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无操纵面飞行器发展概况及其在民用飞机上的应用前景
作者:陈黎 张洋
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航空与航天设备展厅
直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ...
摘要:无操纵面飞行器是一种采用射流控制技术,无需传统活动操纵面的新概念飞行器。文中首先对射流控制技术原理做了简单探讨,然后重点介绍了无操纵面飞行器的应用前景和英国最新研制的“恶魔”无人验证机的相关情况,最后简要分析了该领域目前面临的主要技术困难。
关键词:无操纵面飞行器;新概念飞行器;射流控制;“恶魔”无人机

1 前言

无操纵面飞行器(FLAV)1是一种采用射“射流控制”(Fluidic Control,FC)技术来取代部分、甚至全部活动操纵面功能的新概念飞行器,它具有常规飞行器无可比拟的的优点和广阔的应用前景。近年来国外(目前主要是英国)在此领域加大了投入力度,并且取得了明显成效。2010 年9 月17 日,由英国工业界和多所高校合作研制的新型“恶魔”(Demon)无人技术验证机在坎布里亚郡的沃尔尼岛(Walney Island)进行了一次在人类航空史上具有里程碑式意义的试飞。在此次试飞期间,“恶魔”无人机曾仅仅依靠喷射气流、而不是传统的襟翼/副翼等部件完成了升降和转向控制,堪称航空史上的一次创举。这次试飞是英国民航管理局(CAA)首次批准并且正式认定的飞行器“无操纵面飞行”(flapless flight),它的成功对于无操纵面飞行器尽早进入实用化具有重大意义。

2飞行器射流控制技术概述

现代飞机为了保证良好的操纵性,通常在其机翼和尾翼上布置有多个活动操纵面,其中最主要的有三个,分别是位于机翼上的副翼(主要用于滚转控制)、平尾上的升降舵(主要用于俯仰控制和配平)和垂尾上的方向舵(主要用于航向控制)。同时,为了提高飞机的机动能力并改善起降性能,现代飞机的机翼上往往还布置有前后缘襟翼、缝翼、扰流板、减速板等活动部件。驾驶员通过控制这些活动部件的偏转可以在一定范围内改变机翼表面的形状,影响机翼上下表面的流场从而控制机翼升力或阻力分布,以产生相应的控制力矩或升力/阻力变化,最终达到改变飞行状态、保持飞行姿态或改善飞机起降性能的目的。但是在目前的技术条件下,机翼上这些活动操纵面和部件均是通过铰链连接,要控制其偏转需要通过机械装置(目前主要采用液压系统)来驱动,这会导致一系列性能缺陷和弊端,其中最主要的是它使整个机翼的结构趋于复杂,并增加了结构重量,若能找到一种不依靠传统操纵面因而也无需机械作动的手段来控制飞机,这些问题将会迎刃而解。目前英国等国正在探讨的射流控制技术就是在这种思想指导下提出的一种全新飞行控制理念,前不久试飞的“恶魔”无人验证机就是这种理念投入应用的首次成功尝试。

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图1 机翼上的主要操纵面示意图
①翼尖小翼;②低速副翼;③高速副翼;④襟翼滑轨整流罩;⑤前缘襟翼-克鲁格襟翼;⑥前缘
缝翼;⑦内侧襟翼;⑧外侧襟翼;⑨扰流板;⑩扰流板-减速板

射流控制技术抛弃了传统的飞行控制原理,它无需通过各种操纵面改变机翼的外形,而是通过“ 流量控制”(Circulation Control, CC) 和“射流推力矢量”( Fluidic Thrust Vectoring,FTV)等技术来控制飞机完成相应的飞行动作。其中,“流量控制”是在传统的飞机副翼/襟翼等操纵面位置释放经过调节的压缩空气,利用喷射气流在机翼后部制造一个“空气刀锋”(blade of air)来改变流经机翼表面的空气流动方向,使其上下表面产生压力差,从而来产生相应的控制力矩,起到与传统副翼等操纵面相同的控制作用。“射流推力矢量”的作用原理和效果则与目前的机械推力矢量喷管(美国F-22 战斗机和俄罗斯苏-35S 战斗机均已采用)类似,但它无需喷管整体/部分偏转或加装可调节挡板,而是借助引入两股或更多的喷射气流去影响发动机喷管主气流的状态,使其改变方向进而产生推力分量来增强甚至替代传统飞机操纵面的部分功能,对飞机的飞行进行实时控制。与机械推力矢量喷管一样,射流推力矢量喷管也同样可分为二元(仅俯仰方向)与全向(包括水平和俯仰两个方向)两种,前者主要用于代替传统的升降舵担负飞机的俯仰控制和配平,后者则在具备俯仰控制及配平功能的同时,还可代替航向操纵面(如垂直尾翼上的方向舵或全动垂尾)用于飞机的航向控制和稳定。

