美國(guó)“未來飛行器”

陳友龍

據(jù)美國(guó)航空航天局網(wǎng)站報(bào)道，4月9日，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）阿姆斯特朗飛行研究中心的研究人員成功完成了X-56A“多用途技術(shù)試驗(yàn)臺(tái)”（MUTT）第二架飛機(jī)（代號(hào)為“Buckeye”）的首次飛行。此次20分鐘的飛行，意味著利用低成本模塊化的遙控?zé)o人機(jī)推進(jìn)航空伺服彈性技術(shù)研究工作的開始。X-56A飛行試驗(yàn)將啟動(dòng)更高展弦比機(jī)翼子項(xiàng)目中“性能自適應(yīng)氣動(dòng)彈性機(jī)翼”的相關(guān)研究，為國(guó)家航空航天局“先進(jìn)空中交通技術(shù)”（AATT）計(jì)劃提供支持。

X-56A是一種創(chuàng)新型模塊化無(wú)人飛行研究機(jī)，將用于試驗(yàn)主動(dòng)顫振抑制和陣風(fēng)減緩等主動(dòng)氣動(dòng)彈性控制技術(shù)，由洛克希德·馬丁臭鼬工程隊(duì)設(shè)計(jì)。該機(jī)采用2臺(tái)微型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、半飛翼構(gòu)型，翼尖帶翼梢小翼。洛馬公司制造了2個(gè)機(jī)身以及數(shù)套機(jī)翼，計(jì)劃開展剛性及柔性機(jī)翼的飛行試驗(yàn)。

X-56A綽號(hào)為“Fido”的首架飛機(jī)于2013年6月首飛，第2架飛機(jī)稱為“Buckeye”，于2014年6月2日抵達(dá)阿姆斯特朗中心。2015年1月該機(jī)開展了3次低速滑行試驗(yàn)，3月份完成了一次中速滑行試驗(yàn)。該機(jī)的初期試驗(yàn)將進(jìn)行飛機(jī)系統(tǒng)檢測(cè)、評(píng)估飛行品質(zhì)、拓展性能包線、驗(yàn)證地面仿真結(jié)果。4月9日的飛行試驗(yàn)將支持NASA先進(jìn)空中交通技術(shù)（AATT）項(xiàng)目的“更高展弦比機(jī)翼子項(xiàng)目——性能自適應(yīng)氣動(dòng)彈性機(jī)翼”相關(guān)研究。此次飛行是計(jì)劃完成的8次剛性機(jī)翼控制器開發(fā)（SWCD）包線探索飛行的首次飛行。試驗(yàn)中，X-56A達(dá)到海拔4 000英尺（1 219米）高度、70節(jié)（130千米/小時(shí)）速度。

美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室表示，情報(bào)、監(jiān)視與偵察（ISR）能力是X-56A研究的核心，在進(jìn)行試飛之后，NASA將為飛機(jī)安裝上正在研制的先進(jìn)傳感器，開展飛行試驗(yàn)。研究目標(biāo)是將傳感器嵌入X-56A的機(jī)翼中以探測(cè)顫振和陣風(fēng)載荷，并利用飛機(jī)控制面的偏轉(zhuǎn)消除其彎曲和扭轉(zhuǎn)的影響，最終有可能實(shí)現(xiàn)對(duì)這些彎曲運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)控制。該項(xiàng)目源自于未來ISR飛機(jī)的研究與技術(shù)開發(fā)，其中的技術(shù)還有可能應(yīng)用到2035年后服役的民機(jī)上，同時(shí)該技術(shù)對(duì)諸如美國(guó)空軍新一代遠(yuǎn)程轟炸機(jī)等打擊武器的建造也會(huì)有所幫助。

X-56A無(wú)人機(jī)代表了一種采用細(xì)長(zhǎng)、柔性機(jī)翼的未來飛行器，雖然尺寸較小，但仍能展示與真實(shí)的高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)或者更大的遠(yuǎn)程運(yùn)輸機(jī)相同的氣彈現(xiàn)象。該無(wú)人機(jī)主要開展可能出現(xiàn)顫振的飛行包線邊界的試驗(yàn)。顫振是彈性體在氣流中發(fā)生的不穩(wěn)定振動(dòng)現(xiàn)象，它是氣動(dòng)彈性力學(xué)中最重要的問題之一。彈性結(jié)構(gòu)在均勻氣流中由于受到氣動(dòng)力、彈性力和慣性力的耦合作用而發(fā)生的振幅不衰減的自激振動(dòng)。顫振問題在飛行器中尤為突出，一旦飛行速度超過臨界值，振幅就迅速增大，以至機(jī)翼破壞。

