無(wú)人實(shí)驗(yàn)飛機(jī)測(cè)試尖端技術(shù)創(chuàng)新

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無(wú)人實(shí)驗(yàn)飛機(jī)測(cè)試尖端技術(shù)創(chuàng)新

為了緩解主要航空樞紐的擁堵狀況，使飛機(jī)能夠在較短的跑道上起飛和降落，航空界提出了一種可能的解決方案——環(huán)流控制翼概念。該技術(shù)要求增加高壓空氣的量，這些高壓空氣可由噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生，也可通過(guò)安裝獨(dú)立壓縮機(jī)獲得，其在機(jī)翼的前緣和后緣上流動(dòng)，從而產(chǎn)生更大的升力。由此，飛機(jī)就能夠在較低的速度下起飛和降落，從而縮短所需跑道的長(zhǎng)度，并提高承載能力。

為了驗(yàn)證這一方案，2006年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）德萊頓飛行研究中心（現(xiàn)在的阿姆斯特朗飛行研究中心）通過(guò)小企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）計(jì)劃項(xiàng)目提出了設(shè)計(jì)和制造配備環(huán)流控制翼的亞尺寸的無(wú)人實(shí)驗(yàn)飛機(jī)進(jìn)行測(cè)試的項(xiàng)目征集計(jì)劃。在測(cè)試中，研究人員將主要測(cè)定普通飛機(jī)和采用新技術(shù)的飛機(jī)的起降跑道長(zhǎng)度，并進(jìn)行比較。此外，研究人員還將對(duì)飛行的其它參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，包括環(huán)流控制翼對(duì)于空氣動(dòng)力學(xué)失速的反應(yīng)等。由于在風(fēng)洞測(cè)試或仿真建模中不能非常準(zhǔn)確地模擬失速情況，而其又是必須的飛行測(cè)試數(shù)據(jù)，且載人測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)很大，因此，無(wú)人實(shí)驗(yàn)飛機(jī)測(cè)試無(wú)疑是最好的解決方案。

美國(guó)喬治亞州肯尼索市的Area-I公司最終獲得了SBIR計(jì)劃項(xiàng)目第一階段和第二階段的資助，主要用于無(wú)人實(shí)驗(yàn)飛機(jī)設(shè)計(jì)的研發(fā)。同時(shí)，該公司還獲得了佐治亞州的資助，并同時(shí)投入了部分自籌資金，以設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)人實(shí)驗(yàn)飛機(jī)的原型。Area-I公司的首席執(zhí)行官（CEO）尼克·阿利（Nick Alley）負(fù)責(zé)管理環(huán)流控制翼項(xiàng)目。經(jīng)過(guò)努力，Area-I公司在2011年完成了該無(wú)人實(shí)驗(yàn)飛機(jī)的開發(fā)。

在該無(wú)人實(shí)驗(yàn)飛機(jī)的開發(fā)期間，NASA開始專注于其它方面的航空研究，NASA的兩個(gè)研究中心開始征求開發(fā)不同的實(shí)驗(yàn)飛機(jī)的SBIR計(jì)劃項(xiàng)目。其中，阿姆斯特朗飛行研究中心希望開發(fā)一種低成本、亞尺寸的基準(zhǔn)模型，類似于一個(gè)中程、窄體、雙噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)客機(jī)的模型，用于開展空氣動(dòng)力學(xué)研究。蘭利研究中心希望開發(fā)一種采用T型尾翼和后置發(fā)動(dòng)機(jī)架的區(qū)域型亞尺寸飛機(jī)，用于其航空安全計(jì)劃項(xiàng)目研究。由于采用T型尾翼的飛機(jī)存在著更為嚴(yán)重的失速特性，因此，蘭利研究中心的研究人員希望試飛一個(gè)小型的模型，使其在極端條件下進(jìn)行測(cè)試。從這些測(cè)試中收集到的數(shù)據(jù)將被用于開發(fā)飛行員訓(xùn)練模擬器的模型。

幸運(yùn)的是，Area-I公司設(shè)計(jì)的用于測(cè)試循環(huán)控制翼的無(wú)人實(shí)驗(yàn)飛機(jī)具有超強(qiáng)的適應(yīng)能力。該公司設(shè)計(jì)出了一個(gè)可重構(gòu)的平臺(tái)，僅需少量的改進(jìn)，就可按照需求重新對(duì)設(shè)計(jì)的無(wú)人實(shí)驗(yàn)飛機(jī)進(jìn)行配置，如可更換機(jī)翼的種類，或者安裝其它設(shè)備，而無(wú)需從頭重新設(shè)計(jì)一個(gè)全新的飛機(jī)。鑒于其多功能性，該無(wú)人實(shí)驗(yàn)飛機(jī)被稱為“原型技術(shù)評(píng)估研究飛機(jī)”（PTERA）。2011年，Area-I公司申請(qǐng)并獲得了阿姆斯特朗研究中心和蘭利研究中心的SBIR第一階段的資助，用于開發(fā)尼克·阿利所謂的“飛行實(shí)驗(yàn)室”。2012年，Area-I公司獲得了阿姆斯特朗研究中心和蘭利研究中心第二階段的資助資金，繼續(xù)開展相關(guān)研究工作。

2014年，Area-I公司完成了阿姆斯特朗研究中心和蘭利研究中心所需實(shí)驗(yàn)飛機(jī)的制造，并開發(fā)出了類似于阿姆斯特朗研究中心的中程雙噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)的另一模型，計(jì)劃用于商業(yè)用途。

