英國(guó)曼徹斯特大學(xué)和BAE系統(tǒng)公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的Magma無(wú)人機(jī)計(jì)劃在2018年春天晚些時(shí)候完成安裝了”氣流噴射控制系統(tǒng)”的第二架無(wú)人機(jī)飛行試驗(yàn)。
一、Magma無(wú)人機(jī)項(xiàng)目概況
Magma無(wú)人機(jī)將證明發(fā)動(dòng)機(jī)超音速引氣能提供與傳統(tǒng)飛行操縱面等效的方向控制能力；同時(shí)探索用矢量噴氣方法替換垂尾的潛力。潛在應(yīng)用范圍包括降低飛機(jī)RCS，提升重型運(yùn)輸機(jī)升力等。
Magma無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)思想是使用“氣流噴射控制系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)無(wú)活動(dòng)部件的飛行控制。該控制系統(tǒng)通過(guò)氣流噴射而產(chǎn)生控制力矩，主要包括兩個(gè)要素：機(jī)翼環(huán)量控制和射流推力矢量控制。
Magma無(wú)人機(jī)射流推力矢量控制原理
第一架Magma無(wú)人機(jī)使用傳統(tǒng)舵面，但是以機(jī)翼后緣噴流方式實(shí)現(xiàn)飛行控制，主要目的是確認(rèn)飛機(jī)構(gòu)型的基本飛行特性。
Magma項(xiàng)目第一架無(wú)人機(jī)2017年9月完成了首飛。當(dāng)時(shí)使用了傳統(tǒng)的控制面（但采用機(jī)翼射流控制方式，不是傳統(tǒng)的舵面驅(qū)動(dòng)），主要驗(yàn)證流體控制技術(shù)使用的新機(jī)身可按預(yù)期飛行。2018年春天晚些時(shí)候的試飛將不僅演示機(jī)翼射流控制和射流推力矢量，同時(shí)還將實(shí)現(xiàn)該裝置快速便捷從機(jī)體上的安裝和拆除。
二、無(wú)人機(jī)射流控制的前期研究
利用發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮空氣輔助飛機(jī)控制的概念已經(jīng)出現(xiàn)一段時(shí)間了。布萊克本“掠奪者”攻擊機(jī)的邊界層控制系統(tǒng)使用空氣吹過(guò)機(jī)翼來(lái)輔助飛機(jī)著陸并提升低速條件下對(duì)飛機(jī)的控制。
此前，BAE與英國(guó)的克蘭菲爾德、萊斯特、利物浦等9家大學(xué)聯(lián)合開(kāi)展了“Flaviir”（無(wú)舵面飛行器綜合工業(yè)研究，5年，近1000萬(wàn)美元）項(xiàng)目研究。2010年，該項(xiàng)目完成了無(wú)人演示驗(yàn)證機(jī)Demon的飛行。Demon無(wú)人機(jī)從兩條狹縫中沿機(jī)翼后緣隆起表面切向吹出空氣。該概念利用了科恩達(dá)效應(yīng)：流體流過(guò)彎曲表面時(shí)傾向于附著在表面上而改變本來(lái)的流向，例如在水龍頭下讓水流過(guò)勺子的表面?？颂m菲爾德大學(xué)的高級(jí)講師、Magma項(xiàng)目的學(xué)術(shù)帶頭人比爾·克勞瑟稱，空氣附著于隆起的表面，但也吸入了周?chē)目諝?，因此可像虛擬襟翼一樣起效，不需要活動(dòng)部件。
Flaviir項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)演示的該效應(yīng)受到了部分限制，原因是吹過(guò)機(jī)翼表面槽道的空氣流速達(dá)到了超音速。多項(xiàng)研究表明在高速情況下，超音速空氣會(huì)從曲面分離，對(duì)控制方向就沒(méi)用了。克勞瑟解釋道，問(wèn)題是人們做的試驗(yàn)沒(méi)有效果就說(shuō)這項(xiàng)技術(shù)不會(huì)成功，但其實(shí)是他們的試驗(yàn)沒(méi)做對(duì)。關(guān)鍵問(wèn)題是機(jī)翼后緣翼型的設(shè)計(jì)。翼型的設(shè)計(jì)是非常機(jī)密的，但他們已經(jīng)攻克了這個(gè)難題。
Demon無(wú)人機(jī)問(wèn)題還有該系統(tǒng)的基本可用性?？藙谏矠?/span>Flaviir項(xiàng)目工作過(guò)，Demon無(wú)人機(jī)的手動(dòng)氣流控制非常頻繁，類(lèi)似于玩樂(lè)器。而Magma的控制單元不需要類(lèi)似的高強(qiáng)度維護(hù)，但可以裝置五分之一大小完成相同的效果（假設(shè)機(jī)翼尺寸相同）。
Demon無(wú)人機(jī)的無(wú)襟翼控制系統(tǒng)需要人手以螺絲刀調(diào)整。
三、Magma無(wú)人機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)
（一）采用3D打印的整體機(jī)翼后緣噴流裝置和尾部射流模塊
