MAGMA无人机验证无襟翼射流飞行控制

温杰

自从人类实现飞行以来，借助机械实现飞机操纵的控制方式已经沿用了100多年，但是，随着航空技术的不断进步，全新的气动控制技术有可能改变这种传统的飞机操纵方式。

本世纪初，BAE系统公司针对未来型号发展的需要，提出了一个颇具挑战的设想，希望通过自主探索一些先进技术，研制一架不需要常规操纵面的无人机，与正常使用操纵面的无人机相比，并不会影响总体性能。随后，BAE系统公司在英国工程与物理科学委员会的大力支持下，与本国多所大学展开密切合作，在2004年发起了一个“无操纵面飞行器综合多学科研究”（FLAVIIR）项目。

这个项目集中于探索未来无人机的各项技术，涉及到气动布局、控制系统等7个领域。此前，这些技术都在实验室内接受过测试，但是从未集成到一架飞行验证机上。这项计划为期5年，主要目标是发展一种力求实现低成本、免维护的无人机，其中特别强调了无人机在不采用常规操纵面的情况下就能确保正常飞行和控制操纵。BAE系统公司希望这一项目的研究成果有助于今后设计无人机时可以取消常规操纵面，增加无人机的隐身性和可靠性。

经过为期5年的通力合作，英国的科研人员研制出了世界一流的射流飞行控制技术，并成功地应用到一架号称“恶魔”（DEMON）的无人驾驶验证平台上，堪称航空史上的一大创举。就名称而言，其本意是“演示、验证”（Demonstrate）。

FLAVIIR项目在2010年2月正式结束，取得了令人瞩目的工程技术成就。同年9月17日，“惡魔”无人机从英国坎布里亚郡沃尔尼岛的一个机场起飞，首次完成了“无副翼”飞行测试。试飞期间，该机首先在常规控制方式下飞行，在地面人员发出的指令后，立即转换到射流控制方式，此时副翼不再产生机械运动，完全依靠气动效应实现滚转控制。

测试“恶魔”验证机

“恶魔”验证机在控制系统设计上利用了柯恩达效应，通过一系列试飞证明了利用空气沿着机翼后缘延伸出的圆形表面两侧的两条狭缝切向吹出，可以产生控制效果。

“恶魔”无人机采用梯形机翼、单垂尾、无平尾的气动布局，翼展为2.44m，重量为91kg。机翼后缘分别设计了4段操纵面，其中3段为常规操纵面，可以根据飞行试验的需要，起到副翼、襟翼和升降舵的作用，而呈现铝合金颜色的部件则为“气动副翼”。从机械装置角度来看，它实际上就是一个循环控制致动器，表面加工有两排小孔，形成了狭缝，可以利用高压空气产生射流。

射流装置由克兰菲尔德大学设计，在机翼后缘采用了一种偏心安装的圆形柯安达表面。这种设备轮流打开和关闭上表面和下表面的狭缝。另外，曼彻斯特大学也设计了一种采用阀门为上表面或下表面的增压室提供高压空气的装置，作为备选方案。

根据需要，机头段内部安装了一套辅助动力装置，作为射流装置的动力源。这是一台经过改装的小型涡轮喷气发动机，用于驱动一组动力涡轮和压缩机，后者为机翼后缘内的一个增压室提供经过高压空气。

从工作机理上讲，“恶魔”无人机在飞行过程中可以保持常规操纵面不动，仅仅借助于“气动副翼”实现滚转控制。飞行过程中，高压空气借助射流装置或循环控制装置，从机翼后缘上、下表面的狭缝中吹出，利用柯安达效应让喷气流附着在圆形的机翼后缘，并使机翼表面的流场发生弯曲，从而有效地改变副翼表面的升力。通过改变机翼两侧副翼上的狭缝，升力可以增加或减少，使无人机向左或向右滚转。

当时，研制人员还只是局限于测试它的滚转控制能力，计划在下一阶段将内侧的操纵面改装为“气动升降舵”，实现无人机的俯仰控制，也可以通过一个射流推力矢量喷管实现俯仰控制。

但是，FLAVIIR研制团队验证的柯恩达效应相对有限，部分是因为通过机翼上的狭槽吹出的空气以亚声速流动。各项研究的结果表明，在更高的速度下，超声速空气将从曲面分离，提供了亚声速气流无法用于方向控制的能力。

另外一个问题是关于无人机系统的基本适用性。针对“恶魔”验证机研制的后缘吹气装置在测试过程中必须借助螺丝钉经常进行手动调整，如何减小控制装置的尺寸和减少维护调整的频率，成为研制团队需要解决的一个主要问题。

验证射流控制技术

与此同时，BAE系统公司针对未来作战飞机的发展需求，与曼彻斯特大学合作研究一种飞机控制的新概念，取消了传统上所要求的复杂机械运动部件，即在飞行过程中改变襟翼、副翼来控制飞机。这种技术可以提供更好的控制能力，同时减轻重量和降低维护成本，用于未来发展更轻、更隐身、更快速和更高效的军用和民用飞机。

MAGMA无人机采用了瑞典霍克涡轮动力公司为模型飞机生产的喷气式发动机，主要用于试验两项技术：一项技术是机翼循环控制，利用引自发动机的高压空气，以超声速从机翼后缘吹过，为飞机提供控制。另一项技术是射流推力矢量，利用多股从狭缝中吹出的空气偏转发动机排出的燃气，从而改变飞机的飞行方向。两者结合起来后，飞行员只需控制飞机内部的空气，就可以操纵飞机的方向。

MAGMA无人机所验证的技术令人印象深刻，几乎可以革命性来形容。目前，这项技术仅限于一架单发无人驾驶飞机，也只是完成了一次飞行。BAE系统公司声称，这项技术如果投入使用，产生的效益会十分巨大，因此有可能迅速地应用于新型飞机设计上。从飞机设计来看，这项技术将有助于增强作战飞机的隐身性能。飞行员或无人机操作员可以改变飞行器的飞行方向，而不用担心由此导致飞机或无人机被雷达发现。

目前，第二架MAGMA验证机的机体已经制造完成，将配备一些射流控制技术装置。后缘控制装置已经安装完毕；研制团队仍在致力于集成推力矢量喷管。第一架验证机将保留传统的控制装置，但可以安装射流控制装置，用于取代副翼。

除了集成无襟翼控制装置和推力矢量喷管外，第一架MAGMA验证机与第二架MAGA验证机的机身之间的一些主要区别在于内部采用了更好的内部管路，更好地将压缩空气从发动机输送到机翼后缘，并顺畅地进入到不同的子系统。在结构上，第一架MAGMA验证机重达40kg，第二架验证机会更重一些，主要是机身内部填满了各种射流装置，重量增加到60kg。这架验证机也称为MAGMA射流型。

研制团队希望第二架验证机在2018年上半年升空，目标是在一系列飞行中逐步实现从飞机上取消垂直尾翼，并使用射流技术实现完全控制飞行状态。