國外射流飛行控制技術發展及前景分析

2019 年8 月，美國國防預先高級研究計劃局（DARPA）發布了“帶有效應器的革命性飛機控制”跨部局公告，旨在演示驗證采用射流飛行控制技術之后飛機的飛行品質，解決工程應用問題。此前，英國“巖漿”無人機于2019 年5 月成功完成使用射流飛行控制系統的首飛，表明國外射流飛行控制技術日趨成熟。該技術一旦實用化，可能對飛機設計帶來較大影響。

1 技術原理

飛機通常在機翼和尾翼上布置襟翼、副翼、方向舵、升降舵等操縱面，飛行員通過控制操縱面偏轉，改變翼面的形狀，影響翼面流場，從而控制升力/阻力分布及變化，產生控制力矩，達到改變飛行狀態、保持飛行姿態或改善飛機起降性能等目的。射流飛行控制技術則是沿飛機翼面噴射高速流動的氣體或通過射流控制發動機排氣方向，形成偏轉力矩，以控制飛機的俯仰、滾轉和偏航，達到控制飛機的作用。

射流飛行控制技術主要有兩種控制途徑。一是機翼環量控制，是將部分發動機引氣壓縮后通過噴嘴沿翼面向后緣噴出，形成偏轉力矩，通過調節噴氣流量可直接控制偏轉力矩大小，起到與控制操縱面偏轉相同的飛行控制效果；二是射流推力矢量，將部分發動機引氣壓縮后，經轉向機構從發動機尾噴口后面吹向發動機排出的氣流，使發動機排氣轉向，并且通過調節引氣流量來控制發動機排氣偏轉程度，達到飛行控制的目的。

2 發展情況

迄今，北約組織、英國BAE 系統公司已對射流飛行控制技術進行了較為持續、系統的研究，并開始進入裝機試飛階段，DARPA 也正在啟動研究工作。

2.1 北約組織“創新控制效應器”項目

北約組織從20 世紀70 年代開始實施“創新控制效應器”項目，開發機翼翼尖和中段前緣噴氣、機翼后緣噴氣和射流矢量推力等射流飛行控制技術，尋求替換傳統襟翼等。但在當時，該技術所需發動機引氣量過大，對飛行性能的影響難以承受，導致研究進展緩慢。

2013 年，隨著飛機、發動機和增材制造等技術發展，北約組織的科學與技術機構聯合英國BAE 系統公司、美國洛馬公司、美國空軍科學研究辦公室、英國國防部國防科技實驗室等成立AVT-239 任務組，決定對“創新控制效應器”（ICE）技術應用于未來無人機系統開展5 年性能評估。評估工作針對兩款有可能應用射流飛行控制技術的無尾布局飛機開展，一種是采用65°后掠三角翼的ICE-101，另一種是采用53°后掠λ 翼的“賽肯”（SACCON，“穩定和控制技術構型”的縮略語）。任務組為開展評估而構想了典型想定的三個飛行段，分別是：在9150m 高度分別以馬赫數0.9（ICE-101）和0.8（“賽肯”）“進入戰場”；以規避等機動動作“退出戰場”和“起降”。

聚焦“進入戰場”的第一階段評估于2017 年12 月完成，結果是：“進入戰場”過程中，控制飛行姿態所需的引氣量是發動機總引氣量的3%（ICE-101）或1.8%（“賽肯”），可以承受；在此過程中，射流飛行控制系統對航程的影響為1%，可以接受；“進入戰場”階段，機翼后緣噴氣的飛行控制效果與機翼翼尖和中段前緣噴氣相比更好；“退出戰場”和“起降”階段，機翼翼尖和中段前緣噴氣則更適用；對于無尾布局的飛機，必須使用射流推力矢量來控制飛機偏航。北約組織現已規劃了下一階段評估，著重對“退出戰場”和“起降”階段繼續開展深入評估，并評估飛機射流飛行控制系統的故障率和冗余架構設計。

