综述记录无方向舵飞机主动流动控制技术进展

《空气动力学进展》(Advances in Aerodynamics)发表的一篇研究综述记录了主动流动控制飞行器的进展,梳理了取消传统机械方向舵、并扩展短距起降能力的工程里程碑。综述引用了美国国家航空航天局(NASA)的定义:主动流动控制是按需把能量直接注入边界层,以操纵局部气动现象,因此小幅的局部流体输入就能对整个机体产生主导性影响。

综述指出,传统铰接方向舵是飞翼飞机的负担,而飞翼正是无方向舵控制研究的主要平台。方向舵增加结构重量,需要占用大量内部空间的机械组件,带来维护上的复杂性,还会引入作动器饱和、机械死区等非线性响应。在低可探测构型中,航向控制要在稳定性与隐身之间取舍,因为雷达散射截面要求舵面偏转量尽可能小。

系统性的早期工作来自欧洲和北约的多个项目。2004 年,BAE Systems 与十所学术机构启动了无襟翼飞行器综合产业研究(Flapless Air Vehicle Integrated Industry Research)计划,同时成立了 AEROMEMS II 联合体。曼彻斯特大学的飞行试验始于 2005 年,使用 Tutor40 无人机,通过外翼环量控制实现滚转。2006 年,Vector II 平台通过同向射流流体推力矢量演示了俯仰控制,2010 年 9 月,重九十公斤的 DEMON 无人机首飞。

在北约科学技术组织(NATO Science and Technology Organization)应用飞行器技术计划之下,AVT-168、AVT-215、AVT-239 和 AVT-295 几个阶段,围绕创新控制效应器(ICE)与稳定性和控制构型机体,研究了虚拟气动成形、边界层吹气和流动效应器集成。2019 年完成的评估发现,用主动流动控制作动器取代机械方向舵,可使内部容积减少百分之十,部件重量减少百分之二十五。一架缩比 ICE 飞行器于 2018 年 8 月飞行。

由 BAE Systems 与曼彻斯特大学研制的缩比 MAGMA 验证机,2017 年完成了使用传统机械舵面的基线试验。2019 年 4 月,它在没有任何活动操纵面的情况下,实现了纯主动流动控制的滚转和俯仰操纵。滚转由紧凑的后缘环量缝隙控制;俯仰控制力来自把发动机压气机引气,经一排沿翼展布置的内部喷嘴吹出,这排喷嘴位于一个后向台阶的下游,台阶的设计目的是消除迟滞和双稳态流动切换。

在美国,国防高级研究计划局(DARPA)于 2020 年启动了「新型效应器革命性飞机控制」(Control of Revolutionary Aircraft with Novel Effectors)计划,目标是把主动流动控制纳入飞机的概念设计,而不是在现有机体上后装作动器。Aurora Flight Sciences、Lockheed Martin、佐治亚理工学院和 BAE Systems 参与了这项多阶段工作。验证机于 2023 年 5 月被命名为 X-65,Aurora Flight Sciences 则在 2024 年 1 月受托制造全尺寸飞行样机。

中国的科研机构在多种作动方式上都有贡献。南京航空航天大学 2014 年在常规机体上验证了环量控制的滚转操纵能力,2015 年飞行了全无尾鸭式无人机,2019 年飞行了三轴无方向舵飞翼。2015 年,Cao 等人的飞行试验表明,一种利用被动二次流诱导的推力矢量设计使战术转弯半径缩小百分之八十,俯仰加速度提高 143.6%。

国防科技大学开创了零质量流量双合成射流作动器,它不需要外部气瓶、压气机引气管路或笨重的机械阀门。2021 年至 2023 年间,研究人员把它们先后集成到 AFC-1、多轴 AFC-2、AFC-3 以及涡喷动力的 AFC-4 飞翼上。AFC-4 在每秒七十米、0.2 马赫的巡航速度下实现了完整的三轴无方向舵飞行控制,这是迄今公开的主动流动控制飞行中速度最高的一次。

综述中的各个项目遵循相同的设计逻辑:取消铰接舵面可以腾出内部空间、减轻部件重量,在低可探测飞翼上,还能消除操纵能力与雷达特征之间的冲突。所报告的容积减少百分之十、部件重量减少百分之二十五,是这一权衡最清晰的量化案例,但它们出自缩比飞行器和评估工作,而非已投入使用的飞机。

综述还展示了控制能量的两条供给路线。MAGMA 这类引气系统取用发动机压气机的空气,使流动控制与动力系统绑在一起。AFC 系列飞行验证的零质量流量合成射流则省去了气瓶、引气管路和笨重的阀门,更容易装进小型机体。哪条路线能放大到更大的飞机,是这个领域尚未解决的工程问题。

下一个明确的里程碑,是 Aurora Flight Sciences 于 2024 年 1 月受托制造的全尺寸 X-65 飞行样机。这架飞机的飞行结果将检验,流体控制能否从缩比无人飞行器推广到一开始就围绕它设计的更大机体上。