田云/北京航空航天大學(xué)，北京市 海淀區(qū) 100037

作為一個(gè)重金打造的“選秀”平臺(tái)，2019中國(guó)通用航空創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽展示了若干好項(xiàng)目，發(fā)現(xiàn)了一批優(yōu)秀人才，也發(fā)掘了不少商業(yè)機(jī)會(huì)。在參賽的23支隊(duì)伍中，無(wú)人機(jī)就有7支，已經(jīng)成為了名副其實(shí)的主角。

11月22日，由中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)有限公司、青島市人民政府主辦的“2019中國(guó)通用航空創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”總決賽，在青島市即墨區(qū)舉行。

本屆大賽總決賽分成“科技創(chuàng)新”和“創(chuàng)業(yè)成長(zhǎng)”兩個(gè)組進(jìn)行，其中，科技創(chuàng)新項(xiàng)目14個(gè)，評(píng)審委員均為知名航空科技專家，他們依據(jù)項(xiàng)目的創(chuàng)新及先進(jìn)性、成熟性、應(yīng)用價(jià)值、團(tuán)隊(duì)實(shí)力，以及入圍賽、半決賽成績(jī)，盡職調(diào)查情況等綜合打分并排定名次；創(chuàng)業(yè)成長(zhǎng)項(xiàng)目9個(gè)，評(píng)審委員多為國(guó)內(nèi)知名投資機(jī)構(gòu)的代表，項(xiàng)目評(píng)比主要以商業(yè)價(jià)值為考量，采用實(shí)戰(zhàn)實(shí)評(píng)、實(shí)評(píng)實(shí)投方式，按照意向投資金額大小，排定名次。

作為一個(gè)重金打造的“選秀”平臺(tái)，本次大賽展示了若干好項(xiàng)目，發(fā)現(xiàn)了一批優(yōu)秀人才，也發(fā)掘了不少商業(yè)機(jī)會(huì)。

經(jīng)過(guò)一天的激烈角逐，各個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)各歸其主。其中，中國(guó)航空研究院團(tuán)隊(duì)的“虛擬舵面”射流飛控技術(shù)獲得科技創(chuàng)新組特等獎(jiǎng)，卓爾宇航研發(fā)團(tuán)隊(duì)的卓爾“飛虎”涵道風(fēng)扇推進(jìn)系統(tǒng)、西北工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)的消防滅火救援無(wú)人機(jī)獲得科技創(chuàng)新組一等獎(jiǎng)；空域低慢小凈空管服一體化系統(tǒng)獲得創(chuàng)業(yè)成長(zhǎng)組一等獎(jiǎng)。

“虛擬舵面”射流飛控技術(shù)

中國(guó)航空研究院團(tuán)隊(duì)“虛擬舵面”射流飛控技術(shù)其在理論探索、數(shù)值分析、試驗(yàn)驗(yàn)證等方面取得重大突破，研究成果達(dá)到世界先進(jìn)水平，為此摘得科技創(chuàng)新組特等獎(jiǎng)的桂冠。

據(jù)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人徐悅介紹，現(xiàn)有固定翼飛機(jī)繞俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航軸的控制多是由升降舵、副翼和方向舵來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些活動(dòng)的操縱舵面發(fā)生偏轉(zhuǎn)改變飛行器的外形，從而產(chǎn)生飛行控制所需的氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩。而“虛擬舵面”射流飛控技術(shù)(簡(jiǎn)稱“虛擬舵面”技術(shù))是一種革命性的飛控理念，拋棄了傳統(tǒng)的飛行控制原理，通過(guò)引入外部能量直接改變飛行器周圍的流場(chǎng)流態(tài)，從而產(chǎn)生飛行控制所需的氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩。

與傳統(tǒng)機(jī)械舵面相比，“虛擬舵面”技術(shù)具備多項(xiàng)潛在的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)的應(yīng)用可以大幅降低飛機(jī)重量和飛機(jī)構(gòu)造的復(fù)雜程度，從而降低維護(hù)成本，增加載荷能力或航程。而消除掉機(jī)械舵面的鼓包、縫隙、尖銳邊緣、開(kāi)口、臺(tái)階等雷達(dá)散射源，又可以進(jìn)一步提高戰(zhàn)機(jī)的隱身性能。因此，該技術(shù)在軍/民領(lǐng)域均具有廣闊的市場(chǎng)前景。