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图2 飞行器射流控制系统示意图
①主喷管;②上辅助喷管(使主喷流上偏);③科恩达表面;④下辅助喷管(使主喷流下偏);
⑤流量控制增压部件及管道

国外相关领域的研究表明,随着射流控制技术的发展和成熟,今后的飞行器完全有可能彻底取消普通飞机上的襟翼、副翼、升降舵、方向舵甚至整个平尾和垂尾,从而最大程度地缓解以至完全避免目前采用活动操纵面所带来的种种弊端,因此射流控制技术已经日益引起各国工业界和军方的重视。

3射流控制技术在民用飞机上的应用前景

根据近年来国外的研究结果,射流控制技术除了可用于军用飞机(可改善飞机的隐身性能、提高飞机的机动性和敏捷性)外,在民用领域也有着有广阔的应用前景。与传统的飞行控制系统相比,民用飞机采用射流控制技术所带来的优点至少有以下几方面:

(1)减小机翼以至全机的外形尺寸

采用射流控制系统的飞机由于取消了普通飞机机翼上的襟翼、副翼等操纵面,其机翼的外形尺寸将明显减小。这对于宽体客机来说尤其具有吸引力,因为宽体客机机翼上布置的操纵面往往很多(图1 就是宽体客机机翼的典型操纵面布置),致使机翼很长很宽,为此付出的代价也很大。

另一方面,射流控制系统有可能灵活地实现在某种给定状态下输出不同的控制力,因此有助于缓解传统空气动力操纵面所要求的力臂问题,在机体设计中将不再需要考虑操纵面与重心的距离(或者对这方面的考虑有所放宽),这样一来将使整个飞机的外形尺寸明显减小。

(2)减轻结构重量

采用射流控制系统后,普通飞机上的襟翼、副翼、方向舵等活动操纵面(甚至整个垂尾、平尾)以及与之相关的一系列复杂笨重的驱动、控制机构均可取消,飞机的结构重量将大幅减轻;

(3)减少能耗

采用射流控制系统取代传统活动操纵面后,飞机飞行时的阻力将大大减小,这表现在两方面:①机翼乃至全机外形尺寸的减少,将使整个飞机的迎风面积和浸润面积减小,从而有助于减少飞行时的压差阻力和摩擦阻力;②常规飞机上为安装各种操纵面而形成的一系列尖锐边缘、开口、凸出物、鼓包、台阶、缝隙等,在射流控制飞机上将全部消失,这使机体外表更加光滑,将明显减少飞机飞行时的摩擦阻力。

由于飞行阻力的明显减少再加上前面提到的飞机结构重量大幅减轻,无疑将大大减少飞机飞行时的燃油消耗。即使考虑到射流控制系统自身需要一定能源的因素,采用射流控制技术仍非常有助于降低整个飞机的能耗。

(4)易于使用维护

采用射流控制系统后,飞机上的各种活动操纵面及与其相关的各控制子系统部件将大幅减少甚至被完全取消,这减少了全机的零部件数量,提高了系统可靠性;同时还可避免象常规飞机的活动操纵面那样需要进行频繁的检查维修,不仅降低了使用成本,还提高了飞机的使用效率。

(5)降低飞机噪声

长期以来,飞机上的襟翼、副翼等活动操纵面一直是机上噪音的重要来源,用射流控制系统代替后,这些噪声源几乎全部消失,飞机噪音将因此大幅降低,这对提高民用飞机的乘坐舒适性尤为重要。

4 国外研究现状

目前世界上开展无操纵面飞行器技术研究的国家主要是英国和美国,尤其以英国工业界和高校近年来合作实施的“无操纵面飞行器综合工业研究”(Flapless Air Vehicle Integrated Industrial Research,FLAVIIR)研究项目最为有名。

