美国“未来飞行器”

陈友龙

据美国航空航天局网站报道，4月9日，美国国家航空航天局（NASA）阿姆斯特朗飞行研究中心的研究人员成功完成了X-56A“多用途技术试验台”（MUTT）第二架飞机（代号为“Buckeye”）的首次飞行。此次20分钟的飞行，意味着利用低成本模块化的遥控无人机推进航空伺服弹性技术研究工作的开始。X-56A飞行试验将启动更高展弦比机翼子项目中“性能自适应气动弹性机翼”的相关研究，为国家航空航天局“先进空中交通技术”（AATT）计划提供支持。

X-56A是一种创新型模块化无人飞行研究机，将用于试验主动颤振抑制和阵风减缓等主动气动弹性控制技术，由洛克希德·马丁臭鼬工程队设计。该机采用2台微型喷气发动机、半飞翼构型，翼尖带翼梢小翼。洛马公司制造了2个机身以及数套机翼，计划开展刚性及柔性机翼的飞行试验。

X-56A绰号为“Fido”的首架飞机于2013年6月首飞，第2架飞机称为“Buckeye”，于2014年6月2日抵达阿姆斯特朗中心。2015年1月该机开展了3次低速滑行试验，3月份完成了一次中速滑行试验。该机的初期试验将进行飞机系统检测、评估飞行品质、拓展性能包线、验证地面仿真结果。4月9日的飞行试验将支持NASA先进空中交通技术（AATT）项目的“更高展弦比机翼子项目——性能自适应气动弹性机翼”相关研究。此次飞行是计划完成的8次刚性机翼控制器开发（SWCD）包线探索飞行的首次飞行。试验中，X-56A达到海拔4 000英尺（1 219米）高度、70节（130千米/小时）速度。

美国空军研究实验室表示，情报、监视与侦察（ISR）能力是X-56A研究的核心，在进行试飞之后，NASA将为飞机安装上正在研制的先进传感器，开展飞行试验。研究目标是将传感器嵌入X-56A的机翼中以探测颤振和阵风载荷，并利用飞机控制面的偏转消除其弯曲和扭转的影响，最终有可能实现对这些弯曲运动的实时控制。该项目源自于未来ISR飞机的研究与技术开发，其中的技术还有可能应用到2035年后服役的民机上，同时该技术对诸如美国空军新一代远程轰炸机等打击武器的建造也会有所帮助。

X-56A无人机代表了一种采用细长、柔性机翼的未来飞行器，虽然尺寸较小，但仍能展示与真实的高空长航时无人机或者更大的远程运输机相同的气弹现象。该无人机主要开展可能出现颤振的飞行包线边界的试验。颤振是弹性体在气流中发生的不稳定振动现象，它是气动弹性力学中最重要的问题之一。弹性结构在均匀气流中由于受到气动力、弹性力和惯性力的耦合作用而发生的振幅不衰减的自激振动。颤振问题在飞行器中尤为突出，一旦飞行速度超过临界值，振幅就迅速增大，以至机翼破坏。

自从飞机诞生以来，发散、颤振以及阵风响应等气动弹性问题就成为影响飞机稳定性及飞行性能的重要因素。在传统的飞行器设计过程中，气动弹性工作通常负责对已有的设计方案或原型机进行分析、校核，并提出修补措施，如设置配重、增加阻尼以及增设陷幅滤波器等。随着轻重量、高性能飞行器的发展，飞行器结构柔性趋于增大，使得气动弹性问题更加突出，甚至成为结构设计的关键条件之一。气动弹性问题促使机翼需要“刚柔并济”，以气动弹性性能为约束条件的结构优化贯穿于飞行器设计的各个阶段。特别是复合材料的应用有效地提高了飞行器结构设计的手段。气动伺服弹性涉及到结构、气动以及控制等多学科问题，这些问题通常是以非理想的耦合形式存在的。在飞行器气动伺服弹性设计中，采用单纯的结构优化或控制律优化都难以达到最优的设计，从而必须将设计领域拓宽为多个学科，同时考虑多个学科的约束和性能指标，即进行多学科设计优化。气动伺服弹性设计优化是一个非线性的、多学科耦合的、设计变量可行域非连续的优化问题。