自從飛機(jī)誕生以來，發(fā)散、顫振以及陣風(fēng)響應(yīng)等氣動(dòng)彈性問題就成為影響飛機(jī)穩(wěn)定性及飛行性能的重要因素。在傳統(tǒng)的飛行器設(shè)計(jì)過程中，氣動(dòng)彈性工作通常負(fù)責(zé)對(duì)已有的設(shè)計(jì)方案或原型機(jī)進(jìn)行分析、校核，并提出修補(bǔ)措施，如設(shè)置配重、增加阻尼以及增設(shè)陷幅濾波器等。隨著輕重量、高性能飛行器的發(fā)展，飛行器結(jié)構(gòu)柔性趨于增大，使得氣動(dòng)彈性問題更加突出，甚至成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵條件之一。氣動(dòng)彈性問題促使機(jī)翼需要“剛?cè)岵?jì)”，以氣動(dòng)彈性性能為約束條件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化貫穿于飛行器設(shè)計(jì)的各個(gè)階段。特別是復(fù)合材料的應(yīng)用有效地提高了飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的手段。氣動(dòng)伺服彈性涉及到結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)以及控制等多學(xué)科問題，這些問題通常是以非理想的耦合形式存在的。在飛行器氣動(dòng)伺服彈性設(shè)計(jì)中，采用單純的結(jié)構(gòu)優(yōu)化或控制律優(yōu)化都難以達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)，從而必須將設(shè)計(jì)領(lǐng)域拓寬為多個(gè)學(xué)科，同時(shí)考慮多個(gè)學(xué)科的約束和性能指標(biāo)，即進(jìn)行多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化。氣動(dòng)伺服彈性設(shè)計(jì)優(yōu)化是一個(gè)非線性的、多學(xué)科耦合的、設(shè)計(jì)變量可行域非連續(xù)的優(yōu)化問題。

美國(guó)研究人員開發(fā)了一些工具和方法來幫助這樣一個(gè)柔性機(jī)翼飛行器安全飛行。其控制系統(tǒng)不僅能夠預(yù)測(cè)和感知顫振發(fā)生的起點(diǎn)，也能夠主動(dòng)地偏轉(zhuǎn)舵面抑制顫振的發(fā)展。由于機(jī)體很可能在試驗(yàn)中損壞，因此該機(jī)設(shè)計(jì)了可拆卸機(jī)翼和機(jī)身。無(wú)人機(jī)機(jī)體主要包含機(jī)身、飛控計(jì)算機(jī)、通信數(shù)據(jù)鏈、機(jī)載電子設(shè)備和任務(wù)設(shè)備等。X-56A繼承了以往洛·馬SensorCraft飛機(jī)簡(jiǎn)潔設(shè)計(jì)風(fēng)格和P-175、RQ-170及“暗星”無(wú)人機(jī)的飛翼型設(shè)計(jì)，采用倒海鷗式三角形構(gòu)型。該機(jī)飛行試驗(yàn)方案包括2個(gè)2.9米長(zhǎng)的中機(jī)身和4套固定弦機(jī)翼，翼展長(zhǎng)8.5米。一套機(jī)翼是基本試飛用剛性機(jī)翼，也可用于后續(xù)研究，剩余三套機(jī)翼是三套相同的顫振試驗(yàn)用輕型蒙皮材料制成的柔性機(jī)翼。整個(gè)系統(tǒng)還包括輕便的地面控制站，它具有模擬和系統(tǒng)集成試驗(yàn)室能力。

X-56A重約218千克，最大速度為277千米/小時(shí)。在機(jī)身尾部上方安裝了兩臺(tái)36千克推力的JetCat P400噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)前的機(jī)身里各安裝了一個(gè)油箱。為了應(yīng)付試驗(yàn)中可能出現(xiàn)的機(jī)翼脫落，X-56A機(jī)身內(nèi)安裝了彈道降落傘改出系統(tǒng)，其油箱兩側(cè)安裝了類似西銳SR22通用飛機(jī)采用的整機(jī)降落傘。降落傘和油箱被封裝在中心翼盒結(jié)構(gòu)中，該翼盒由前后梁和機(jī)身側(cè)面對(duì)接結(jié)構(gòu)組成。其機(jī)身前部為航電設(shè)備艙，機(jī)頭還安裝了大氣數(shù)據(jù)傳感器。機(jī)翼設(shè)計(jì)有翼梢小翼和4個(gè)升降副翼，機(jī)體后部還有襟翼。作動(dòng)器安裝在臨近每個(gè)舵面的艙內(nèi)，機(jī)翼內(nèi)的其它空間安裝有水壓載艙，用于穩(wěn)定性調(diào)節(jié)。三個(gè)外翼水壓載艙每個(gè)可裝水5.4千克，位于翼根的水壓載艙可裝水27.7千克。該機(jī)的柔性機(jī)翼被設(shè)計(jì)成兩層玻璃纖維結(jié)構(gòu)，兩層的方向?yàn)?/90度。這樣做是為了使機(jī)翼在扭轉(zhuǎn)方面有足夠的柔性，以使得在飛行包線范圍內(nèi)發(fā)生彎扭耦合模式的顫振。機(jī)身被橫向切為兩段，在機(jī)身尾部中心線上安裝有可裝載第三臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)或者垂尾的連接點(diǎn)。這是為了方便研究人員對(duì)X-56A的布局修改而做的準(zhǔn)備，后面可以安裝垂尾和平尾或者安裝小型、更大掠角的機(jī)翼和支柱，變成連接翼布局以進(jìn)行更多的試驗(yàn)。

