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                    《航空知識》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    《航空知識》以普及航空航天知識、宣傳航空航天事業為己任,詳盡報道航空航天最新發展、技術與產品研發動態。一直秉承科學嚴謹、客觀求實、注重知識、普及科技的辦刊理念,對航空航天歷史、前沿科技、原理知識、最新動態進行詳盡的說明和報道,贏得了廣大讀者的喜愛。

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                    “X”系列新成員---X-56A無人技術驗證機初探

                    2013-10-30 18:40:12

                    X”系列新成員---X-56A無人技術驗證機初探

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                    X-56A首飛照片

                     

                    2013726日,在位于美國愛德華茲空軍基地的德萊頓飛行研究中心,美國“X”系列技術驗證機家族的最新成員---X-56A成功完成了首次飛行。首次飛行由遠程地面遙控進行,在低空飛行了14分鐘,評估了飛機在130千米/時的操縱品質,同時亦對110千米/小時速度下著陸時的操縱品質進行了檢驗。這款名不見經傳的小型無人機曾經和U-2、SR-71、F-117等臭鼬工廠的代表作品一起作為技術發展的見證出現在洛克希德馬丁公司的宣傳視頻里;在洛馬公司的官方網站上,X-56A也被列入10大令人驚奇的無人機行列。那到底該無人驗證機有哪些特點?擔負著怎樣的使命呢?

                    X-56A的全稱為Multi-Use Technology Testbed,即多用途技術驗證平臺,簡稱MUTT。機身長約2.3米,翼展約8.4米,全機重約218公斤,由兩臺230牛推力的JetCat小型噴氣發動機提供動力。X-56A計劃最早在20122月時發布,這項投資約一千八百萬美元的驗證項目由美國航空航天局(NASA)主導,洛馬公司臭鼬工廠根據合同進行無人機系統的開發,主要用于研究主動顫振抑制技術。按照計劃,X-56A 將在今年年底前完成美國空軍研究實驗室(AFRL)的實驗任務,之后轉交給NASA開展進一步的研究。

                    所謂“顫振”是一種危險的現象:一架處于地面的飛機在受到擾動時會引起振動,但是由于結構阻尼的存在,這種振動會逐漸衰減;而飛行中的飛行器如果突破了一定的臨界速度,這種振動可能就不會衰減,反而會急劇增強,在短短數秒內便破壞飛機。即使是幅度較小的顫振,也可能造成結構的疲勞,降低飛行器的壽命。顫振現象一直伴隨著人類航空技術的發展,早在第一次世界大戰初期,一架英國產的亨德里佩奇轟炸機就因發生劇烈的顫振而墜毀,這也成為最早的有文檔記載的飛機顫振案例。時至今日,顫振問題依然是飛行器設計部門在設計飛行器時必須要慎重考慮的問題。傳統的方法是保證機翼具有足夠的剛度,在設計時便留下相應的冗余,從而避開顫振問題的發生。該方法雖然使用廣泛,但是顯然導致了飛機重量的增加,削弱了飛機的綜合性能。

                    與這種被動“躲避”的思路相反,X-56A技術驗證機想要實現的是通過先進的控制技術,主動及時預測顫振地發生并抑制其產生效果,從而使顫振無法對飛行器產生破壞性的影響。如果這種理念得以實現,不僅可以減輕飛機的重量,還能使飛機在超過顫振臨界速度的情況下安全飛行,獲得更加優異的性能。顫振主動抑制技術最早出現在20世紀70年代波音公司和美國空軍聯合進行的B-52CCV項目中。在該項目中,一架經過改裝的B-52轟炸機通過采用主動顫振抑制技術首次實現了超過顫振臨界速度的安全飛行。盡管已經在真實飛機上取得了第一次成功,但是主動顫振抑制技術距離成熟和完善還有很大差距。特別是隨著下一代飛行器中表現出的柔性增加、速度更快的傾向越來越明顯,顫振主動抑制技術成為進一步拓展未來飛行器性能極限的關鍵技術之一。