美国研究人员开发了一些工具和方法来帮助这样一个柔性机翼飞行器安全飞行。其控制系统不仅能够预测和感知颤振发生的起点，也能够主动地偏转舵面抑制颤振的发展。由于机体很可能在试验中损坏，因此该机设计了可拆卸机翼和机身。无人机机体主要包含机身、飞控计算机、通信数据链、机载电子设备和任务设备等。X-56A继承了以往洛·马SensorCraft飞机简洁设计风格和P-175、RQ-170及“暗星”无人机的飞翼型设计，采用倒海鸥式三角形构型。该机飞行试验方案包括2个2.9米长的中机身和4套固定弦机翼，翼展长8.5米。一套机翼是基本试飞用刚性机翼，也可用于后续研究，剩余三套机翼是三套相同的颤振试验用轻型蒙皮材料制成的柔性机翼。整个系统还包括轻便的地面控制站，它具有模拟和系统集成试验室能力。

X-56A重约218千克，最大速度为277千米/小时。在机身尾部上方安装了两台36千克推力的JetCat P400喷气式发动机，每个发动机前的机身里各安装了一个油箱。为了应付试验中可能出现的机翼脱落，X-56A机身内安装了弹道降落伞改出系统，其油箱两侧安装了类似西锐SR22通用飞机采用的整机降落伞。降落伞和油箱被封装在中心翼盒结构中，该翼盒由前后梁和机身侧面对接结构组成。其机身前部为航电设备舱，机头还安装了大气数据传感器。机翼设计有翼梢小翼和4个升降副翼，机体后部还有襟翼。作动器安装在临近每个舵面的舱内，机翼内的其它空间安装有水压载舱，用于稳定性调节。三个外翼水压载舱每个可装水5.4千克，位于翼根的水压载舱可装水27.7千克。该机的柔性机翼被设计成两层玻璃纤维结构，两层的方向为0/90度。这样做是为了使机翼在扭转方面有足够的柔性，以使得在飞行包线范围内发生弯扭耦合模式的颤振。机身被横向切为两段，在机身尾部中心线上安装有可装载第三台发动机或者垂尾的连接点。这是为了方便研究人员对X-56A的布局修改而做的准备，后面可以安装垂尾和平尾或者安装小型、更大掠角的机翼和支柱，变成连接翼布局以进行更多的试验。

X-56A的地面控制系统是无人机飞行任务执行状况的监控主体，主要包括地面站计算机、辅助操控手柄、通信数据链、发射回收设备等。地面站系统能在飞行期间根据环境的变化实时改变预定的任务计划，从而有效提高了无人机执行实际任务的能力。为了降低成本，臭鼬工程队使用现成的商用设备和商业拖车开发了X-56A的地面控制系统。在该系统中，无人机飞行控制人员和测试主管并排坐在拖车前面，测试人员坐在他们后面。颤振和飞行控制测试工程师坐在布置在控制车侧壁的控制台前。在拖车后面是空调和设备冷却架。

无人机地面站软件是X-56A地面站系统的重要组成部分，它能够很好地辅助地面操作人员对无人机进行飞行状况监视和实时控制。操作员通过地面站系统提供的鼠标、键盘、按钮和操控手柄等外设来与地面站软件进行交互，就可以在任务开始前预先规划好本次任务的航迹，飞行过程中对无人机的飞行状况进行实时监控和修改任务设置以干预无人机飞行，而任务完成后还可以对任务的执行记录进行回放分析。

