2022年12月，美國國防部表示，波音子公司極光飛行科學公司（Aurora Flight Science）獲得了一份美國國防預先研究計劃局（DARPA）的合同。該合同價值4200萬美元，項目主要內(nèi)容為開發(fā)一種被稱為新型效應飛行器（CRANE）的新型試驗飛機。

按照雙方的合同內(nèi)容，這種飛機將能夠在沒有舵、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詳細設(shè)計一種使用氣流噴射進行機動飛行控制的實驗飛機。

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

傳統(tǒng)飛行控制離不開氣動面

從飛行力學的角度來說，大多數(shù)時候飛行控制的過程，就是飛機在俯仰、橫滾、偏航等多個方向上，通過改變受力狀態(tài)，使飛機始終處于類似“蹺蹺板兩頭不落地”的動態(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，通過在機身末端形成向下的負升力，逼迫重心和氣動焦點前方的前機身抬起……這是典型的力學“蹺蹺板”。

F-35B的動力系統(tǒng)示意圖。

比如傳統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)飛機要抬頭或者低頭，主要是通過遠離飛機重心和氣動焦點的水平尾翼或者鴨翼偏轉(zhuǎn)，在飛機的前部或者后部，施加一個強迫飛機抬頭或者低頭的控制力矩。

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

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

美國此次試驗的“主動射流控制技術(shù)”，就是試圖在飛機的機身和機翼上開設(shè)大量孔洞、縫隙，從中噴射出氣流；利用這些氣流改變飛機的受力狀態(tài)，從而驅(qū)使飛機的姿態(tài)和軌跡按照預期的要求變化，實現(xiàn)機動飛行控制。

已進入項目第二階段

這一項目由美國國防部主導并在2019年啟動，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，這個項目大致上有三個階段：

階段一

第一階段，制造尺寸較小的縮比模型，在風洞測試中對主動射流控制技術(shù)進行初步的可行性驗證。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，為新的試驗飛機創(chuàng)建詳細的工程設(shè)計，包括飛行控制軟件。

在這一階段中，美國國防部會對關(guān)鍵設(shè)計進行審查，以確保該機能在沒有傳統(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入第三階段的合同。

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

階段三

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

該機將完全依賴于主動射流控制技術(shù)進行試飛，并具有模塊化設(shè)計的機翼方案，使該項目在后續(xù)研究中可以低成本、快速的更換相關(guān)設(shè)計或驗證性技術(shù)。

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

該項目的前項目經(jīng)理瓦蘭曾表示：

“這是一個試驗項目，旨在展示這種創(chuàng)新技術(shù)是否可以工作，而不是改進已經(jīng)在運行的東西……而如果這個概念確實有效，它可能是一項顛覆性技術(shù)，甚至可以顛覆未來的飛機設(shè)計方式。”

實用化依然困難重重

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用化，其中一部分甚至與傳統(tǒng)的載人飛機設(shè)計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，甚至是一些比較大的飛機，依然廣泛采用以連桿或鋼索滑輪為核心的機械飛行控制系統(tǒng)。在遭遇主要動力系統(tǒng)故障、喪失動力的情況下，依然還能通過人力實現(xiàn)對氣動面的持續(xù)控制，借助飛機殘存的能量，實現(xiàn)滑翔和迫降。

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

應急沖壓渦輪，可以在滑翔過程中提取一部分飛機動能，為飛行控制提供動力。

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

但對于主動射流控制的飛機，一旦因主動力系統(tǒng)故障失去動力，無法再驅(qū)動壓氣機大功率運轉(zhuǎn)，實際上不可能有第二個機載系統(tǒng)能提供相近流量、速度、壓力的持續(xù)性氣流噴射，這意味著飛機會在非常短的時間內(nèi)，控制力急劇下降并進入不可挽救的失控狀態(tài)。

對于載人飛機而言，這是不可接受的安全缺陷——無論是對機內(nèi)人員還是地面。

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

二、機體載荷航程問題

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)動機引氣，相關(guān)要求遠高于傳統(tǒng)飛機的動力系統(tǒng)。

對于渦輪燃機來說，把壓氣機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。原本這些空氣在進入燃燒室燃燒、膨脹加速以后，可以提供大得多的功率。波音787等新型飛機，陸續(xù)把基于壓氣機引氣的傳統(tǒng)環(huán)控系統(tǒng)，變更為依賴于飛機發(fā)電機的全電環(huán)控系統(tǒng)，主要原因也在于此。

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

總的來看，此類項目距離實用化還有相當遙遠的距離，其主要的應用方向，可能是一些機動性指標要求不高、設(shè)計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： 飛機設(shè)計