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“X”系列新成员---X-56A无人技术验证机初探

2013-10-30 18:40:12

X”系列新成员---X-56A无人技术验证机初探

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X-56A首飞照片

 

2013726日,在位于美国爱德华兹空军基地的德莱顿飞行研究中心,美国“X”系列技术验证机家族的最新成员---X-56A成功完成了首次飞行。首次飞行由远程地面遥控进行,在低空飞行了14分钟,评估了飞机在130千米/时的操纵品质,同时亦对110千米/小时速度下着陆时的操纵品质进行了检验。这款名不见经传的小型无人机曾经和U-2SR-71F-117等臭鼬工厂的代表作品一起作为技术发展的见证出现在洛克希德马丁公司的宣传视频里;在洛马公司的官方网站上,X-56A也被列入10大令人惊奇的无人机行列。那到底该无人验证机有哪些特点?担负着怎样的使命呢?

X-56A的全称为Multi-Use Technology Testbed,即多用途技术验证平台,简称MUTT。机身长约2.3米,翼展约8.4米,全机重约218公斤,由两台230牛推力的JetCat小型喷气发动机提供动力。X-56A计划最早在20122月时发布,这项投资约一千八百万美元的验证项目由美国航空航天局(NASA)主导,洛马公司臭鼬工厂根据合同进行无人机系统的开发,主要用于研究主动颤振抑制技术。按照计划,X-56A 将在今年年底前完成美国空军研究实验室(AFRL)的实验任务,之后转交给NASA开展进一步的研究。

所谓“颤振”是一种危险的现象:一架处于地面的飞机在受到扰动时会引起振动,但是由于结构阻尼的存在,这种振动会逐渐衰减;而飞行中的飞行器如果突破了一定的临界速度,这种振动可能就不会衰减,反而会急剧增强,在短短数秒内便破坏飞机。即使是幅度较小的颤振,也可能造成结构的疲劳,降低飞行器的寿命。颤振现象一直伴随着人类航空技术的发展,早在第一次世界大战初期,一架英国产的亨德里佩奇轰炸机就因发生剧烈的颤振而坠毁,这也成为最早的有文档记载的飞机颤振案例。时至今日,颤振问题依然是飞行器设计部门在设计飞行器时必须要慎重考虑的问题。传统的方法是保证机翼具有足够的刚度,在设计时便留下相应的冗余,从而避开颤振问题的发生。该方法虽然使用广泛,但是显然导致了飞机重量的增加,削弱了飞机的综合性能。

与这种被动“躲避”的思路相反,X-56A技术验证机想要实现的是通过先进的控制技术,主动及时预测颤振地发生并抑制其产生效果,从而使颤振无法对飞行器产生破坏性的影响。如果这种理念得以实现,不仅可以减轻飞机的重量,还能使飞机在超过颤振临界速度的情况下安全飞行,获得更加优异的性能。颤振主动抑制技术最早出现在20世纪70年代波音公司和美国空军联合进行的B-52CCV项目中。在该项目中,一架经过改装的B-52轰炸机通过采用主动颤振抑制技术首次实现了超过颤振临界速度的安全飞行。尽管已经在真实飞机上取得了第一次成功,但是主动颤振抑制技术距离成熟和完善还有很大差距。特别是随着下一代飞行器中表现出的柔性增加、速度更快的倾向越来越明显,颤振主动抑制技术成为进一步拓展未来飞行器性能极限的关键技术之一。

作为一款集合了最新技术的试验平台,X-56A在研究人员的计划下将“身先士卒”,尝试突破颤振对飞行器设置的“边界”。考虑到进行颤振研究的危险性和研究平台的重复利用,X-56A采用了模块化设计。除了一架完整的无人机外,整个系统还包括额外的三副机翼、一个机身以及地面站、拖车等设施。研究人员首先将使用一副刚度较大的机翼进行实验已获得基本的数据,然后换上一副柔性的玻璃纤维复合材料机翼。X-56A的最大速度为约为280千米/小时,而安装了柔性机翼后发生颤振的临界速度预计为200千米/小时,所以X-56A在飞行中可以满足达到和超过颤振临界速度的实验条件。通过布置在飞机上的传感器,研究人员可以及时判断出颤振的发生,并发送指令给验证机的飞行控制系统对振动进行抑制,从而使验证机可以安全地在超过颤振临界速度的情况下飞行。显然,在超过颤振临界速度下飞行出现意外的可能性很大,为此设计人员专门设计了一套“弃车保帅”的策略和技术方案:当验证机进入危险情况时,使用降落伞将安装有贵重仪器设备和发动机的机身回收,放弃有多个备份的机翼。在飞行试验中,研究人员可以通过调整控制软件,尝试不同的控制方法,并监测控制的效果,为颤振主动控制技术积累宝贵的实际经验。异曲同工的是,研究人员还会利用X-56A平台尝试进行突风载荷减缓的实验,如果该项实验取得突破,未来的飞机在空中发生颠簸时将会变得更安全,机内乘员也会更舒适。在完成计划的20次飞行后,X-56A将从美国空军移交给NASA。后者正在进行一项自己的研究计划,通过使用先进的传感器测量机翼在空中变形后的形状并探测气流的分离。在这些基础的研究完成后,NASA最终计划在X-56A上安装一副展弦比较目前商用客机高出一半的柔性机翼进行飞行试验。