中國(guó)航空研究院團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“虛擬舵面”技術(shù)，其基本理論來(lái)源于經(jīng)典環(huán)量控制理論的科恩達(dá)效應(yīng)(Coanda Effect)，即在飛機(jī)機(jī)翼的鈍后緣施加吹氣射流來(lái)改變后緣駐點(diǎn)位置，進(jìn)而增加機(jī)翼的環(huán)量，多自由度匹配狀態(tài)下，產(chǎn)生飛行器飛行控制所需的氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩。具體的射流飛控機(jī)構(gòu)由離心壓氣機(jī)、連接管路和科恩達(dá)吹氣后緣組成。空氣由壓氣機(jī)帶動(dòng)，通過(guò)連接管路到達(dá)科恩達(dá)吹氣后緣排出?？刂颇Ｊ椒矫妫捎秒p向雙縫道組合控制，實(shí)現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)、偏航、俯仰控制。研發(fā)團(tuán)隊(duì)后續(xù)還將引入射流推力矢量噴口技術(shù)強(qiáng)化飛機(jī)的俯仰控制，而氣源將由壓氣機(jī)供氣改進(jìn)為發(fā)動(dòng)機(jī)直接引氣，實(shí)現(xiàn)全機(jī)協(xié)同的射流控制。

圖1 中國(guó)航空研究院團(tuán)隊(duì)的“虛擬舵面”射流飛控技術(shù)獲得科技創(chuàng)新組特等獎(jiǎng)。

圖2 “虛擬舵面”技術(shù)原理示意圖

近兩三年來(lái)，國(guó)際主流研究機(jī)構(gòu)對(duì)“虛擬舵面”技術(shù)給與了高度關(guān)注。據(jù)徐悅介紹，英國(guó)BAE系統(tǒng)公司是最早系統(tǒng)地開(kāi)展“虛擬舵面”技術(shù)研究的機(jī)構(gòu)，2017年12月，BAE公司研制的新型隱身無(wú)人機(jī)MAGMA正式完成首飛，該無(wú)人機(jī)由BAE公司與英國(guó)曼徹斯特大學(xué)聯(lián)合設(shè)計(jì)，外形采用飛翼布局，機(jī)尾上方配有略外傾的雙垂直尾翼。該無(wú)人機(jī)采用射流控制系統(tǒng)代替金襟副翼實(shí)現(xiàn)升空和機(jī)動(dòng)。北約針對(duì)“虛擬舵面”技術(shù)(其稱為主動(dòng)射流控制技術(shù))，成立兩個(gè)任務(wù)組進(jìn)行演示驗(yàn)證無(wú)人機(jī)的開(kāi)發(fā)和試飛評(píng)估工作。北約科技組織(STO)的研究人員在2019年1月的AIAA科學(xué)科技大會(huì)上介紹了其主動(dòng)射流控制技術(shù)的進(jìn)展，評(píng)估結(jié)果認(rèn)為該技術(shù)對(duì)于無(wú)尾無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)(UCAV)目前已經(jīng)“合理可用”，至少可用于打擊任務(wù)的進(jìn)入戰(zhàn)場(chǎng)階段(最高速度Ma0.9)。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)航空研究院團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制造的“虛擬舵面”技術(shù)驗(yàn)證機(jī)分別于2018年12月和2019年10月完成了兩輪試飛。

徐悅還談到，國(guó)內(nèi)外在“虛擬舵面”技術(shù)的研究均處于初期的概念驗(yàn)證和技術(shù)可行性驗(yàn)證階段，對(duì)國(guó)外技術(shù)路線的充分借鑒讓其團(tuán)隊(duì)少走了很多彎路，但受限于起步較晚和經(jīng)費(fèi)投入有限，團(tuán)隊(duì)對(duì)射流飛控的控制機(jī)理認(rèn)知方面尚存在不足。因此，團(tuán)隊(duì)還有必要加大人力、物力投入，加強(qiáng)系統(tǒng)性研究，充分掌握其機(jī)理機(jī)制，盡早進(jìn)入工程實(shí)用。

卓爾“飛虎”涵道風(fēng)扇推進(jìn)系統(tǒng)

卓爾宇航研究院參賽的“飛虎”涵道風(fēng)扇推進(jìn)系統(tǒng)”是一款直徑38cm，最大拉力20kg的涵道風(fēng)扇推進(jìn)器?；谠撏七M(jìn)系統(tǒng)，卓爾宇航研究院已研發(fā)成功一款總重60kg，載荷20kg的四涵道風(fēng)扇垂直起降無(wú)人機(jī)。據(jù)卓爾宇航CEO徐強(qiáng)介紹，該無(wú)人機(jī)尺寸較同類型無(wú)人機(jī)更加緊湊、抗風(fēng)能力更強(qiáng)，更適合采用系留式供能，具有無(wú)限留空的能力，未來(lái)可廣泛應(yīng)用于艦載平臺(tái)、邊境巡邏、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視以及特種環(huán)境下的通信中繼等應(yīng)用場(chǎng)景。

據(jù)了解，涵道風(fēng)扇是一種既傳統(tǒng)又新穎的推進(jìn)系統(tǒng)，NASA自20世紀(jì)60年代開(kāi)始對(duì)此展開(kāi)了一系列實(shí)驗(yàn)研究，但由于涵道風(fēng)扇的高速性能不理想，極大限制了其在傳統(tǒng)航空領(lǐng)域的應(yīng)用。

