美國(guó)國(guó)防預(yù)研局（DARPA）于2022年12月授予極光飛行科學(xué)公司為期一年的“采用新型操縱裝置的革命性飛機(jī)控制”（CRANE）項(xiàng)目第2階段合同，開展詳細(xì)工程設(shè)計(jì)，為開發(fā)全尺寸平臺(tái)奠定基礎(chǔ)。

“CRANE”項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)一型試驗(yàn)平臺(tái)，將主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)集成至飛控系統(tǒng)中，提升TRL并計(jì)劃進(jìn)行一系列試飛活動(dòng)。本次授予的合同中還包括可選擇執(zhí)行的第3階段制造和試飛合同，價(jià)值約4220萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)2025年首飛。

主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展概況

“流動(dòng)控制”是在傳統(tǒng)的飛機(jī)副翼、襟翼等操縱面位置釋放經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的壓縮空氣,利用噴射氣流在機(jī)翼后部制造一個(gè)“空氣葉片”以改變流經(jīng)機(jī)翼表面的空氣流動(dòng)方向,使其上下表面產(chǎn)生壓力差,從而產(chǎn)生相應(yīng)的控制力矩,起到與傳統(tǒng)副翼等操縱面相同的控制作用?！爸鲃?dòng)流動(dòng)控制”的作用原理和效果則與目前的機(jī)械結(jié)構(gòu)推力矢量噴管類似,但無(wú)需噴管整體或部分偏轉(zhuǎn)，也無(wú)需加裝可調(diào)節(jié)折流板,而是借助引入兩股以上噴射氣流去影響發(fā)動(dòng)機(jī)噴管主氣流的狀態(tài),使其改變方向，進(jìn)而產(chǎn)生推力分量來(lái)增強(qiáng)甚至替代傳統(tǒng)飛機(jī)操縱面的部分功能,對(duì)飛機(jī)的飛行進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

DARPA于1998年啟動(dòng)“微型自適應(yīng)流動(dòng)控制”項(xiàng)目，探索主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展與系統(tǒng)集成。2003年， NASA在貝爾公司XV-15傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)上首次使用該技術(shù)，通過(guò)52個(gè)執(zhí)行器噴射壓縮空氣，連通機(jī)翼上方的氣流消除旋翼氣流下洗產(chǎn)生的尾流效應(yīng)，以最大限度地降低懸停時(shí)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的負(fù)載。后續(xù)懸停試驗(yàn)表明，使用主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)減少了9%的負(fù)載，相當(dāng)于68kg的載荷；同時(shí)使用主動(dòng)和被動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)可減少14%的負(fù)載。但是該項(xiàng)技術(shù)并未在V-22等其他傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)上使用。此后，“微型自適應(yīng)流動(dòng)控制”項(xiàng)目還探索使用主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)控制飛行中旋轉(zhuǎn)的彈藥，以及使用自適應(yīng)流動(dòng)控制技術(shù)減小內(nèi)埋彈艙的聲學(xué)負(fù)載和沖擊作用，實(shí)現(xiàn)超聲速環(huán)境下投放“杰達(dá)姆”炸彈。

XV-15傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)。

2013年，北約科學(xué)技術(shù)組織評(píng)估了主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)在無(wú)人機(jī)中的運(yùn)用情況，認(rèn)為其控制飛翼構(gòu)型的無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)是“可行且合理的”，還可提升其隱身性能；2019年，該組織分別使用洛馬和波音公司設(shè)計(jì)的縮比模型進(jìn)行了飛行測(cè)試。

項(xiàng)目整體進(jìn)展

“采用新型操縱裝置的革命性飛機(jī)控制”項(xiàng)目的第0階段，即概念設(shè)計(jì)階段，于2020年7月啟動(dòng)。DARPA分別授予極光飛行科學(xué)公司（波音公司子公司）、洛馬公司以及佐治亞理工研究公司為期1年的合同，開發(fā)主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)設(shè)計(jì)軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)并予以完善，為后續(xù)研制演示驗(yàn)證機(jī)奠定基礎(chǔ)。前兩家公司對(duì)多種飛機(jī)概念進(jìn)行了分析，包括高速突防、高空情監(jiān)偵等平臺(tái)以及短距/垂直起降飛機(jī)等。BAE系統(tǒng)公司也獲得了第0階段合同，將其在“巖漿”（Magma）演示驗(yàn)證機(jī)和其他項(xiàng)目中運(yùn)用主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于一系列高速平臺(tái)中。

BAE公司“巖漿”無(wú)人機(jī)原型機(jī)。

2021年8月，極光飛行科學(xué)公司和洛馬公司進(jìn)入該項(xiàng)目第1階段，繼續(xù)完善概念設(shè)計(jì)；佐治亞理工研究公司獲得第0階段延長(zhǎng)合同，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)工具以應(yīng)用于后續(xù)實(shí)際生產(chǎn)。

X飛機(jī)構(gòu)型

極光飛行科學(xué)公司在第1階段聚焦共面聯(lián)合機(jī)翼概念設(shè)計(jì)，其后掠式前翼和前掠式后翼相連，并向外側(cè)繼續(xù)延伸，以便于測(cè)試多種類型的主動(dòng)流動(dòng)控制執(zhí)行器。

新型試驗(yàn)平臺(tái)使用主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)，其原理為使用機(jī)翼上的多組噴管噴射壓縮氣體，按需將動(dòng)量添加至邊界層以延遲流體分離并產(chǎn)生力和力矩以替代傳統(tǒng)的機(jī)械控制表面，以減輕機(jī)身重量、提升飛控效率并增強(qiáng)隱身性能。

極光飛行科學(xué)公司使用主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)的X飛機(jī)(風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)圖）。

X飛機(jī)翼展9m，總重3.2t，飛行速度達(dá)Ma0.7。該機(jī)在機(jī)翼及雙垂尾共計(jì)分布14組具有不用掠角的主動(dòng)流動(dòng)控制執(zhí)行器作為主要控制手段，出于安全考慮也保留了機(jī)械控制面作為備份。鼻錐中的輔助動(dòng)力系統(tǒng)將提供壓縮空氣，經(jīng)過(guò)執(zhí)行器的拉伐爾噴管可達(dá)到超聲速的瞬時(shí)速度。該階段極光飛行科學(xué)公司和DARPA選擇了技術(shù)更加成熟的穩(wěn)定射流模式，計(jì)劃首先研究其對(duì)機(jī)翼空氣動(dòng)力學(xué)影響的有效性和敏感性，并逐步拓展至機(jī)體其他位置?！安捎眯滦筒倏v裝置的革命性飛機(jī)控制”項(xiàng)目結(jié)束后，極光飛行科學(xué)公司將繼續(xù)研究不穩(wěn)定射流模式，該技術(shù)可在減小流量的同時(shí)提供更高效的控制。

極光飛行科學(xué)公司X飛機(jī)（概念圖）。