X-56A的地面控制系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)飛行任務(wù)執(zhí)行狀況的監(jiān)控主體，主要包括地面站計(jì)算機(jī)、輔助操控手柄、通信數(shù)據(jù)鏈、發(fā)射回收設(shè)備等。地面站系統(tǒng)能在飛行期間根據(jù)環(huán)境的變化實(shí)時(shí)改變預(yù)定的任務(wù)計(jì)劃，從而有效提高了無(wú)人機(jī)執(zhí)行實(shí)際任務(wù)的能力。為了降低成本，臭鼬工程隊(duì)使用現(xiàn)成的商用設(shè)備和商業(yè)拖車開發(fā)了X-56A的地面控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，無(wú)人機(jī)飛行控制人員和測(cè)試主管并排坐在拖車前面，測(cè)試人員坐在他們后面。顫振和飛行控制測(cè)試工程師坐在布置在控制車側(cè)壁的控制臺(tái)前。在拖車后面是空調(diào)和設(shè)備冷卻架。

無(wú)人機(jī)地面站軟件是X-56A地面站系統(tǒng)的重要組成部分，它能夠很好地輔助地面操作人員對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行飛行狀況監(jiān)視和實(shí)時(shí)控制。操作員通過地面站系統(tǒng)提供的鼠標(biāo)、鍵盤、按鈕和操控手柄等外設(shè)來與地面站軟件進(jìn)行交互，就可以在任務(wù)開始前預(yù)先規(guī)劃好本次任務(wù)的航跡，飛行過程中對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和修改任務(wù)設(shè)置以干預(yù)無(wú)人機(jī)飛行，而任務(wù)完成后還可以對(duì)任務(wù)的執(zhí)行記錄進(jìn)行回放分析。

X-56A地面站軟件主要有三大功能：首先是飛行監(jiān)控功能。該部分為無(wú)人機(jī)的操作員提供控制平臺(tái)，除了要對(duì)無(wú)人機(jī)發(fā)回來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)地采集、顯示和保存之外，還要具備通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送各種遙控指令來實(shí)現(xiàn)干預(yù)無(wú)人機(jī)飛行的功能。其次是地圖導(dǎo)航功能。地圖導(dǎo)航部分為X-56A的地面控制人員提供導(dǎo)航平臺(tái)，飛行過程中將飛行的航跡和飛機(jī)的當(dāng)前位置實(shí)時(shí)標(biāo)示在電子地圖上。遇到特殊情況時(shí)，操作員可以通過地面站軟件控制X-56A從自動(dòng)模式進(jìn)入手動(dòng)模式，使無(wú)人機(jī)能夠在地面站的導(dǎo)航控制下進(jìn)行安全的飛行。最后是航線規(guī)劃與航跡操作功能。任務(wù)開始前，操作員根據(jù)預(yù)定的飛行計(jì)劃規(guī)劃好本次任務(wù)的飛行航線，然后將這一規(guī)劃發(fā)給飛控計(jì)算機(jī)；飛行過程中執(zhí)行航跡的存儲(chǔ)與回放，任務(wù)結(jié)束后就可以進(jìn)行航跡回放以檢驗(yàn)任務(wù)執(zhí)行的效果。