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X-56A 全系统组成示意图

 

X-56A验证机并不是一个孤独的探索者。臭鼬工厂早在20052007年的一系列内部研究中便研制了多架更小、更便宜的无人遥控模型进行了飞行试验。这些单价约2万美元左右的小型模型飞机共制作了7架,虽然在经过一系列飞行试验后只有2架还处于完整状态,但是起到了积极的技术探索与储备作用,推动了X-56A的上马。此外,NASAX”系列验证机中的X-53主动气动弹性翼技术验证机也是针对气动弹性现象开展主动控制研究的重要代表。与X-56A主要针对颤振主动抑制技术不同,X-53更加注重利用机构的柔度使机翼产生所需要的变形从而控制飞机机动。与传统机翼设计采用操纵面(如副翼、方向舵、升降舵)产生操纵力、操纵力矩的方式相比,这种大胆前卫的设计理念主动减小了机翼的刚度,允许机翼在气动力作用下发生大幅度的扭转,通过主动控制系统控制机翼前后多个控制面协调偏转使机翼最终演变为所需要的形状,产生实现飞机机动飞行所需的控制力。该技术同样可以大幅度减小机翼的结构重量,相对于传统的控制方法还可能获得更好的控制效果,一旦走向成熟很可能给未来航空技术领域带来一场重大变革。

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X-53 主动气动弹性翼验证机

 

NASAX-53主动气动弹性翼技术的发展获得初步验证的基础上,悄然启动了更加偏重于解决主动颤振抑制和突风减缓技术的X-56A多用途技术验证平台项目。两项主动气动弹性控制领域的研究项目不仅可以互为补充,形成对该技术领域更加完整的研究体系,夯实已经取得的技术基础;更可以未雨绸缪,为设想中的新一代的高空(超高空)长航时(超长航时)侦察机以及新一代(超音速)运输机项目所需要的关键技术做准备;同时“X”系列项目本身也生动地展现了技术发展所需要经历的螺旋上升态势。很显然的,从“X”系列验证机立项的角度看,在对未来航空航天技术的探索上,美国不仅有着如X-51高超声速验证机这样高调而又吸引眼球的发展计划,更有着很多低调地按照技术发展规律循序渐进不断前进的“潜力股”项目。正如当年战斗机黑手党的成员利用美国政府的计算机资源私下验证自己的理论一样,一项新技术、新理论的发展往往要经过一番曲折轮回才能为世人所理解和推广,也许我们对X-56A这样的“潜力股”也要抱着认真而严谨态度才能不在几十年后被它们的发展和兴盛所震慑。

20132月,在整个科研界都面临预算吃紧的情况下,美国依然宣布了下一项“X”系列验证机的需求:将垂直起降技术融合在常规飞行器中,在具有高于一般旋翼机悬停能力的同时,使得飞行器最大速度达到555千米/小时。有人曾说,选择科学研究的路线就像在赌博,在技术发展的道路上我们并不能清楚地确定某项技术的前景如何,非要等到熬够了时间,烧够了钱,有了突破才能知道哪些是弯路,哪些值得做。对于处于落后的一方来说,瞄准主流前沿进行跟踪研究,并针锋相对地进行发展是安身立命的根本,也是最容易想到,最容易被广泛认可的方法;然而,在从“望尘莫及”便为“望其项背”后,逐步形成符合自身发展特点的理念和体系,根据自身的思考提出相应的发展计划,才能在这场不断追逐的游戏中令对手“望而生畏”,不战而屈人之兵吧。

 

 

王 晨

20138月于南京航空航天大学

 

注:本文图片来源于网络                                             

 




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