主動射流控制技術研發取得進展

根據美國航空周刊的報道,北約科技組織(STO)的研究人員在201917-11日于圣地亞哥舉辦的AIAA科學科技大會上介紹了其主動射流控制(AFC)技術的進展,稱其應用于無尾無人作戰飛機(UCAV)目前已經合理可用,至少可用于打擊任務的進入戰場階段,因為該技術可提高隱身性。

一、北約已開展多年主動射流控制(AFC)技術研發

AFC技術于20世紀70年代開始研發,目的是替換復雜機械高升力裝置,但當時判定所需發動機引氣質量過大。只使用射流作動器(利用引射效應)進行飛控預計可大幅縮小所需引氣量。北約的科學和技術組織2013年決定開展AFC如何應用于未來無人機系統的評估(由AVT-239任務組開展評估)。

未來無人機系統的優異特點包括高性能、低復雜度及成本、高隱身性等。洛·馬高級工程師丹尼爾·米勒稱AFC具有降低重量和體積,使飛機外緣做到沒有機械面縫隙,從而提高隱身性能。

目前的研究著眼于集成AFC四項技術:用于流動分離控制的掃掠噴氣;用于機翼渦流控制的大后掠ICE(創新控制效能)翼尖和機翼中段前緣噴氣;用于環量控制的后緣噴氣;射流矢量推進。對于射流推力矢量來說,目前的研究表明,可對316攝氏度、馬赫數0.8的主噴流進行矢量化實現俯仰控制,偏角最大達10度。

二、北約成立兩個任務組進行演示驗證無人機的開發和試飛評估

北約AVT-239任務組201812月完成了ICE的五年性能評估。另一個小組AVT-925正在試飛兩架不同縮比尺寸的無人機模型,以期年內使用射流飛控技術進行飛行。

AVT-239任務組包括BAE系統公司和洛·馬公司,美國空軍科學研究辦公室(AFOSR),英國國防科學技術實驗室(DSTL)以及大學和其他學術機構。該任務組的目標是對應用并集成AFC技術的基線飛機進行技術評估和鑒定。AFOSR歐洲航宇研發辦公室航空科學主任道格拉斯·史密斯稱:“不僅需要更好的空氣動力學性能,而且要關注在現實約束條件下以系統實現低可觀測性及引氣可用性。”

AVT-239任務組設計了用于評估的典型打擊任務剖面,包括三個階段:在9144米高度以馬赫數0.9Saccon為馬赫數0.8)進入戰場,以規避機動退出戰場,以及起降。研究聚焦于將AFC應用于需求最低的進入戰場或巡航階段。任務組開展的工作包括:設計完成AFC元件并集成到基線飛機中,開展了飛機級性能評估(進入戰場階段以小時記),確認所需控制功率以及由此所需的引氣質量以控制渦流和突風(這將決定防止短暫突風影響所需的峰值引氣需求是否會影響發動機壓氣機穩定性。)

作為基線,任務組使用兩款可用的不同空氣動力設計驗證平臺ICE-101,洛克希德20世紀90年代為美國空軍研究實驗室開發的無尾65度后掠三角翼概念戰斗機;Saccon(意為穩定和控制技術構型),基于波音1303設計的無尾53度后掠lamda機翼無人戰斗機。  

主動射流控制技術研發取得進展的圖1

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20世紀90年代洛克希德隱身戰斗機概念是北約ICE主動射流控制無人戰斗機的基礎。

Saccon團隊應用了基于柯恩達效應的環量控制系統于機翼后緣襟翼位置的內、外部,同時在發動機排氣處采用了推力矢量射流來完成控制俯仰。創新之處在于在跨聲速飛行時使用超聲速射流降低飛控所需氣量。BAE系統公司基于Saccon平臺開發了麥格瑪無人機,改裝了機翼區域,機翼更厚,前緣更圓,以減少1303“討厭”的抬頭行為。第一架麥格瑪無人機已于2017年使用傳統飛控飛行,第二架(麥格瑪F)已經做好飛行準備,采用射流俯仰推力矢量和超聲速雙縫吹氣環量控制。               

主動射流控制技術研發取得進展的圖2

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BAE的麥格瑪是Saccon無人機原型(波音1303無尾無人戰斗機)的改型。

對于兩種評估用的基線飛機,ICE使用單縫式AFC作動器,Saccon使用雙縫式機構。雙縫系統選取上或下縫實現增、減升力——或雙縫同時使用獲得對稱射流,從而使AFC系統產生偏航、俯仰和滾轉。                    

主動射流控制技術研發取得進展的圖3

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高壓縮比雙縫吹氣使AFC技術在Saccon飛機上提供俯仰、偏航、滾轉控制。

AVT-295任務組于20171月成立,負責試飛AFC技術。縮比飛機(為了安全安裝了垂直尾翼)將于2019年實現射流飛控(比原計劃有所延后),包括美國空軍學院的ICEBAE系統公司的麥格瑪飛機。              

主動射流控制技術研發取得進展的圖4

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美國空軍學院試飛了ICE的縮比模型以測量AFC的控制功率。

美國空軍學院與伊利諾伊理工學院合作對1:7縮比ICE在2017年使用傳統控制方式進行了試飛。今年計劃進行了AFC試飛將使用翼尖或后緣吹氣飛行,但不會兩者同時使用,以度量控制功率并驗證風洞測試結果。

三、北約AVT-239任務組給出的研究結論

AVT-239任務組通過對ICE-101Saccon采用AFC技術的兩款基線飛機進行評估后認為,AFC技術對無人戰斗機跨聲速進入和離開戰場階段是適用和合理的。未來工作將擴展其他任務階段的評估,以及故障、冗余控制架構等。同時,保持所有AFC飛機的生存率、可承受性和韌性。

關于引氣的結論:足量的引氣量可產生AFC所需的足夠控制功率,對現代發動機是可承受的,ICE使用不到3%,Saccon不到1.8%。AFC在進入戰場階段的平均引氣量為0.5%,對航程產生1%“可接受”的影響。從性能角度是可接受的。

關于控制效率的結論:后緣環量控制相比其他位置的AFC更有效。對于評估所用的三個典型打擊任務剖面(進入、退出、起降),ICE上的偏航推力矢量是必需的(無尾飛機偏航控制提出的挑戰),但翼尖和機翼中段前緣吹氣和掃掠射流可能對退出和起降階段更適用(進入階段舵面通常處于中立位置,采用AFC付出的代價較大)。對飛機重量、體積、隱身性的影響可能意味著在進入戰場階段將AFC用作傳統飛控的冗余備份更合理。傳統控制面保持中立位置而使用AFC加強隱身。閥門的可靠性是應用AFC技術的一個關鍵問題。閥門需要更可靠2-2.5倍才能保證AFC的可靠性可與傳統飛控系統相比,這個問題可通過改進閥門設計和采取更簡潔方式接入系統解決。

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