隨著當(dāng)前電動(dòng)及低速短距垂直起降飛行器的大量涌現(xiàn)，涵道風(fēng)扇推進(jìn)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)凸顯。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人歐陽(yáng)星表示，相比于傳統(tǒng)裸露式螺旋槳，涵道風(fēng)扇動(dòng)力系統(tǒng)具有推力高、噪聲小、安全性高、抗風(fēng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)：在同樣功率消耗下，涵道風(fēng)扇與相同直徑的孤立螺旋槳相比，能產(chǎn)生更大的推力(同等迎風(fēng)面積推力提高30%)；風(fēng)扇與涵道壁間隙的減小能夠減小槳尖渦流噪聲，同時(shí)由于有涵道壁將風(fēng)扇包裹起來(lái)，可以有效抑制風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的噪聲；將高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇與外界隔離，對(duì)使用者而言會(huì)更加安全，也可以保證風(fēng)扇葉片的安全，降低部件損毀的可能性；此外，由于有涵道的遮擋，可以將側(cè)風(fēng)對(duì)旋翼的影響降到最低。

表 卓爾“飛虎”涵道風(fēng)扇與國(guó)外同類產(chǎn)品性能對(duì)比

圖3 卓爾“飛虎”涵道風(fēng)扇推進(jìn)系統(tǒng)”

圖4 卓爾宇航研發(fā)團(tuán)隊(duì)的卓爾“飛虎”涵道風(fēng)扇推進(jìn)系統(tǒng)、西北工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)的消防滅火救援無(wú)人機(jī)獲得科技創(chuàng)新組一等獎(jiǎng)。

隨著電動(dòng)航空的發(fā)展，在固定翼飛機(jī)領(lǐng)域，以空客E-Fan為代表的涵道風(fēng)扇推進(jìn)系統(tǒng)將逐步應(yīng)用到通用航空及支線飛機(jī)上；在垂直起降飛行器尤其是城市飛行汽車領(lǐng)域，涵道風(fēng)扇推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)將更加明顯。

據(jù)團(tuán)隊(duì)技術(shù)負(fù)責(zé)人田云介紹，目前公司已經(jīng)完成了80kg級(jí)推力高速涵道風(fēng)扇推進(jìn)系統(tǒng)研發(fā)工作，同時(shí)已經(jīng)開(kāi)展了基于該推進(jìn)系統(tǒng)的500kg級(jí)固定翼無(wú)人機(jī)的研發(fā)以及150kg級(jí)三涵道風(fēng)扇短距/垂直起降無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)；另外，公司還在開(kāi)展基于分布式涵道風(fēng)扇推進(jìn)的高效動(dòng)力增升系統(tǒng)研究，相信在不久將帶來(lái)更加振奮人心的新成果。除了在航空領(lǐng)域外，公司正在開(kāi)展基于涵道風(fēng)扇推進(jìn)的復(fù)雜水域高速快艇研發(fā)以及其他民用領(lǐng)域拓展應(yīng)用研究。

談及與國(guó)外先進(jìn)水平的差距，田云坦言，從懸停拉效以及高速推進(jìn)效率來(lái)看，卓爾“飛虎”涵道風(fēng)扇與其他國(guó)家公布的幾款涵道風(fēng)扇推進(jìn)系統(tǒng)水平相當(dāng)；但受制于國(guó)內(nèi)大功率電機(jī)及涵道內(nèi)壁降噪技術(shù)的制約，目前涵道風(fēng)扇推進(jìn)系統(tǒng)整體效率及噪聲水平還有待提高。

其他參賽項(xiàng)目

西北工業(yè)大學(xué)“天龍”團(tuán)隊(duì)帶來(lái)的研發(fā)的消防滅火無(wú)人機(jī)同樣獲得了科技創(chuàng)新一等獎(jiǎng)，其針對(duì)高層建筑失火等應(yīng)用場(chǎng)景，采用多旋翼飛行平臺(tái)，將無(wú)人機(jī)技術(shù)、火箭彈技術(shù)、激光測(cè)距技術(shù)與消防滅火技術(shù)相融合，搭載多種任務(wù)載荷，有望解決城市消防中“夠不著、進(jìn)不去、展不開(kāi)”的問(wèn)題。

中交遙感天域科技江蘇有限公司開(kāi)發(fā)的“空域‘低慢小’凈空管服一體化系統(tǒng)”，專門(mén)針對(duì)低空“低慢小”目標(biāo)的管控與服務(wù)，已經(jīng)在重大社會(huì)活動(dòng)中得到實(shí)際應(yīng)用。中交遙感與中國(guó)鐵塔公司的經(jīng)營(yíng)思路，使其摘得創(chuàng)新成長(zhǎng)組一等獎(jiǎng)的桂冠?！?/p>