X-56A地面站软件主要有三大功能：首先是飞行监控功能。该部分为无人机的操作员提供控制平台，除了要对无人机发回来的数据信息进行实时地采集、显示和保存之外，还要具备通过数据链发送各种遥控指令来实现干预无人机飞行的功能。其次是地图导航功能。地图导航部分为X-56A的地面控制人员提供导航平台，飞行过程中将飞行的航迹和飞机的当前位置实时标示在电子地图上。遇到特殊情况时，操作员可以通过地面站软件控制X-56A从自动模式进入手动模式，使无人机能够在地面站的导航控制下进行安全的飞行。最后是航线规划与航迹操作功能。任务开始前，操作员根据预定的飞行计划规划好本次任务的飞行航线，然后将这一规划发给飞控计算机；飞行过程中执行航迹的存储与回放，任务结束后就可以进行航迹回放以检验任务执行的效果。

地面站与X-56A之间通过无线电数据链来通信，地面站软件实时接收由无线电数据链传来的各种状态数据，实时解析处理之后显示在界面上；同时可以根据操作员的命令向X-56A发送各种预定义指令来对无人机进行遥控。利用X-56A地面站软件，操作员可以很方便地执行以下操作：飞行任务开始前可以预先规划好目标航线；任务开始之后，操作者通过地面站的一系列操作来实时控制无人飞行器的任务执行，同时通过图形界面监控无人飞行器的当前飞行状态；根据飞行器通信链路发回的信息，在地图上精确标定飞行器当前位置和航向；任务完成后，操作员还可以通过地面站软件提供的航迹回放功能检验该次任务执行的效果。

对于X-56A的每一次飞行任务，操纵人员都要预先进行本次任务的航线规划。航点对应着本次任务需要经过的地图上某个控制位置，设置航点时还需要设置到达该航点时飞机应该具有的速度、航向等设定值，多个有序航点一起组成了一条航线。规划好航线之后将该航线通过串口发送给X-56A，无人机就会自动规划好本次任务的各项动作，任务开始后就可以自动按序执行各个飞行动作，依次飞过各个航点来完成飞行任务。航迹回放是指在某次任务执行完之后，根据任务执行时传下来并保存到地面站导航数据库中的飞行记录情况，开始一个模拟的飞行，将整个飞行过程在软件上回放一遍，航迹回放可以方便操作员分析某次任务执行的状况。航线规划和航迹回放时都涉及到数据库系统的应用，航线规划时需要保存规划好的航点和航线信息，航迹回放时要读取上次任务的飞行记录，这些信息或记录可以保存到文件或数据库中。

X-56A地面控制系统内部设有虚拟座舱及操控设备，操控人员使用类似有人驾驶飞机的同种仪表设备，如按钮、手柄、开关等，加上软件，以体验同样的感观效果。在各机载传感器获得相应的飞行器飞行状态信息后，通过数据链路将这些数据以预定义的格式传输到地面站。在地面站由计算机处理这些信息，根据控制律解算出控制要求，形成控制指令和控制参数，再通过数据链路将控制指令和控制参数传输到无人机上的飞控计算机，通过后者实现对飞行器的操控。在2015年4月9日的飞行试验之后，AATT项目副经理称，此次飞行与模拟器上的演练飞行基本一样，试验数据指导了未来柔性机翼控制律的开发，同时也帮助改进柔性机翼的定义模型。美国研究人员开发了一个非线性N自由度模型来预测X-56A的复杂的气动伺服弹性，最终开发了采用线性的、降阶的N自由度模型的自适应控制系统来避免颤振。借助于X-56A项目的推动，控制系统得到了一定的发展。

从侦察平台到商用飞机和高速飞行器，高效能飞机设计技术朝着突破传统边界的方向发展。柔性结构主动控制技术的出现对于未来轻质、低阻布局的使用发挥着关键的作用。由洛马公司臭鼬工厂研制的X-56A的成功试飞，有望更好地解决航空飞行器在飞行过程中的一大“顽疾”——颤振问题，从而使柔性结构主动控制技术的飞机概念变成现实，实现既可提供飞行可靠性，还可减轻飞机结构重量的双重目标，其相关研究动态值得我们特别关注。