Magma無(wú)人機(jī)的新技術(shù)使整合狹縫噴嘴和彎曲機(jī)翼后緣的單件單元的精確和重復(fù)生產(chǎn)成為可能。這些鈦制部件由BAE位于蘭開(kāi)夏州Samlesbury的工廠采用3D打印技術(shù)制作。當(dāng)飛行員輸入方向指令后，Magma的機(jī)載系統(tǒng)將指令轉(zhuǎn)譯為吹過(guò)機(jī)翼后緣上表面或較低表面槽道的氣流量?？藙谏岬剑绻蚬潭▽挾炔鄣郎洗罅Υ禋?，就可形成襟翼偏轉(zhuǎn)程度更大的效果。如果吹氣的力度達(dá)到最大，就會(huì)形成襟翼偏到底的效果。
矢量噴嘴也比Flaviir項(xiàng)目的版本簡(jiǎn)化了。后者的技術(shù)在操作溫度下被證明是不可靠的，從來(lái)沒(méi)完成飛行。Magma的噴嘴與機(jī)翼后緣的解決方案類(lèi)似，是由金屬單塊3D打印出來(lái)的。
試驗(yàn)裝置上與發(fā)動(dòng)機(jī)相連的無(wú)襟翼控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)有一個(gè)噴嘴，最終組件有兩個(gè)噴嘴，一個(gè)在機(jī)翼后緣曲面上，一個(gè)在下。
（二）新型矢量噴嘴設(shè)計(jì)相比槽道更加有效
克勞瑟稱，之前的設(shè)計(jì)機(jī)翼表面有槽道以保證噴射氣流可附著在表面上，但溫度上升后，槽道就閉死或變形了?，F(xiàn)在的改變是簡(jiǎn)化裝置。我們?cè)O(shè)計(jì)了臺(tái)階和臺(tái)階旁的一些孔而不是槽道，在臺(tái)階和孔之間吹過(guò)相對(duì)流量較小的氣流就可以調(diào)整噴射氣流是附著于上表面還是較低表面。意味著我們可以向上或向下飛行，該技術(shù)制造簡(jiǎn)單，容錯(cuò)率高。
1/2縮比的矢量噴嘴設(shè)計(jì)。注意臺(tái)階和開(kāi)孔行，可對(duì)氣體是否附著在較低表面進(jìn)行控制。
（三）加入文丘里流量計(jì)的射流系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加合理
發(fā)動(dòng)機(jī)采用瑞典制造商Hawk Turbine的貨架產(chǎn)品加以改裝。流體系統(tǒng)設(shè)計(jì)資深實(shí)驗(yàn)官伊恩·魯南報(bào)告稱，項(xiàng)目重新設(shè)計(jì)了壓氣機(jī)，可額外提供壓縮空氣，從發(fā)動(dòng)機(jī)引出流入各個(gè)射流系統(tǒng)。
在曼徹斯特大學(xué)試驗(yàn)裝置上的改進(jìn)的Hawk Turbine 240R發(fā)動(dòng)機(jī)。注意頂部的文丘里流量計(jì)。
魯南稱，如果采用過(guò)大壓氣機(jī)的話，如果不引足夠多的氣，大量氣體將沖擊渦輪使其壽命縮短。但如果引太多氣，其過(guò)熱。因此設(shè)置了文丘里流量計(jì)來(lái)持續(xù)測(cè)量流量，以及控制閥門(mén)的回路，排出不需要進(jìn)入射流系統(tǒng)的多余氣體。
（四）其他設(shè)計(jì)考慮
此外，Magma無(wú)人機(jī)基于1303翼型設(shè)計(jì)，該翼型最初是由美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室和波音鬼怪工廠開(kāi)發(fā)，并應(yīng)用于波音“鬼怪鰩”無(wú)人戰(zhàn)斗演示驗(yàn)證機(jī)上。Magma項(xiàng)目不必設(shè)計(jì)全新飛機(jī)，但項(xiàng)目的核心目標(biāo)要求之前的飛機(jī)設(shè)計(jì)不能簡(jiǎn)單照搬。
Magma設(shè)計(jì)者之一，博士研究生威爾·哈利指出在飛機(jī)設(shè)計(jì)中的其他考慮。把機(jī)身尾部向內(nèi)移，機(jī)身中部要比福特全順貨車(chē)橫向輪距窄，否則無(wú)人機(jī)將無(wú)法運(yùn)輸至機(jī)場(chǎng)。機(jī)翼的選型也有利于制造。
在射流控制開(kāi)發(fā)部門(mén)工作的博士研究生托馬斯·謝伍德說(shuō)，通常此類(lèi)飛機(jī)的機(jī)翼前緣很薄，有利于隱身，但Magma無(wú)人機(jī)沒(méi)采用這種設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)的氣動(dòng)穩(wěn)定性不好。前緣的圓弧化處理使Magma無(wú)人機(jī)更易飛。
目前，第二架Magma無(wú)人機(jī)機(jī)身已經(jīng)制造，并安裝了射流控制系統(tǒng)。機(jī)翼后緣的控制已經(jīng)成熟，團(tuán)隊(duì)正完成矢量噴嘴的整合。第一架飛機(jī)保留其傳統(tǒng)控制，但可安裝射流裝置，以替代襟翼。除了集成無(wú)襟翼控制和矢量噴嘴，第一架和第二架Magma無(wú)人機(jī)的主要區(qū)別是機(jī)身內(nèi)部管路的安排，以使壓縮引氣從發(fā)動(dòng)機(jī)引入機(jī)翼后緣，以及各子系統(tǒng)?？藙谏Q，已飛的無(wú)人機(jī)重40千克，第二架——Magma射流版本——已獲CAA（英國(guó)民用航空局）批準(zhǔn)將重量升至60千克。
（航空工業(yè)發(fā)展中心 蔡琰）
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