其中，Area-I公司為阿姆斯特朗研究中心開發(fā)的模型是1︰10的縮比模型。采用該模型，阿姆斯特朗飛行研究中心在空氣動(dòng)力學(xué)方面開發(fā)了多項(xiàng)研究。例如，該研究中心計(jì)劃用其測(cè)試采用記憶合金制成的翼梢。此外，該研究中心還將用其來(lái)測(cè)試其它的機(jī)翼創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以及各種傳感器和模擬算法等。

該公司為蘭利研究中心開發(fā)的飛機(jī)被命名為T型尾翼通用模塊化飛機(jī)（PTERA GMA-TT），大小約為全尺寸的16%，可用于驗(yàn)證一架中型區(qū)域型噴氣式運(yùn)輸機(jī)的飛行動(dòng)力學(xué)特性，除了提高失速情況下飛行員的應(yīng)對(duì)能力外，還將測(cè)試相關(guān)的警報(bào)和自動(dòng)化技術(shù)。另外，蘭利研究中心還研究了幾種先進(jìn)的控制規(guī)律，可自動(dòng)使飛機(jī)擺脫失速等危險(xiǎn)狀態(tài)，這些控制規(guī)律的驗(yàn)證也是GMA-TT可能應(yīng)用的領(lǐng)域。

基于與NASA的成功合作，Area-I公司正在為美國(guó)海軍和美國(guó)空軍開發(fā)其它的無(wú)人航空飛行器機(jī)身，也開始接受對(duì)利用PTERA或該公司設(shè)計(jì)的其它無(wú)人飛機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行航空航天技術(shù)測(cè)試感興趣的大學(xué)和企業(yè)的訂單。這些測(cè)試對(duì)于載人駕駛飛機(jī)測(cè)試來(lái)說(shuō)可能太危險(xiǎn)，或者通過(guò)風(fēng)洞測(cè)試無(wú)法精確進(jìn)行模擬，

需要通過(guò)真正的無(wú)人實(shí)驗(yàn)飛機(jī)進(jìn)行測(cè)試。

在阿姆斯特朗飛行研究中心SBIR計(jì)劃第二階段項(xiàng)目的支持下，2014年，Area-I公司的PTERA在喬治亞州進(jìn)行了3次獨(dú)立的飛行和測(cè)試。測(cè)試結(jié)果有助于Area-I公司的工程師進(jìn)一步優(yōu)化控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和多種飛行軟件的性能，也可獲得新型飛機(jī)在飛行過(guò)程中可能遇到的意外情況，并研究出相關(guān)的解決方案，在新型飛機(jī)正式投入使用前消除隱患。這也意味著大量的挑戰(zhàn)性工作已經(jīng)完成。PTERA是一個(gè)整體系統(tǒng)，包括從地面控制站到機(jī)載航空電子設(shè)備，到機(jī)身及其結(jié)構(gòu)的全部設(shè)計(jì)。其擁有開源的飛行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，用戶可以進(jìn)入系統(tǒng)中，基于PTERA加載所需的設(shè)計(jì)，如可以加入自己的有效載荷，可以設(shè)計(jì)新的機(jī)翼或其它結(jié)構(gòu)，僅需很短的時(shí)間，就可構(gòu)建出所需的產(chǎn)品，并進(jìn)行飛行測(cè)試，而無(wú)需從頭設(shè)計(jì)新的飛機(jī)。

實(shí)際飛行測(cè)試數(shù)據(jù)還能幫助Area-I公司建立PTERA飛行性能數(shù)據(jù)庫(kù)，以記錄其最大速度、起飛距離和高度等參數(shù)。用戶可查詢所有的飛行測(cè)試基本數(shù)據(jù)，并將其與這些數(shù)據(jù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，確定是否獲得了預(yù)期的效果，如創(chuàng)新設(shè)計(jì)的燃油消耗是否更少等。這對(duì)于新技術(shù)的評(píng)估非常有價(jià)值。目前，共享這種飛行測(cè)試數(shù)據(jù)的做法非常少見，因?yàn)楦鶕?jù)《國(guó)際武器管制條例》（ITAR），美國(guó)海軍和美國(guó)空軍所擁有的數(shù)據(jù)不能公開，而企業(yè)的專有數(shù)據(jù)通常不愿共享。PTERA的數(shù)據(jù)基本上全部歸政府所有，并且是非軍事數(shù)據(jù)，因此，便于傳播和發(fā)布。

PTERA的模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于成本。通常，同類產(chǎn)品的價(jià)格約為幾百萬(wàn)美元，甚至幾千萬(wàn)美元，而購(gòu)買一架新的PTERA僅需約25萬(wàn)美元。

對(duì)于Area-I公司而言，從NASA合作開展的亞尺寸無(wú)人實(shí)驗(yàn)飛機(jī)研究中獲得的經(jīng)驗(yàn)是無(wú)價(jià)的，不僅鍛煉了其年輕工程師，也獲得了從其它領(lǐng)域無(wú)法獲得的經(jīng)驗(yàn)，提高了公司的科研和生產(chǎn)能力，促進(jìn)了公司的發(fā)展。

(唐甜)

▲ PTERA可用于T型尾翼飛機(jī)在正常和失速情況下的對(duì)比

Unmanned Research Aircraft Test Cutting-Edge Innovations