从而控制机翼的飞行姿态,采用射流俯仰推力矢量和超声速双缝吹气环量控制

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[据美国《航宇周刊与空间技术》网站2019年1月18日报道]北约开展的主动射流控制技术应用于无尾无人战斗机目前已经“合理可用”于飞行控制,至少可用于打击任务的进入战场阶段,该技术可提高隐身性。北约AVT-239任务组12月完成了创新控制因子的五年性能评估。第二个小组,AVT-925正试飞两架不同缩比无人机模型,以期年内使用射流飞控技术飞行。AFC技术于20世纪70年代开始研发,目的是替换复杂机械高升力襟翼,但当时判定所需发动机引气质量过大。只使用射流作动器进行飞控将大幅缩小所需引气量。北约的科学和技术组织2013年决定开展AFC如何应用于未来无人机系统的评估。结果发布于1月7日-11日AIAA圣地亚哥科学技术会议。AVT-239任务组包括BAE系统公司和洛马公司,美国空军科学研究办公室(AFOSR),英国国防科学技术实验室(DSTL)以及大学和其他学术机构。未来无人机系统的优异特点包括高性能、复杂度及成本降低、隐身性能提高。洛马高级工程师丹尼尔米勒称AFC具有降低重量体积,使飞机外缘做到没有机械面缝隙达到光滑无缝的潜力。AVT-239的目标是识别基线飞机,应用AFC并使用若干集成标准评估。AFOSR欧洲航宇研发办公室航空科学主任道格拉斯史密斯称:“不仅是空气动力学性能,而是如何在现实约束条件下以系统实现低可观测性及引气可用性。”作为基线,任务组使用两款可用的不同空气动力设计:ICE-101,洛克希德20世纪90年代为美国空军研究实验室开发的无尾65度后掠三角翼概念战斗机;Saccon,基于波音1303设计的无尾53度后掠lamda机翼无人战斗机。AVT-239开发了典型打击任务剖面,包括三个阶段:在30000英尺高度以马赫数0.9进入战场,以规避机动退出战场,以及起飞和降落。作为第一步,研究聚焦于将AFC应用于需求最低的进入战场或巡航阶段。研究着眼于集成AFC四项技术:流动分离控制的扫掠喷气;大后掠ICE上翼尖和机翼中段前缘喷气以分离控制涡旋;后缘喷气以控制环量;射流矢量推进。AFC元件设计完成开发并集成到基线飞机中,飞机级性能评估开展了小时级进入战场阶段,以确认所需控制功率-以及由此所需的引气质量以控制涡流和突风。这将决定防止短暂突风影响所需的峰值引气需求是否会影响发动机压气机稳定性。其他评估的参数包括成熟度、集成度、四性以及“跨平台性”,表述了技术可容易移至到其他后掠角度不同飞机上的特性。ICE团队吸收了有“硬表面”控制器洛克希德的原创设计,开发了四个AFC构型,采取不同的俯仰射流矢量推力组合,后缘和机翼中段前缘吹气和扫掠射流。米勒称:“目标并不是作弊,使集成更容易。飞机已经很拥挤了。我们研究了进入和离开战场飞控所需的引气。接着我们集成,尽可能在现有系统上真实地改装。然后我们着重‘四性’。”Saccon团队同时采用1303构型并应用了基于柯恩达效应的环量控制系统于机翼后缘襟翼位置的内、外部,同时在发动机排气处采用了推力矢量射流来完成控制俯仰。创新之处在于在跨声速飞行时使用超声速射流降低飞控所需气量。环量控制通过从狭缝向柯恩达曲面吹气实现。射流贴合于曲面引射更多空气,产生襟翼效果,在机翼上改变升力。DSTL的克里斯哈青称:“以前的AFC需要大量气流保持马赫数0.8的吹拂系数,原因是射流速度和自由流速度的比值。”ICE使用的AFC作动器是分开的,上下各单缝。Saccon使用双缝的机构。飞行控制系统选取上或下缝实现增、减升力——或双缝同时使用获得对称“反应射流”产生推力。可使AFC系统产生偏航、俯仰和滚转。超声速吹气要求AFC系统中喷嘴压缩比很高。BAE系统公司与曼彻斯特大学合作演示验证了压缩比在9的情况下射流附着和脱离表面的情况。NPR在7到9之间可和引气从发动机压缩的情况类似,将减少流体控制所需管道量。BAE系统公司全球工程师克莱德华索称:“狭缝的高度与柯恩达半径是关键参数。”高的NPR要求狭缝窄。要求在机翼后缘上产生与传统控制类似的厚度——对于4米的翼弦长来说需要10-15毫米以最小化阻力和雷达散射面积——需要狭缝高度将到0.5毫米,半径5-7毫米。对于制造产生了挑战。对于射流推力矢量来说,次级射流通过向发动机喷嘴上或下的反应曲面中的孔注入气体来实现。结合位于孔中上游的小台阶,可使600华氏度、马赫数0.8的初级排气射流矢量化实现俯仰控制,偏角最大10度。BAE系统公司计划结合偏航射流推力矢量。第二个北约任务组AVT-295于2017年1月成立,试飞AFC技术。缩比飞机延期了将于今年实现射流飞控,包括美国空军学院的ICE和威尔士的麦格玛飞机。1:7缩比的ICE在2017年最初使用传统控制方式“挑战飞行”,与伊利诺伊理工学院合作开展研究。喷气模型将使用翼尖或后缘吹气飞行,但不会两者同时使用,以度量控制功率并验证风洞测试结果。麦格玛基于Saccon平台,改装了机翼区域,机翼更厚,前缘更圆,以减少1303
“讨厌”的抬头行为。第一架飞机2017年使用传统飞控飞行,第二架已经做好飞行准备,采用射流俯仰推力矢量和超声速双缝吹气环量控制。AVT-239对于ICE和不那么激进的Saccon构型的评估结果是类似的。至少在进入战场阶段能否使用射流飞控替代传统飞控?能,但还不能在飞行所有阶段实施。华索称:“足量的引气量可产生AFC所需的足够控制功率,对现代发动机是可承受的,ICE使用不到3%,Saccon不到1.8%。”AFC在进入战场阶段的平均引气量为0.5%,对航程产生1%“可接受”的影响。从性能角度是可接受的。对两种平台来说,后缘的环量控制更有效。ICE上的偏航推力矢量是必需的,但翼尖和机翼中段前缘吹气和扫掠射流可能对其他飞行阶段更适用。对飞机重量、体积、隐身性的影响可能意味着在进入战场阶段将AFC用作传统飞控的冗余备份更合理。传统控制面保持中性位置而使用AFC加强隐身。关键问题是射流飞控系统中阀门的可靠性。米勒称:“阀门需要更可靠2-2.5倍才能保证AFC的可靠性可与传统飞控系统相比。”华索称:“可靠性问题可通过改进阀门设计和采取更简洁接入架构解决。”AFC技术对跨声速进入和离开战场阶段是适用和合理的。未来工作将扩展其他任务阶段的评估,以及故障、冗余控制架构等。同时,保持所有AFC飞机的生存率、可承受性和韧性。