FLAVIIR 项目旨在对无操纵面无人机所涉及到的结构、控制和集成等关键技术进行开发验证,最终设计出一种能够避免传统飞行器性能缺陷、低成本、易维护的新一代无人机。该项目启动于2005 年6 月,为期5 年,由英国BAE 系统公司和英国工程物理科学研究委员会(EPSRC)联合投资(约985 万美元),由BAE 系统公司和克兰菲尔德大学牵头、联合其他9 所英国高校组成的团队合作实施。目前已成功完成首飞的“恶魔”无人验证机就是FLAVIIR 项目团队取得的一项开创性成果,对其已经探讨多年的射流飞行控制技术进行了初步测试验证。

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图3 英国“恶魔”射流控制技术无人验证机

“恶魔”是在英国BAE 系统公司先前研制的“日蚀”(Eclipse)无人机基础上改进而成,该机采用了翼身融合体结构,下单翼布局,机翼为切尖三角翼,翼展约2.5 m(8 ft),重约91 Kg(200 lbs),动力装置为一台推力230 N 的AMT“奥林匹斯”小型涡轮喷气发动机(今后可换装推力增大为390 N 的“泰坦”涡轮喷气发动机),飞行速度70~150 Kt。“恶魔”无人机最引人注目的地方就是该机取消了传统的机械升降舵和襟翼,而代之以曼彻斯特大学和克兰菲尔德大学合作研制的全新“射流飞行控制系统”,并使用了莱斯特大学和帝国理工学院合作开发的“飞行控制算法”,该机为此采用了一系列独具匠心的设计。

如前面所述,“恶魔”无人机的射流飞控系统同样是由流量控制和射流推力矢量两部分组成。为了产生喷射气流,“恶魔”无人机上有专门贮存压缩空气的装置,其内的压缩空气是通过一个由辅助动力装置(APU)驱动的专用压缩机引入,并在前机身下方设有单独的进气口,今后经过改后进可以改为直接从飞机发动机引入空气而无需专用的压缩机和进气口。贮存装置内的压缩空气可导入机翼后缘的一个气腔,该气腔内有一个特殊设计的气缸,它可以通过旋转改变上、下气腔的容积,使两者产生容积差。在机翼后缘(传统襟翼位置)的上、下部位各设置有一排外形狭长的喷嘴,这两排喷嘴分别与上、下气腔相连用以释放压缩空气从而产生喷射气流。当上、下气腔存在容积差时,从机翼后缘上、下两排喷嘴喷射出的气流压力也不相同,由此可以改变机翼后缘气流的方向从而来产生控制力矩。例如当某侧机翼后缘的一排喷嘴喷出的空气压力大于另一排时,可导致掠过该机翼后缘的气流偏向上方或偏向下方,此时将起到与传统副翼完全相同的功效,足以完成制飞机的滚转操纵。在“恶魔”的机翼上还布置有灵敏的传感器,可以实时监测机翼表面气流的动向,并通过飞行控制算法及时调节喷射气流的方向,使飞机随时按指令完成相应的飞行动作,从而构成一个完善的流量控制系统。

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图4 “恶魔”无人机机翼后缘上、下部位的狭长射流喷嘴

“恶魔”无人机尾部装有一个外形扁平的射流推力矢量喷管,并且采用的是“反向流推力矢量控制”技术,其特征是主喷管外表面两侧有外罩,且外罩内表面沿着喷流流向呈曲线向外偏转。初步判断,在“恶魔”无人机的主喷管和外罩上、下表面之间应该装有一台真空泵,它可在主喷流的上方或下方产生逆向流,形成科恩达(Coanda)附壁效应,进而使得主喷流朝着产生逆向流的一侧偏转,由此形成俯仰方向的矢量推力(喷气流上偏或下偏),用于代替传统的升降舵担负飞机的俯仰控制。“恶魔”无人机采用的这种“反向流推力矢量控制”技术具有较高的效率,一般可以达到0.92~0.97。

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图5 “恶魔”验证机关键部件布置示意图
①辅助动力装置(APU)/压缩机;②油箱;③飞控系统和仪表;④阀门锁定装置;
⑤涡喷发动机、引气系统和旁路流导管;⑥射流推力矢量喷管;⑦流量控制效应器

