MAGMA無人機驗證無襟翼射流飛行控制

溫杰

自從人類實現飛行以來，借助機械實現飛機操縱的控制方式已經沿用了100多年，但是，隨著航空技術的不斷進步，全新的氣動控制技術有可能改變這種傳統的飛機操縱方式。

本世紀初，BAE系統公司針對未來型號發展的需要，提出了一個頗具挑戰的設想，希望通過自主探索一些先進技術，研制一架不需要常規操縱面的無人機，與正常使用操縱面的無人機相比，并不會影響總體性能。隨后，BAE系統公司在英國工程與物理科學委員會的大力支持下，與本國多所大學展開密切合作，在2004年發起了一個“無操縱面飛行器綜合多學科研究”（FLAVIIR）項目。

這個項目集中于探索未來無人機的各項技術，涉及到氣動布局、控制系統等7個領域。此前，這些技術都在實驗室內接受過測試，但是從未集成到一架飛行驗證機上。這項計劃為期5年，主要目標是發展一種力求實現低成本、免維護的無人機，其中特別強調了無人機在不采用常規操縱面的情況下就能確保正常飛行和控制操縱。BAE系統公司希望這一項目的研究成果有助于今后設計無人機時可以取消常規操縱面，增加無人機的隱身性和可靠性。

經過為期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，并成功地應用到一架號稱“惡魔”（DEMON）的無人駕駛驗證平臺上，堪稱航空史上的一大創舉。就名稱而言，其本意是“演示、驗證”（Demonstrate）。

FLAVIIR項目在2010年2月正式結束，取得了令人矚目的工程技術成就。同年9月17日，“惡魔”無人機從英國坎布里亞郡沃爾尼島的一個機場起飛，首次完成了“無副翼”飛行測試。試飛期間，該機首先在常規控制方式下飛行，在地面人員發出的指令后，立即轉換到射流控制方式，此時副翼不再產生機械運動，完全依靠氣動效應實現滾轉控制。

測試“惡魔”驗證機

“惡魔”驗證機在控制系統設計上利用了柯恩達效應，通過一系列試飛證明了利用空氣沿著機翼后緣延伸出的圓形表面兩側的兩條狹縫切向吹出，可以產生控制效果。

“惡魔”無人機采用梯形機翼、單垂尾、無平尾的氣動布局，翼展為2.44m，重量為91kg。機翼后緣分別設計了4段操縱面，其中3段為常規操縱面，可以根據飛行試驗的需要，起到副翼、襟翼和升降舵的作用，而呈現鋁合金顏色的部件則為“氣動副翼”。從機械裝置角度來看，它實際上就是一個循環控制致動器，表面加工有兩排小孔，形成了狹縫，可以利用高壓空氣產生射流。

射流裝置由克蘭菲爾德大學設計，在機翼后緣采用了一種偏心安裝的圓形柯安達表面。這種設備輪流打開和關閉上表面和下表面的狹縫。另外，曼徹斯特大學也設計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。

根據需要，機頭段內部安裝了一套輔助動力裝置，作為射流裝置的動力源。這是一臺經過改裝的小型渦輪噴氣發動機，用于驅動一組動力渦輪和壓縮機，后者為機翼后緣內的一個增壓室提供經過高壓空氣。

從工作機理上講，“惡魔”無人機在飛行過程中可以保持常規操縱面不動，僅僅借助于“氣動副翼”實現滾轉控制。飛行過程中，高壓空氣借助射流裝置或循環控制裝置，從機翼后緣上、下表面的狹縫中吹出，利用柯安達效應讓噴氣流附著在圓形的機翼后緣，并使機翼表面的流場發生彎曲，從而有效地改變副翼表面的升力。通過改變機翼兩側副翼上的狹縫，升力可以增加或減少，使無人機向左或向右滾轉。

當時，研制人員還只是局限于測試它的滾轉控制能力，計劃在下一階段將內側的操縱面改裝為“氣動升降舵”，實現無人機的俯仰控制，也可以通過一個射流推力矢量噴管實現俯仰控制。

但是，FLAVIIR研制團隊驗證的柯恩達效應相對有限，部分是因為通過機翼上的狹槽吹出的空氣以亞聲速流動。各項研究的結果表明，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。

另外一個問題是關于無人機系統的基本適用性。針對“惡魔”驗證機研制的后緣吹氣裝置在測試過程中必須借助螺絲釘經常進行手動調整，如何減小控制裝置的尺寸和減少維護調整的頻率，成為研制團隊需要解決的一個主要問題。

驗證射流控制技術

與此同時，BAE系統公司針對未來作戰飛機的發展需求，與曼徹斯特大學合作研究一種飛機控制的新概念，取消了傳統上所要求的復雜機械運動部件，即在飛行過程中改變襟翼、副翼來控制飛機。這種技術可以提供更好的控制能力，同時減輕重量和降低維護成本，用于未來發展更輕、更隱身、更快速和更高效的軍用和民用飛機。

MAGMA無人機采用了瑞典霍克渦輪動力公司為模型飛機生產的噴氣式發動機，主要用于試驗兩項技術：一項技術是機翼循環控制，利用引自發動機的高壓空氣，以超聲速從機翼后緣吹過，為飛機提供控制。另一項技術是射流推力矢量，利用多股從狹縫中吹出的空氣偏轉發動機排出的燃氣，從而改變飛機的飛行方向。兩者結合起來后，飛行員只需控制飛機內部的空氣，就可以操縱飛機的方向。

MAGMA無人機所驗證的技術令人印象深刻，幾乎可以革命性來形容。目前，這項技術僅限于一架單發無人駕駛飛機，也只是完成了一次飛行。BAE系統公司聲稱，這項技術如果投入使用，產生的效益會十分巨大，因此有可能迅速地應用于新型飛機設計上。從飛機設計來看，這項技術將有助于增強作戰飛機的隱身性能。飛行員或無人機操作員可以改變飛行器的飛行方向，而不用擔心由此導致飛機或無人機被雷達發現。

目前，第二架MAGMA驗證機的機體已經制造完成，將配備一些射流控制技術裝置。后緣控制裝置已經安裝完畢；研制團隊仍在致力于集成推力矢量噴管。第一架驗證機將保留傳統的控制裝置，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驗證機與第二架MAGA驗證機的機身之間的一些主要區別在于內部采用了更好的內部管路，更好地將壓縮空氣從發動機輸送到機翼后緣，并順暢地進入到不同的子系統。在結構上，第一架MAGMA驗證機重達40kg，第二架驗證機會更重一些，主要是機身內部填滿了各種射流裝置，重量增加到60kg。這架驗證機也稱為MAGMA射流型。

研制團隊希望第二架驗證機在2018年上半年升空，目標是在一系列飛行中逐步實現從飛機上取消垂直尾翼，并使用射流技術實現完全控制飛行狀態。