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纸飞机是很多人童年的回忆。但你能相信空气真的能控制飞机的飞行吗?近日,英国一家公司就展示了一款通过“吹气”技术来控制飞行姿态的无人机。

据防务航空网2019年5月1日消息,英国BAE系统公司采用射流飞控技术的Magma无人机完成首飞,飞行中首次使用了超声速吹气技术。

英国曼彻斯特大学和BAE系统公司联合开发的Magma无人机计划在2018年春天晚些时候完成安装了气流喷射控制系统的第2架无人机飞行试验。Magma无人机将证明发动机超声速引气能提供与传统飞行操纵面等效的方向控制能力;同时探索用矢量喷气方法替换垂尾的潜力。潜在应用范围包括降低飞机RCS,提升重型运输机升力等。

该无人机之所以能够实现“吹气”控制,源于两项创新技术。一项是机翼控制技术,发动机不断吸气,之后将气流通过机翼两侧的狭窄气道“吹出”,从而控制机翼的飞行姿态。另一项是尾部射流控制技术,通过“吹气”来改变飞机尾部射流的喷射方向,进而使飞机“转弯”。研究人员表示,这项研究将为下一代隐形飞机的飞行控制系统提供借鉴。

一、BAE系统公司已开展十多年射流飞控技术研究

Magma无人机采用3D打印的整体机翼后缘喷流装置和尾部射流模块。Magma无人机的新技术使整合狭缝喷嘴和弯曲机翼后缘的单件单元的精确和重复生产成为可能。这些钛制部件由BAE位于兰开夏州Samlesbury的工厂采用3D打印技术制作。当飞行员输入方向指令后,Magma的机载系统将指令转译为吹过机翼后缘上表面或较低表面槽道的气流量。Magma项目的学术带头人比尔克劳瑟提到,如果向固定宽度槽道上大力吹气,就可形成襟翼偏转程度更大的效果。如果吹气的力度达到最大,就会形成襟翼偏到底的效果。矢量喷嘴也比Flaviir项目的版本简化了。后者的技术在操作温度下被证明是不可靠的,从来没完成飞行。Magma的喷嘴与机翼后缘的解决方案类似,是由金属单块3D打印出来的。试验装置上与发动机相连的无襟翼控制系统。该系统有一个喷嘴,最终组件有两个喷嘴,一个在机翼后缘曲面上,一个在下。

2004年起,BAE系统公司在英国工程与物理科学委员会的支持下,联合英国克兰菲尔德、莱斯特、利物浦等多所大学,开展了无操纵面飞行器综合工业研究项目的研究,探索一系列先进飞控技术,取代传统的舵面操作。BAE曾在其日食无人机的改型上测试了翼上吹气和矢量推力技术对飞控的辅助。

Magma无人机新型矢量喷嘴设计相比槽道更加有效。克劳瑟称,之前的设计机翼表面有槽道以保证喷射气流可附着在表面上,但温度上升后,槽道就闭死或变形了。现在的改变是简化装置。我们设计了台阶和台阶旁的一些孔而不是槽道,在台阶和孔之间吹过相对流量较小的气流就可以调整喷射气流是附着于上表面还是较低表面。意味着我们可以向上或向下飞行,该技术制造简单,容错率高。1/2缩比的矢量喷嘴设计。注意台阶和开孔行,可对气体是否附着在较低表面进行控制。

2010年,BAE系统公司恶魔无人技术验证机完成飞行测试,该机集成了无操纵面飞行器综合工业研究项目开发的众多先进技术,是射流飞控系统发展的一个重要节点。但该机采用的射流飞控方式操作难度大,实用性较低。

Magma无人机加入文丘里流量计的射流系统设计更加合理。发动机采用瑞典制造商Hawk
Turbine的货架产品加以改装。流体系统设计资深实验官伊恩鲁南表示,项目重新设计了压气机,可额外提供压缩空气,从发动机引出流入各个射流系统。在曼彻斯特大学试验装置上的改进的Hawk
Turbine
240R发动机。注意顶部的文丘里流量计。鲁南称,如果采用过大压气机的话,如果不引足够多的气,大量气体将冲击涡轮使其寿命缩短。但如果引太多气,其过热。因此设置了文丘里流量计来持续测量流量,以及控制阀门的回路,排出不需要进入射流系统的多余气体。

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