地面站與X-56A之間通過無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈來通信，地面站軟件實(shí)時(shí)接收由無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈傳來的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)解析處理之后顯示在界面上；同時(shí)可以根據(jù)操作員的命令向X-56A發(fā)送各種預(yù)定義指令來對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行遙控。利用X-56A地面站軟件，操作員可以很方便地執(zhí)行以下操作：飛行任務(wù)開始前可以預(yù)先規(guī)劃好目標(biāo)航線；任務(wù)開始之后，操作者通過地面站的一系列操作來實(shí)時(shí)控制無(wú)人飛行器的任務(wù)執(zhí)行，同時(shí)通過圖形界面監(jiān)控?zé)o人飛行器的當(dāng)前飛行狀態(tài)；根據(jù)飛行器通信鏈路發(fā)回的信息，在地圖上精確標(biāo)定飛行器當(dāng)前位置和航向；任務(wù)完成后，操作員還可以通過地面站軟件提供的航跡回放功能檢驗(yàn)該次任務(wù)執(zhí)行的效果。

對(duì)于X-56A的每一次飛行任務(wù)，操縱人員都要預(yù)先進(jìn)行本次任務(wù)的航線規(guī)劃。航點(diǎn)對(duì)應(yīng)著本次任務(wù)需要經(jīng)過的地圖上某個(gè)控制位置，設(shè)置航點(diǎn)時(shí)還需要設(shè)置到達(dá)該航點(diǎn)時(shí)飛機(jī)應(yīng)該具有的速度、航向等設(shè)定值，多個(gè)有序航點(diǎn)一起組成了一條航線。規(guī)劃好航線之后將該航線通過串口發(fā)送給X-56A，無(wú)人機(jī)就會(huì)自動(dòng)規(guī)劃好本次任務(wù)的各項(xiàng)動(dòng)作，任務(wù)開始后就可以自動(dòng)按序執(zhí)行各個(gè)飛行動(dòng)作，依次飛過各個(gè)航點(diǎn)來完成飛行任務(wù)。航跡回放是指在某次任務(wù)執(zhí)行完之后，根據(jù)任務(wù)執(zhí)行時(shí)傳下來并保存到地面站導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)中的飛行記錄情況，開始一個(gè)模擬的飛行，將整個(gè)飛行過程在軟件上回放一遍，航跡回放可以方便操作員分析某次任務(wù)執(zhí)行的狀況。航線規(guī)劃和航跡回放時(shí)都涉及到數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的應(yīng)用，航線規(guī)劃時(shí)需要保存規(guī)劃好的航點(diǎn)和航線信息，航跡回放時(shí)要讀取上次任務(wù)的飛行記錄，這些信息或記錄可以保存到文件或數(shù)據(jù)庫(kù)中。

X-56A地面控制系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)有虛擬座艙及操控設(shè)備，操控人員使用類似有人駕駛飛機(jī)的同種儀表設(shè)備，如按鈕、手柄、開關(guān)等，加上軟件，以體驗(yàn)同樣的感觀效果。在各機(jī)載傳感器獲得相應(yīng)的飛行器飛行狀態(tài)信息后，通過數(shù)據(jù)鏈路將這些數(shù)據(jù)以預(yù)定義的格式傳輸?shù)降孛嬲?。在地面站由?jì)算機(jī)處理這些信息，根據(jù)控制律解算出控制要求，形成控制指令和控制參數(shù)，再通過數(shù)據(jù)鏈路將控制指令和控制參數(shù)傳輸?shù)綗o(wú)人機(jī)上的飛控計(jì)算機(jī)，通過后者實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的操控。在2015年4月9日的飛行試驗(yàn)之后，AATT項(xiàng)目副經(jīng)理稱，此次飛行與模擬器上的演練飛行基本一樣，試驗(yàn)數(shù)據(jù)指導(dǎo)了未來柔性機(jī)翼控制律的開發(fā)，同時(shí)也幫助改進(jìn)柔性機(jī)翼的定義模型。美國(guó)研究人員開發(fā)了一個(gè)非線性N自由度模型來預(yù)測(cè)X-56A的復(fù)雜的氣動(dòng)伺服彈性，最終開發(fā)了采用線性的、降階的N自由度模型的自適應(yīng)控制系統(tǒng)來避免顫振。借助于X-56A項(xiàng)目的推動(dòng)，控制系統(tǒng)得到了一定的發(fā)展。

從偵察平臺(tái)到商用飛機(jī)和高速飛行器，高效能飛機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)朝著突破傳統(tǒng)邊界的方向發(fā)展。柔性結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)于未來輕質(zhì)、低阻布局的使用發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。由洛馬公司臭鼬工廠研制的X-56A的成功試飛，有望更好地解決航空飛行器在飛行過程中的一大“頑疾”——顫振問題，從而使柔性結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制技術(shù)的飛機(jī)概念變成現(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)既可提供飛行可靠性，還可減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的雙重目標(biāo)，其相關(guān)研究動(dòng)態(tài)值得我們特別關(guān)注。