陳友龍

據(jù)美國航空航天局網(wǎng)站報道，4月9日，美國國家航空航天局（NASA）阿姆斯特朗飛行研究中心的研究人員成功完成了X-56A“多用途技術(shù)試驗臺”（MUTT）第二架飛機（代號為“Buckeye”）的首次飛行。此次20分鐘的飛行，意味著利用低成本模塊化的遙控無人機推進航空伺服彈性技術(shù)研究工作的開始。X-56A飛行試驗將啟動更高展弦比機翼子項目中“性能自適應(yīng)氣動彈性機翼”的相關(guān)研究，為國家航空航天局“先進空中交通技術(shù)”（AATT）計劃提供支持。

X-56A是一種創(chuàng)新型模塊化無人飛行研究機，將用于試驗主動顫振抑制和陣風減緩等主動氣動彈性控制技術(shù)，由洛克希德·馬丁臭鼬工程隊設(shè)計。該機采用2臺微型噴氣發(fā)動機、半飛翼構(gòu)型，翼尖帶翼梢小翼。洛馬公司制造了2個機身以及數(shù)套機翼，計劃開展剛性及柔性機翼的飛行試驗。

X-56A綽號為“Fido”的首架飛機于2013年6月首飛，第2架飛機稱為“Buckeye”，于2014年6月2日抵達阿姆斯特朗中心。2015年1月該機開展了3次低速滑行試驗，3月份完成了一次中速滑行試驗。該機的初期試驗將進行飛機系統(tǒng)檢測、評估飛行品質(zhì)、拓展性能包線、驗證地面仿真結(jié)果。4月9日的飛行試驗將支持NASA先進空中交通技術(shù)（AATT）項目的“更高展弦比機翼子項目——性能自適應(yīng)氣動彈性機翼”相關(guān)研究。此次飛行是計劃完成的8次剛性機翼控制器開發(fā)（SWCD）包線探索飛行的首次飛行。試驗中，X-56A達到海拔4 000英尺（1 219米）高度、70節(jié)（130千米/小時）速度。

美國空軍研究實驗室表示，情報、監(jiān)視與偵察（ISR）能力是X-56A研究的核心，在進行試飛之后，NASA將為飛機安裝上正在研制的先進傳感器，開展飛行試驗。研究目標是將傳感器嵌入X-56A的機翼中以探測顫振和陣風載荷，并利用飛機控制面的偏轉(zhuǎn)消除其彎曲和扭轉(zhuǎn)的影響，最終有可能實現(xiàn)對這些彎曲運動的實時控制。該項目源自于未來ISR飛機的研究與技術(shù)開發(fā)，其中的技術(shù)還有可能應(yīng)用到2035年后服役的民機上，同時該技術(shù)對諸如美國空軍新一代遠程轟炸機等打擊武器的建造也會有所幫助。

X-56A無人機代表了一種采用細長、柔性機翼的未來飛行器，雖然尺寸較小，但仍能展示與真實的高空長航時無人機或者更大的遠程運輸機相同的氣彈現(xiàn)象。該無人機主要開展可能出現(xiàn)顫振的飛行包線邊界的試驗。顫振是彈性體在氣流中發(fā)生的不穩(wěn)定振動現(xiàn)象，它是氣動彈性力學(xué)中最重要的問題之一。彈性結(jié)構(gòu)在均勻氣流中由于受到氣動力、彈性力和慣性力的耦合作用而發(fā)生的振幅不衰減的自激振動。顫振問題在飛行器中尤為突出，一旦飛行速度超過臨界值，振幅就迅速增大，以至機翼破壞。

自從飛機誕生以來，發(fā)散、顫振以及陣風響應(yīng)等氣動彈性問題就成為影響飛機穩(wěn)定性及飛行性能的重要因素。在傳統(tǒng)的飛行器設(shè)計過程中，氣動彈性工作通常負責對已有的設(shè)計方案或原型機進行分析、校核，并提出修補措施，如設(shè)置配重、增加阻尼以及增設(shè)陷幅濾波器等。隨著輕重量、高性能飛行器的發(fā)展，飛行器結(jié)構(gòu)柔性趨于增大，使得氣動彈性問題更加突出，甚至成為結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵條件之一。氣動彈性問題促使機翼需要“剛?cè)岵?，以氣動彈性性能為約束條件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化貫穿于飛行器設(shè)計的各個階段。特別是復(fù)合材料的應(yīng)用有效地提高了飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計的手段。氣動伺服彈性涉及到結(jié)構(gòu)、氣動以及控制等多學(xué)科問題，這些問題通常是以非理想的耦合形式存在的。在飛行器氣動伺服彈性設(shè)計中，采用單純的結(jié)構(gòu)優(yōu)化或控制律優(yōu)化都難以達到最優(yōu)的設(shè)計，從而必須將設(shè)計領(lǐng)域拓寬為多個學(xué)科，同時考慮多個學(xué)科的約束和性能指標，即進行多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化。氣動伺服彈性設(shè)計優(yōu)化是一個非線性的、多學(xué)科耦合的、設(shè)計變量可行域非連續(xù)的優(yōu)化問題。