                    作為一款集合了最新技術的試驗平臺,X-56A在研究人員的計劃下將“身先士卒”,嘗試突破顫振對飛行器設置的“邊界”??紤]到進行顫振研究的危險性和研究平臺的重復利用,X-56A采用了模塊化設計。除了一架完整的無人機外,整個系統還包括額外的三副機翼、一個機身以及地面站、拖車等設施。研究人員首先將使用一副剛度較大的機翼進行實驗已獲得基本的數據,然后換上一副柔性的玻璃纖維復合材料機翼。X-56A的最大速度為約為280千米/小時,而安裝了柔性機翼后發生顫振的臨界速度預計為200千米/小時,所以X-56A在飛行中可以滿足達到和超過顫振臨界速度的實驗條件。通過布置在飛機上的傳感器,研究人員可以及時判斷出顫振的發生,并發送指令給驗證機的飛行控制系統對振動進行抑制,從而使驗證機可以安全地在超過顫振臨界速度的情況下飛行。顯然,在超過顫振臨界速度下飛行出現意外的可能性很大,為此設計人員專門設計了一套“棄車保帥”的策略和技術方案:當驗證機進入危險情況時,使用降落傘將安裝有貴重儀器設備和發動機的機身回收,放棄有多個備份的機翼。在飛行試驗中,研究人員可以通過調整控制軟件,嘗試不同的控制方法,并監測控制的效果,為顫振主動控制技術積累寶貴的實際經驗。異曲同工的是,研究人員還會利用X-56A平臺嘗試進行突風載荷減緩的實驗,如果該項實驗取得突破,未來的飛機在空中發生顛簸時將會變得更安全,機內乘員也會更舒適。在完成計劃的20次飛行后,X-56A將從美國空軍移交給NASA。后者正在進行一項自己的研究計劃,通過使用先進的傳感器測量機翼在空中變形后的形狀并探測氣流的分離。在這些基礎的研究完成后,NASA最終計劃在X-56A上安裝一副展弦比較目前商用客機高出一半的柔性機翼進行飛行試驗。

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                    X-56A 全系統組成示意圖

                     

                    X-56A驗證機并不是一個孤獨的探索者。臭鼬工廠早在20052007年的一系列內部研究中便研制了多架更小、更便宜的無人遙控模型進行了飛行試驗。這些單價約2萬美元左右的小型模型飛機共制作了7架,雖然在經過一系列飛行試驗后只有2架還處于完整狀態,但是起到了積極的技術探索與儲備作用,推動了X-56A的上馬。此外,NASAX”系列驗證機中的X-53主動氣動彈性翼技術驗證機也是針對氣動彈性現象開展主動控制研究的重要代表。與X-56A主要針對顫振主動抑制技術不同,X-53更加注重利用機構的柔度使機翼產生所需要的變形從而控制飛機機動。與傳統機翼設計采用操縱面(如副翼、方向舵、升降舵)產生操縱力、操縱力矩的方式相比,這種大膽前衛的設計理念主動減小了機翼的剛度,允許機翼在氣動力作用下發生大幅度的扭轉,通過主動控制系統控制機翼前后多個控制面協調偏轉使機翼最終演變為所需要的形狀,產生實現飛機機動飛行所需的控制力。該技術同樣可以大幅度減小機翼的結構重量,相對于傳統的控制方法還可能獲得更好的控制效果,一旦走向成熟很可能給未來航空技術領域帶來一場重大變革。

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                    X-53 主動氣動彈性翼驗證機

                     

                    NASAX-53主動氣動彈性翼技術的發展獲得初步驗證的基礎上,悄然啟動了更加偏重于解決主動顫振抑制和突風減緩技術的X-56A多用途技術驗證平臺項目。兩項主動氣動彈性控制領域的研究項目不僅可以互為補充,形成對該技術領域更加完整的研究體系,夯實已經取得的技術基礎;更可以未雨綢繆,為設想中的新一代的高空(超高空)長航時(超長航時)偵察機以及新一代(超音速)運輸機項目所需要的關鍵技術做準備;同時“X”系列項目本身也生動地展現了技術發展所需要經歷的螺旋上升態勢。很顯然的,從“X”系列驗證機立項的角度看,在對未來航空航天技術的探索上,美國不僅有著如X-51高超聲速驗證機這樣高調而又吸引眼球的發展計劃,更有著很多低調地按照技術發展規律循序漸進不斷前進的“潛力股”項目。正如當年戰斗機黑手黨的成員利用美國政府的計算機資源私下驗證自己的理論一樣,一項新技術、新理論的發展往往要經過一番曲折輪回才能為世人所理解和推廣,也許我們對X-56A這樣的“潛力股”也要抱著認真而嚴謹態度才能不在幾十年后被它們的發展和興盛所震懾。

                    20132月,在整個科研界都面臨預算吃緊的情況下,美國依然宣布了下一項“X”系列驗證機的需求:將垂直起降技術融合在常規飛行器中,在具有高于一般旋翼機懸停能力的同時,使得飛行器最大速度達到555千米/小時。有人曾說,選擇科學研究的路線就像在賭博,在技術發展的道路上我們并不能清楚地確定某項技術的前景如何,非要等到熬夠了時間,燒夠了錢,有了突破才能知道哪些是彎路,哪些值得做。對于處于落后的一方來說,瞄準主流前沿進行跟蹤研究,并針鋒相對地進行發展是安身立命的根本,也是最容易想到,最容易被廣泛認可的方法;然而,在從“望塵莫及”便為“望其項背”后,逐步形成符合自身發展特點的理念和體系,根據自身的思考提出相應的發展計劃,才能在這場不斷追逐的游戲中令對手“望而生畏”,不戰而屈人之兵吧。

                     

                     

                    王 晨

                    20138月于南京航空航天大學

                     

                    注:本文圖片來源于網絡                                             

                     




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