出于慎重考虑,“恶魔”仍保留了副翼作为备份,准备在试飞中当射流飞控系统的表现不尽人意时就启用副翼,不过后来证明这种担心完全是多余的。在2010 年9 月17 日的试飞中,测试人员曾特地锁死了“恶魔”的副翼以便对射流飞控系统进行观测,结果该机成功地完成了升降和转向控制,表现相当令人满意。

值得指出的是,“恶魔”无人机项目是一个技术演示验证项目,该机本身并不会投入批量生产,但它所验证的多项先进技术有望在未来飞行器计中得到广泛应用。按计划,“恶魔”无人机今后还将进行为期两年的验证试飞,以测试研究其整个飞行包线范围内的性能。在通过“恶魔”无人机的地面和飞行测试获得足够的数据信息后,FLAVIIR 项目团队今后有可能制造一架更大的技术验证机,或者改装一架现有的常规飞机并以其为平台进行射流控制技术验证测试。

5结束语

从目前情况来看,要研制出真正的无操纵面飞行器,在气动、控制、系统、材料、集成和制造等领域均还面临着众多技术难题,目前首要的问题就是如何保证射流控制系统的高度可靠,并使之在受损条件下仍具备足够的工作能力。因为完全采用射流控制的飞机若遇到发动机故障、燃油耗尽、机翼表面遭到破坏(例如飞鸟撞击)之类的情况,可能会带来不堪设想的后果;若同时为飞机加装襟翼、副翼、方向舵等作为备份,又将使采用射流控制技术带来的优点大大弱化。鉴于这种状况,可以说飞行器射流控制技术距离实用还有相当长的路要走。但是从前面的分析可以看出,采用射流控制技术无疑会大幅提高军/民飞机的任务效能和效费比,给新一代飞行器的设计思想带来革命性影响。射流控制技术一旦成熟,将会大大扩展未来飞机概念设计的空间,甚至有望成为未来飞行器性能取得突破性进展的重要源泉,因此值得开展进一步的探讨和研究。

参考文献
[1] Showcase UAV Demonstrates Flapless Flight[Z]. 英国BAE 系统公司网站
http://www.baesystems.com/
[2] 英国FLAVIIR“无操纵面飞行器综合工业研究”项目网站. http://www.flaviir.com/
[3] Stephen Trimble.PICTURES & VIDEO: British team proves flapless flight with Demon UAV[Z].
英国《飞行国际》网站:http://www.flightglobal.com Sep 28, 2010
[4] Blow me up, blow me down[Z].英国《经济学家》网站:http://www.economist.com/node Dec.9th 2010
[5] FLAVIIR Flapless Unmanned Aerial Vehicles[Z].http://www.technovelgy.com Mar 22, 2006
[6] DEMON UAV Has No Moving Flaps[Z].http://www.technovelgy.com Sep 30, 2010
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[8] Demon Uav Achieves Historic First “Flapless Flight”[Z] . http://scienceray.com/technology October 29, 2010
[9] Demon UAV jets into history by flying without flaps[Z].http://www.metro.co.uk Sep 28, 2010
[10] 射流控制飞机的升降[Z].《经济学人》中文版网站:http://www.ecocn.org 2010,12.9
[11] 书写航空新篇章的飞机试飞成功[Z].《译言网》网站:http://article.yeeyan.org 2010,09.27
[12] 张汝麟.飞行控制与飞机发展[J].北京航空航天大学学报,2003,12.第29 卷,1078-1083
[13] 连永久.射流推力矢量控制技术研究[J].飞机设计,2008,4.第28 卷第2 期,19-24
[14] 机翼上的主要操纵面[Z].维基共享资源:http://commons.wikimedia.org

作者简介:

陈黎(1972- ),男,四川达州人,中国航空工业发展研究中心航空技术研究所高级工程师,硕士,2002 年毕业于中国航空工业发展研究中心科技情报专业,主要研究方向:军用飞机及机载武器发展。

张洋(1979- ),男,湖南长沙人,中国航空工业发展研究中心航空技术研究所高级工程师,硕士,2004 年毕业于北京航空航天大学航空科学与工程学院,主要研究方向:军用飞机及机载武器发展。
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (8/10/2012)
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