美國研究人員開發(fā)了一些工具和方法來幫助這樣一個柔性機翼飛行器安全飛行。其控制系統(tǒng)不僅能夠預(yù)測和感知顫振發(fā)生的起點，也能夠主動地偏轉(zhuǎn)舵面抑制顫振的發(fā)展。由于機體很可能在試驗中損壞，因此該機設(shè)計了可拆卸機翼和機身。無人機機體主要包含機身、飛控計算機、通信數(shù)據(jù)鏈、機載電子設(shè)備和任務(wù)設(shè)備等。X-56A繼承了以往洛·馬SensorCraft飛機簡潔設(shè)計風格和P-175、RQ-170及“暗星”無人機的飛翼型設(shè)計，采用倒海鷗式三角形構(gòu)型。該機飛行試驗方案包括2個2.9米長的中機身和4套固定弦機翼，翼展長8.5米。一套機翼是基本試飛用剛性機翼，也可用于后續(xù)研究，剩余三套機翼是三套相同的顫振試驗用輕型蒙皮材料制成的柔性機翼。整個系統(tǒng)還包括輕便的地面控制站，它具有模擬和系統(tǒng)集成試驗室能力。

X-56A重約218千克，最大速度為277千米/小時。在機身尾部上方安裝了兩臺36千克推力的JetCat P400噴氣式發(fā)動機，每個發(fā)動機前的機身里各安裝了一個油箱。為了應(yīng)付試驗中可能出現(xiàn)的機翼脫落，X-56A機身內(nèi)安裝了彈道降落傘改出系統(tǒng)，其油箱兩側(cè)安裝了類似西銳SR22通用飛機采用的整機降落傘。降落傘和油箱被封裝在中心翼盒結(jié)構(gòu)中，該翼盒由前后梁和機身側(cè)面對接結(jié)構(gòu)組成。其機身前部為航電設(shè)備艙，機頭還安裝了大氣數(shù)據(jù)傳感器。機翼設(shè)計有翼梢小翼和4個升降副翼，機體后部還有襟翼。作動器安裝在臨近每個舵面的艙內(nèi)，機翼內(nèi)的其它空間安裝有水壓載艙，用于穩(wěn)定性調(diào)節(jié)。三個外翼水壓載艙每個可裝水5.4千克，位于翼根的水壓載艙可裝水27.7千克。該機的柔性機翼被設(shè)計成兩層玻璃纖維結(jié)構(gòu)，兩層的方向為0/90度。這樣做是為了使機翼在扭轉(zhuǎn)方面有足夠的柔性，以使得在飛行包線范圍內(nèi)發(fā)生彎扭耦合模式的顫振。機身被橫向切為兩段，在機身尾部中心線上安裝有可裝載第三臺發(fā)動機或者垂尾的連接點。這是為了方便研究人員對X-56A的布局修改而做的準備，后面可以安裝垂尾和平尾或者安裝小型、更大掠角的機翼和支柱，變成連接翼布局以進行更多的試驗。

X-56A的地面控制系統(tǒng)是無人機飛行任務(wù)執(zhí)行狀況的監(jiān)控主體，主要包括地面站計算機、輔助操控手柄、通信數(shù)據(jù)鏈、發(fā)射回收設(shè)備等。地面站系統(tǒng)能在飛行期間根據(jù)環(huán)境的變化實時改變預(yù)定的任務(wù)計劃，從而有效提高了無人機執(zhí)行實際任務(wù)的能力。為了降低成本，臭鼬工程隊使用現(xiàn)成的商用設(shè)備和商業(yè)拖車開發(fā)了X-56A的地面控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，無人機飛行控制人員和測試主管并排坐在拖車前面，測試人員坐在他們后面。顫振和飛行控制測試工程師坐在布置在控制車側(cè)壁的控制臺前。在拖車后面是空調(diào)和設(shè)備冷卻架。

無人機地面站軟件是X-56A地面站系統(tǒng)的重要組成部分，它能夠很好地輔助地面操作人員對無人機進行飛行狀況監(jiān)視和實時控制。操作員通過地面站系統(tǒng)提供的鼠標、鍵盤、按鈕和操控手柄等外設(shè)來與地面站軟件進行交互，就可以在任務(wù)開始前預(yù)先規(guī)劃好本次任務(wù)的航跡，飛行過程中對無人機的飛行狀況進行實時監(jiān)控和修改任務(wù)設(shè)置以干預(yù)無人機飛行，而任務(wù)完成后還可以對任務(wù)的執(zhí)行記錄進行回放分析。

