hào)發(fā)展的需要，提出了一個(gè)頗具挑戰(zhàn)的設(shè)想，希望通過自主探索一些先進(jìn)技術(shù)，研制一架不需要常規(guī)操縱面的無人機(jī)，與正常使用操縱面的無人機(jī)相比，并不會(huì)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(huì)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(gè)“無操縱面飛行器綜合多學(xué)科研究”（FLAVIIR）項(xiàng)目。

這個(gè)項(xiàng)目集中于探索未來無人機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)，涉及到氣動(dòng)布局、控制系統(tǒng)等7個(gè)領(lǐng)域。此前，這些技術(shù)都在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)接受過測試，但是從未集成到一架飛行驗(yàn)證機(jī)上。這項(xiàng)計(jì)劃為期5年，主要目標(biāo)是發(fā)展一種力求實(shí)現(xiàn)低成本、免維護(hù)的無人機(jī)，其中特別強(qiáng)調(diào)了無人機(jī)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(xiàng)目的研究成果有助于今后設(shè)計(jì)無人機(jī)時(shí)可以取消常規(guī)操縱面，增加無人機(jī)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(hào)稱“惡魔”（DEMON）的無人駕駛驗(yàn)證平臺(tái)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(yàn)證”（Demonstrate）。

FLAVIIR項(xiàng)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(jī)從英國坎布里亞郡沃爾尼島的一個(gè)機(jī)場起飛，首次完成了“無副翼”飛行測試。試飛期間，該機(jī)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(shí)副翼不再產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)，完全依靠氣動(dòng)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)控制。

測試“惡魔”驗(yàn)證機(jī)

“惡魔”驗(yàn)證機(jī)在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上利用了柯恩達(dá)效應(yīng)，通過一系列試飛證明了利用空氣沿著機(jī)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(jī)采用梯形機(jī)翼、單垂尾、無平尾的氣動(dòng)布局，翼展為2.44m，重量為91kg。機(jī)翼后緣分別設(shè)計(jì)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(yàn)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(dòng)副翼”。從機(jī)械裝置角度來看，它實(shí)際上就是一個(gè)循環(huán)控制致動(dòng)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(jì)，在機(jī)翼后緣采用了一種偏心安裝的圓形柯安達(dá)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(jì)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(jī)頭段內(nèi)部安裝了一套輔助動(dòng)力裝置，作為射流裝置的動(dòng)力源。這是一臺(tái)經(jīng)過改裝的小型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)一組動(dòng)力渦輪和壓縮機(jī)，后者為機(jī)翼后緣內(nèi)的一個(gè)增壓室提供經(jīng)過高壓空氣。

從工作機(jī)理上講，“惡魔”無人機(jī)在飛行過程中可以保持常規(guī)操縱面不動(dòng)，僅僅借助于“氣動(dòng)副翼”實(shí)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(jī)翼后緣上、下表面的狹縫中吹出，利用柯安達(dá)效應(yīng)讓噴氣流附著在圓形的機(jī)翼后緣，并使機(jī)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(jī)翼兩側(cè)副翼上的狹縫，升力可以增加或減少，使無人機(jī)向左或向右滾轉(zhuǎn)。

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

但是，F(xiàn)LAVIIR研制團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證的柯恩達(dá)效應(yīng)相對(duì)有限，部分是因?yàn)橥ㄟ^機(jī)翼上的狹槽吹出的空氣以亞聲速流動(dòng)。各項(xiàng)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(gè)問題是關(guān)于無人機(jī)系統(tǒng)的基本適用性。針對(duì)“惡魔”驗(yàn)證機(jī)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(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，如何減小控制裝置的尺寸和減少維護(hù)調(diào)整的頻率，成為研制團(tuán)隊(duì)需要解決的一個(gè)主要問題。

驗(yàn)證射流控制技術(shù)

與此同時(shí)，BAE系統(tǒng)公司針對(duì)未來作戰(zhàn)飛機(jī)的發(fā)展需求，與曼徹斯特大學(xué)合作研究一種飛機(jī)控制的新概念，取消了傳統(tǒng)上所要求的復(fù)雜機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，即在飛行過程中改變襟翼、副翼來控制飛機(jī)。這種技術(shù)可以提供更好的控制能力，同時(shí)減輕重量和降低維護(hù)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(jī)。

MAGMA無人機(jī)采用了瑞典霍克渦輪動(dòng)力公司為模型飛機(jī)生產(chǎn)的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，主要用于試驗(yàn)兩項(xiàng)技術(shù)：一項(xiàng)技術(shù)是機(jī)翼循環(huán)控制，利用引自發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓空氣，以超聲速從機(jī)翼后緣吹過，為飛機(jī)提供控制。另一項(xiàng)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(dòng)機(jī)排出的燃?xì)猓瑥亩淖冿w機(jī)的飛行方向。兩者結(jié)合起來后，飛行員只需控制飛機(jī)內(nèi)部的空氣，就可以操縱飛機(jī)的方向。

MAGMA無人機(jī)所驗(yàn)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(xiàng)技術(shù)僅限于一架單發(fā)無人駕駛飛機(jī)，也只是完成了一次飛行。BAE系統(tǒng)公司聲稱，這項(xiàng)技術(shù)如果投入使用，產(chǎn)生的效益會(huì)十分巨大，因此有可能迅速地應(yīng)用于新型飛機(jī)設(shè)計(jì)上。從飛機(jī)設(shè)計(jì)來看，這項(xiàng)技術(shù)將有助于增強(qiáng)作戰(zhàn)飛機(jī)的隱身性能。飛行員或無人機(jī)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(jī)或無人機(jī)被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)。

目前，第二架MAGMA驗(yàn)證機(jī)的機(jī)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(tuán)隊(duì)仍在致力于集成推力矢量噴管。第一架驗(yàn)證機(jī)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(yàn)證機(jī)與第二架MAGA驗(yàn)證機(jī)的機(jī)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(dòng)機(jī)輸送到機(jī)翼后緣，并順暢地進(jìn)入到不同的子系統(tǒng)。在結(jié)構(gòu)上，第一架MAGMA驗(yàn)證機(jī)重達(dá)40kg，第二架驗(yàn)證機(jī)會(huì)更重一些，主要是機(jī)身內(nèi)部填滿了各種射流裝置，重量增加到60kg。這架驗(yàn)證機(jī)也稱為MAGMA射流型。

研制團(tuán)隊(duì)希望第二架驗(yàn)證機(jī)在2018年上半年升空，目標(biāo)是在一系列飛行中逐步實(shí)現(xiàn)從飛機(jī)上取消垂直尾翼，并使用射流技術(shù)實(shí)現(xiàn)完全控制飛行狀態(tài)。