无人实验飞机测试尖端技术创新



无人实验飞机测试尖端技术创新

为了缓解主要航空枢纽的拥堵状况，使飞机能够在较短的跑道上起飞和降落，航空界提出了一种可能的解决方案——环流控制翼概念。该技术要求增加高压空气的量，这些高压空气可由喷气式发动机产生，也可通过安装独立压缩机获得，其在机翼的前缘和后缘上流动，从而产生更大的升力。由此，飞机就能够在较低的速度下起飞和降落，从而缩短所需跑道的长度，并提高承载能力。

为了验证这一方案，2006年，美国国家航空航天局（NASA）德莱顿飞行研究中心（现在的阿姆斯特朗飞行研究中心）通过小企业创新研究（SBIR）计划项目提出了设计和制造配备环流控制翼的亚尺寸的无人实验飞机进行测试的项目征集计划。在测试中，研究人员将主要测定普通飞机和采用新技术的飞机的起降跑道长度，并进行比较。此外，研究人员还将对飞行的其它参数进行测量，包括环流控制翼对于空气动力学失速的反应等。由于在风洞测试或仿真建模中不能非常准确地模拟失速情况，而其又是必须的飞行测试数据，且载人测试风险很大，因此，无人实验飞机测试无疑是最好的解决方案。

美国乔治亚州肯尼索市的Area-I公司最终获得了SBIR计划项目第一阶段和第二阶段的资助，主要用于无人实验飞机设计的研发。同时，该公司还获得了佐治亚州的资助，并同时投入了部分自筹资金，以设计一个无人实验飞机的原型。Area-I公司的首席执行官（CEO）尼克·阿利（Nick Alley）负责管理环流控制翼项目。经过努力，Area-I公司在2011年完成了该无人实验飞机的开发。

在该无人实验飞机的开发期间，NASA开始专注于其它方面的航空研究，NASA的两个研究中心开始征求开发不同的实验飞机的SBIR计划项目。其中，阿姆斯特朗飞行研究中心希望开发一种低成本、亚尺寸的基准模型，类似于一个中程、窄体、双喷气发动机客机的模型，用于开展空气动力学研究。兰利研究中心希望开发一种采用T型尾翼和后置发动机架的区域型亚尺寸飞机，用于其航空安全计划项目研究。由于采用T型尾翼的飞机存在着更为严重的失速特性，因此，兰利研究中心的研究人员希望试飞一个小型的模型，使其在极端条件下进行测试。从这些测试中收集到的数据将被用于开发飞行员训练模拟器的模型。

幸运的是，Area-I公司设计的用于测试循环控制翼的无人实验飞机具有超强的适应能力。该公司设计出了一个可重构的平台，仅需少量的改进，就可按照需求重新对设计的无人实验飞机进行配置，如可更换机翼的种类，或者安装其它设备，而无需从头重新设计一个全新的飞机。鉴于其多功能性，该无人实验飞机被称为“原型技术评估研究飞机”（PTERA）。2011年，Area-I公司申请并获得了阿姆斯特朗研究中心和兰利研究中心的SBIR第一阶段的资助，用于开发尼克·阿利所谓的“飞行实验室”。2012年，Area-I公司获得了阿姆斯特朗研究中心和兰利研究中心第二阶段的资助资金，继续开展相关研究工作。

2014年，Area-I公司完成了阿姆斯特朗研究中心和兰利研究中心所需实验飞机的制造，并开发出了类似于阿姆斯特朗研究中心的中程双喷气发动机飞机的另一模型，计划用于商业用途。

其中，Area-I公司为阿姆斯特朗研究中心开发的模型是1︰10的缩比模型。采用该模型，阿姆斯特朗飞行研究中心在空气动力学方面开发了多项研究。例如，该研究中心计划用其测试采用记忆合金制成的翼梢。此外，该研究中心还将用其来测试其它的机翼创新设计，以及各种传感器和模拟算法等。

该公司为兰利研究中心开发的飞机被命名为T型尾翼通用模块化飞机（PTERA GMA-TT），大小约为全尺寸的16%，可用于验证一架中型区域型喷气式运输机的飞行动力学特性，除了提高失速情况下飞行员的应对能力外，还将测试相关的警报和自动化技术。另外，兰利研究中心还研究了几种先进的控制规律，可自动使飞机摆脱失速等危险状态，这些控制规律的验证也是GMA-TT可能应用的领域。

基于与NASA的成功合作，Area-I公司正在为美国海军和美国空军开发其它的无人航空飞行器机身，也开始接受对利用PTERA或该公司设计的其它无人飞机产品进行航空航天技术测试感兴趣的大学和企业的订单。这些测试对于载人驾驶飞机测试来说可能太危险，或者通过风洞测试无法精确进行模拟，

需要通过真正的无人实验飞机进行测试。

在阿姆斯特朗飞行研究中心SBIR计划第二阶段项目的支持下，2014年，Area-I公司的PTERA在乔治亚州进行了3次独立的飞行和测试。测试结果有助于Area-I公司的工程师进一步优化控制器的结构设计和多种飞行软件的性能，也可获得新型飞机在飞行过程中可能遇到的意外情况，并研究出相关的解决方案，在新型飞机正式投入使用前消除隐患。这也意味着大量的挑战性工作已经完成。PTERA是一个整体系统，包括从地面控制站到机载航空电子设备，到机身及其结构的全部设计。其拥有开源的飞行计算机系统，用户可以进入系统中，基于PTERA加载所需的设计，如可以加入自己的有效载荷，可以设计新的机翼或其它结构，仅需很短的时间，就可构建出所需的产品，并进行飞行测试，而无需从头设计新的飞机。

实际飞行测试数据还能帮助Area-I公司建立PTERA飞行性能数据库，以记录其最大速度、起飞距离和高度等参数。用户可查询所有的飞行测试基本数据，并将其与这些数据创新设计后的数据进行比较，确定是否获得了预期的效果，如创新设计的燃油消耗是否更少等。这对于新技术的评估非常有价值。目前，共享这种飞行测试数据的做法非常少见，因为根据《国际武器管制条例》（ITAR），美国海军和美国空军所拥有的数据不能公开，而企业的专有数据通常不愿共享。PTERA的数据基本上全部归政府所有，并且是非军事数据，因此，便于传播和发布。

PTERA的模块化设计技术的另一个优势在于成本。通常，同类产品的价格约为几百万美元，甚至几千万美元，而购买一架新的PTERA仅需约25万美元。

对于Area-I公司而言，从NASA合作开展的亚尺寸无人实验飞机研究中获得的经验是无价的，不仅锻炼了其年轻工程师，也获得了从其它领域无法获得的经验，提高了公司的科研和生产能力，促进了公司的发展。

(唐甜)

▲ PTERA可用于T型尾翼飞机在正常和失速情况下的对比

Unmanned Research Aircraft Test Cutting-Edge Innovations