X-56A地面站軟件主要有三大功能：首先是飛行監(jiān)控功能。該部分為無人機的操作員提供控制平臺，除了要對無人機發(fā)回來的數(shù)據(jù)信息進行實時地采集、顯示和保存之外，還要具備通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送各種遙控指令來實現(xiàn)干預(yù)無人機飛行的功能。其次是地圖導(dǎo)航功能。地圖導(dǎo)航部分為X-56A的地面控制人員提供導(dǎo)航平臺，飛行過程中將飛行的航跡和飛機的當前位置實時標示在電子地圖上。遇到特殊情況時，操作員可以通過地面站軟件控制X-56A從自動模式進入手動模式，使無人機能夠在地面站的導(dǎo)航控制下進行安全的飛行。最后是航線規(guī)劃與航跡操作功能。任務(wù)開始前，操作員根據(jù)預(yù)定的飛行計劃規(guī)劃好本次任務(wù)的飛行航線，然后將這一規(guī)劃發(fā)給飛控計算機；飛行過程中執(zhí)行航跡的存儲與回放，任務(wù)結(jié)束后就可以進行航跡回放以檢驗任務(wù)執(zhí)行的效果。

地面站與X-56A之間通過無線電數(shù)據(jù)鏈來通信，地面站軟件實時接收由無線電數(shù)據(jù)鏈傳來的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)，實時解析處理之后顯示在界面上；同時可以根據(jù)操作員的命令向X-56A發(fā)送各種預(yù)定義指令來對無人機進行遙控。利用X-56A地面站軟件，操作員可以很方便地執(zhí)行以下操作：飛行任務(wù)開始前可以預(yù)先規(guī)劃好目標航線；任務(wù)開始之后，操作者通過地面站的一系列操作來實時控制無人飛行器的任務(wù)執(zhí)行，同時通過圖形界面監(jiān)控無人飛行器的當前飛行狀態(tài)；根據(jù)飛行器通信鏈路發(fā)回的信息，在地圖上精確標定飛行器當前位置和航向；任務(wù)完成后，操作員還可以通過地面站軟件提供的航跡回放功能檢驗該次任務(wù)執(zhí)行的效果。

對于X-56A的每一次飛行任務(wù)，操縱人員都要預(yù)先進行本次任務(wù)的航線規(guī)劃。航點對應(yīng)著本次任務(wù)需要經(jīng)過的地圖上某個控制位置，設(shè)置航點時還需要設(shè)置到達該航點時飛機應(yīng)該具有的速度、航向等設(shè)定值，多個有序航點一起組成了一條航線。規(guī)劃好航線之后將該航線通過串口發(fā)送給X-56A，無人機就會自動規(guī)劃好本次任務(wù)的各項動作，任務(wù)開始后就可以自動按序執(zhí)行各個飛行動作，依次飛過各個航點來完成飛行任務(wù)。航跡回放是指在某次任務(wù)執(zhí)行完之后，根據(jù)任務(wù)執(zhí)行時傳下來并保存到地面站導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫中的飛行記錄情況，開始一個模擬的飛行，將整個飛行過程在軟件上回放一遍，航跡回放可以方便操作員分析某次任務(wù)執(zhí)行的狀況。航線規(guī)劃和航跡回放時都涉及到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應(yīng)用，航線規(guī)劃時需要保存規(guī)劃好的航點和航線信息，航跡回放時要讀取上次任務(wù)的飛行記錄，這些信息或記錄可以保存到文件或數(shù)據(jù)庫中。

X-56A地面控制系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)有虛擬座艙及操控設(shè)備，操控人員使用類似有人駕駛飛機的同種儀表設(shè)備，如按鈕、手柄、開關(guān)等，加上軟件，以體驗同樣的感觀效果。在各機載傳感器獲得相應(yīng)的飛行器飛行狀態(tài)信息后，通過數(shù)據(jù)鏈路將這些數(shù)據(jù)以預(yù)定義的格式傳輸?shù)降孛嬲?。在地面站由計算機處理這些信息，根據(jù)控制律解算出控制要求，形成控制指令和控制參數(shù)，再通過數(shù)據(jù)鏈路將控制指令和控制參數(shù)傳輸?shù)綗o人機上的飛控計算機，通過后者實現(xiàn)對飛行器的操控。在2015年4月9日的飛行試驗之后，AATT項目副經(jīng)理稱，此次飛行與模擬器上的演練飛行基本一樣，試驗數(shù)據(jù)指導(dǎo)了未來柔性機翼控制律的開發(fā)，同時也幫助改進柔性機翼的定義模型。美國研究人員開發(fā)了一個非線性N自由度模型來預(yù)測X-56A的復(fù)雜的氣動伺服彈性，最終開發(fā)了采用線性的、降階的N自由度模型的自適應(yīng)控制系統(tǒng)來避免顫振。借助于X-56A項目的推動，控制系統(tǒng)得到了一定的發(fā)展。

從偵察平臺到商用飛機和高速飛行器，高效能飛機設(shè)計技術(shù)朝著突破傳統(tǒng)邊界的方向發(fā)展。柔性結(jié)構(gòu)主動控制技術(shù)的出現(xiàn)對于未來輕質(zhì)、低阻布局的使用發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。由洛馬公司臭鼬工廠研制的X-56A的成功試飛，有望更好地解決航空飛行器在飛行過程中的一大“頑疾”——顫振問題，從而使柔性結(jié)構(gòu)主動控制技術(shù)的飛機概念變成現(xiàn)實，實現(xiàn)既可提供飛行可靠性，還可減輕飛機結(jié)構(gòu)重量的雙重目標，其相關(guān)研究動態(tài)值得我們特別關(guān)注。