2022年12月，美國國防部表示，波音子公司極光飛行科學(xué)公司（Aurora Flight Science）獲得了一份美國國防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）的合同。該合同價(jià)值4200萬美元，項(xiàng)目主要內(nèi)容為開發(fā)一種被稱為新型效應(yīng)飛行器（CRANE）的新型試驗(yàn)飛機(jī)。

按照雙方的合同內(nèi)容，這種飛機(jī)將能夠在沒有舵、襟翼和副翼等傳統(tǒng)控制面板的情況下飛行。

【資料圖】

極光將為DARPA詳細(xì)設(shè)計(jì)一種使用氣流噴射進(jìn)行機(jī)動(dòng)飛行控制的實(shí)驗(yàn)飛機(jī)。

該項(xiàng)目的主要目的在于驗(yàn)證全新的飛行控制技術(shù)，擺脫對(duì)于傳統(tǒng)氣動(dòng)控制面的依賴，從而為未來飛機(jī)在總體性能上的突破提供設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——包括改善升力，減少阻力，提升機(jī)翼結(jié)構(gòu)效率，增大飛機(jī)內(nèi)部燃油儲(chǔ)存空間，降低飛機(jī)制造成本，提升飛行敏捷性，等等。

傳統(tǒng)飛行控制離不開氣動(dòng)面

從飛行力學(xué)的角度來說，大多數(shù)時(shí)候飛行控制的過程，就是飛機(jī)在俯仰、橫滾、偏航等多個(gè)方向上，通過改變受力狀態(tài)，使飛機(jī)始終處于類似“蹺蹺板兩頭不落地”的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

大角度抬頭起飛的F-15，其水平尾翼大幅度下偏，通過在機(jī)身末端形成向下的負(fù)升力，逼迫重心和氣動(dòng)焦點(diǎn)前方的前機(jī)身抬起……這是典型的力學(xué)“蹺蹺板”。

F-35B的動(dòng)力系統(tǒng)示意圖。

比如傳統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)要抬頭或者低頭，主要是通過遠(yuǎn)離飛機(jī)重心和氣動(dòng)焦點(diǎn)的水平尾翼或者鴨翼偏轉(zhuǎn)，在飛機(jī)的前部或者后部，施加一個(gè)強(qiáng)迫飛機(jī)抬頭或者低頭的控制力矩。

而隨著航空技術(shù)的發(fā)展，控制力矩的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)在并不一定全部依賴于各種氣動(dòng)面。

比如F-35B這樣的垂直起降飛機(jī)，就需要在翼下較為遠(yuǎn)離機(jī)身部位設(shè)置向下的噴口，噴射氣流來保持飛機(jī)的平衡，避免飛機(jī)左右側(cè)翻墜毀。

美國此次試驗(yàn)的“主動(dòng)射流控制技術(shù)”，就是試圖在飛機(jī)的機(jī)身和機(jī)翼上開設(shè)大量孔洞、縫隙，從中噴射出氣流；利用這些氣流改變飛機(jī)的受力狀態(tài)，從而驅(qū)使飛機(jī)的姿態(tài)和軌跡按照預(yù)期的要求變化，實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)飛行控制。

已進(jìn)入項(xiàng)目第二階段

這一項(xiàng)目由美國國防部主導(dǎo)并在2019年啟動(dòng)，并由洛克希德馬丁公司、佐治亞理工研究公司、極光飛行科學(xué)公司等企業(yè)參與了早期階段的研究。

極光公司是波音的子公司，總部位于弗吉尼亞州的馬納薩斯，業(yè)務(wù)聚焦于飛機(jī)和無人系統(tǒng)的前沿技術(shù)創(chuàng)新。根據(jù)現(xiàn)有的公開消息，這個(gè)項(xiàng)目大致上有三個(gè)階段：

階段一

第一階段，制造尺寸較小的縮比模型，在風(fēng)洞測試中對(duì)主動(dòng)射流控制技術(shù)進(jìn)行初步的可行性驗(yàn)證。這一階段目前已經(jīng)被極光公司完成，他們也因此獲得了下一階段研發(fā)的合同。

階段二

第二階段，為新的試驗(yàn)飛機(jī)創(chuàng)建詳細(xì)的工程設(shè)計(jì)，包括飛行控制軟件。

在這一階段中，美國國防部會(huì)對(duì)關(guān)鍵設(shè)計(jì)進(jìn)行審查，以確保該機(jī)能在沒有傳統(tǒng)飛行控制手段的情況下飛行。該階段任務(wù)如果順利完成，則極光公司能獲得進(jìn)入第三階段的合同。

BAE與曼徹斯特大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的MAGMA無人機(jī)，思路與CRANE在大方向上一致，但機(jī)體尺寸和噸位很小。

階段三

第三階段，極光公司將實(shí)際制造一架全尺寸的演示樣機(jī)，重量達(dá)到7000磅，翼展達(dá)到30英尺，最大飛行速度達(dá)到0.7馬赫。

該機(jī)將完全依賴于主動(dòng)射流控制技術(shù)進(jìn)行試飛，并具有模塊化設(shè)計(jì)的機(jī)翼方案，使該項(xiàng)目在后續(xù)研究中可以低成本、快速的更換相關(guān)設(shè)計(jì)或驗(yàn)證性技術(shù)。

