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主动射流控制可用于无人战斗机的飞行控制
2019-02-18
[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(AFC)技术应用于无尾无人战斗机(UCAV)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(ICE)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(意为稳定和控制技术构型),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(Saccon为马赫数0.8)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(可靠性、维修性、可扩展性、经济性)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(改装后系统的)‘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(NPR)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(为了安全安装了垂直尾翼)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(麦格玛F)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。(中国航空工业发展研究中心 蔡琰)

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