從目前美國相關(guān)方面的公開表態(tài)來看，他們并不認(rèn)為這一技術(shù)能在短期內(nèi)具備實(shí)用價(jià)值。

該項(xiàng)目的前項(xiàng)目經(jīng)理瓦蘭曾表示：

“這是一個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目，旨在展示這種創(chuàng)新技術(shù)是否可以工作，而不是改進(jìn)已經(jīng)在運(yùn)行的東西……而如果這個(gè)概念確實(shí)有效，它可能是一項(xiàng)顛覆性技術(shù)，甚至可以顛覆未來的飛機(jī)設(shè)計(jì)方式?！?/p>

實(shí)用化依然困難重重

從基本觀念和思路來說，目前美國在深度探索的主動(dòng)射流控制技術(shù)并不是全新產(chǎn)物，至少有數(shù)十年以上的歷史——一直以來，有很多問題阻礙著它的實(shí)用化，其中一部分甚至與傳統(tǒng)的載人飛機(jī)設(shè)計(jì)要求有著根本性的沖突。

其中包括：

一、安全冗余問題

大量低速中小型飛機(jī)，甚至是一些比較大的飛機(jī)，依然廣泛采用以連桿或鋼索滑輪為核心的機(jī)械飛行控制系統(tǒng)。在遭遇主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)故障、喪失動(dòng)力的情況下，依然還能通過人力實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)面的持續(xù)控制，借助飛機(jī)殘存的能量，實(shí)現(xiàn)滑翔和迫降。

即使是對(duì)于飛行控制完全依賴電傳和液壓驅(qū)動(dòng)的先進(jìn)飛機(jī)，特別是高速、大型飛機(jī)，通過應(yīng)急動(dòng)力系統(tǒng)和應(yīng)急液壓泵等設(shè)計(jì)，也可以保障15分鐘甚至更長的可控狀態(tài)。

應(yīng)急沖壓渦輪，可以在滑翔過程中提取一部分飛機(jī)動(dòng)能，為飛行控制提供動(dòng)力。

2001年，TSC236航班的空客A330客機(jī)雙發(fā)失去動(dòng)力，滑翔19分鐘、120千米，在亞速爾島機(jī)場成功降落。

但對(duì)于主動(dòng)射流控制的飛機(jī)，一旦因主動(dòng)力系統(tǒng)故障失去動(dòng)力，無法再驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)大功率運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)際上不可能有第二個(gè)機(jī)載系統(tǒng)能提供相近流量、速度、壓力的持續(xù)性氣流噴射，這意味著飛機(jī)會(huì)在非常短的時(shí)間內(nèi)，控制力急劇下降并進(jìn)入不可挽救的失控狀態(tài)。

對(duì)于載人飛機(jī)而言，這是不可接受的安全缺陷——無論是對(duì)機(jī)內(nèi)人員還是地面。

但在作戰(zhàn)飛機(jī)無人化的趨勢下，以戰(zhàn)場為應(yīng)用環(huán)境的智能化軍用無人機(jī)，則對(duì)這種缺陷的容忍程度會(huì)相對(duì)高很多。

二、機(jī)體載荷航程問題

無論是MAGMA還是CRANE，目前都無法避免的問題是，它們都需要大量從發(fā)動(dòng)機(jī)引氣，相關(guān)要求遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)飛機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)。

對(duì)于渦輪燃機(jī)來說，把壓氣機(jī)段的壓縮空氣引出來、噴射到周圍大氣中，要付出較大的效率代價(jià)。原本這些空氣在進(jìn)入燃燒室燃燒、膨脹加速以后，可以提供大得多的功率。波音787等新型飛機(jī)，陸續(xù)把基于壓氣機(jī)引氣的傳統(tǒng)環(huán)控系統(tǒng)，變更為依賴于飛機(jī)發(fā)電機(jī)的全電環(huán)控系統(tǒng)，主要原因也在于此。

這是類似英國MAGMA等較早的主動(dòng)射流控制的驗(yàn)證機(jī)，尺寸噸位普遍很小的關(guān)鍵因素之一。在這些航模級(jí)別上的飛行器上，由于尺寸小、不需要考慮續(xù)航、不需要考慮復(fù)雜航電系統(tǒng)和戰(zhàn)斗武器等載荷，可以輕易實(shí)現(xiàn)非常高的推重比、充沛過剩的壓氣機(jī)流量；對(duì)于實(shí)用化的飛機(jī)，這是很不現(xiàn)實(shí)的。而且隨著機(jī)體噸位級(jí)別的不斷上升，這個(gè)矛盾會(huì)變得更為尖銳惡化。

總的來看，此類項(xiàng)目距離實(shí)用化還有相當(dāng)遙遠(yuǎn)的距離，其主要的應(yīng)用方向，可能是一些機(jī)動(dòng)性指標(biāo)要求不高、設(shè)計(jì)初衷就能容忍較大損失概率和事故附帶損失的軍用無人飛行器。

關(guān)鍵詞： 飛機(jī)設(shè)計(jì)