2.2 英國BAE 系統公司的相關研究

2004 年起，英國BAE 系統公司在英國工程與物理科學委員會的支持下， 聯合克蘭菲爾德、萊斯特、利物浦等多所大學，實施了“無操縱面飛行器綜合工業研究”項目。此間，該公司在其“日蝕”無人機上測試了機翼環量控制和射流推力矢量技術。2010年，該公司集成項目研究成果，開發出“惡魔”無人機用于射流飛行控制系統試飛，雖保留副翼作為備份，但在試飛中未使用。

射流飛行控制系統的兩種主要控制途徑圖解

2012 年起，該公司聯合曼徹斯特大學，通過增材制造技術制造了射流噴口、機翼后緣和機尾等部件，基于53°后掠λ 翼的“賽肯”方案開發了“巖漿”無人機，第一架機僅采用傳統舵面飛行控制系統，于2017 年9 月首飛，驗證了飛行性能；第二架僅采用射流飛行控制，于2019 年5 月首飛，驗證了技術可行性。BAE 公司將繼續推進射流飛行控制工程化。

2.3 DARPA 啟動射流飛行控制技術項目研究

DARPA 在2018 年8 月發布了“為飛機設計流動控制方法”項目信息征詢， 旨在演示無舵面的飛機達到一級飛行品質，并通過射流飛行控制完成極短距起降。2019 年8 月又發布“帶有效應器的革命性飛機控制”項目跨部局公告， 尋求在飛機設計早期引入射流飛行控制技術和相關設計工具，依托射流飛行控制技術優化飛機布局。該項目擬分4 個階段，分別關注設計開發過程、控制回路分析和建模技術、部件測試／制造／組裝／地面試驗、飛行演示驗證。

3 技術優勢和難點

射流飛行控制技術若能實用化，有望提升飛機的隱身等性能，并給飛機設計帶來重要變化。但是，該技術的全面實用化仍有技術難點待突破。

3.1 技術優勢

采用射流飛行控制系統可為飛機帶來如下優勢：（1）減小機翼外形尺寸。通過取消布置在翼面外緣的襟翼、副翼等操縱面，翼面外形尺寸將明顯縮小，飛機結構重量（質量）也隨之減輕。（2）降低使用維護成本。可取消或減少操縱面及其驅動機構，從而減少零部件數量，提高系統可靠性；同時還可規避操縱面頻繁的檢查維修需求，既降低成本又提高飛機使用效率。（3）降低飛機噪聲。襟翼、副翼等操縱面是飛行噪聲的一個重要來源，用射流飛行控制系統代替后，飛機噪聲將大幅降低，這對提高民用飛機的乘坐舒適性尤為有用。（4）提高軍用飛機隱身性能。對軍用飛機來說，襟翼、副翼等操縱面及為安裝這些部件而形成的一系列尖銳邊緣、開口、凸出物、臺階、縫隙等，是不可忽視的雷達反射源。采用射流飛行控制系統后，這些反射源幾乎全部消失，加上機翼尺寸減小，可有效降低雷達截面積（RCS）。（5）提高機動性和敏捷性。射流飛行控制系統與其他技術手段相結合，有望顯著提高未來軍用飛機的機動性和敏捷性。

3.2 當前存在的主要難點

射流飛行控制系統真正實用化還面臨一些難點，主要有：（1）飛機能耗增加。通過液壓機構等驅動操縱面的能耗較低，采用射流飛行控制系統需發動機額外提供能量，并配備專用輔助裝置來壓縮空氣以提供高速射流，能耗增加。（2）可靠性難以保證。遇到發動機故障、燃油耗盡、翼面表面遭到破壞等情況時可能失去飛行控制能力。（3）適用范圍受限。目前射流飛行控制系統可用于代替飛機翼面后緣的襟翼、副翼、方向舵等，如何替代前緣襟翼，尚待進一步研究和解決。（4）制造比較困難。射流噴口內部具有復雜形態、結構，以實現對射流流場、狀態參數的設計，最大化射流飛行控制效果；翼面后緣和機尾須設計結構復雜的突起、臺階、孔等曲面結構，以使高速射流在機翼環量控制過程中與翼面始終貼合；曲面材料須承受高速射流的氣動熱，避免因變形影響飛行控制效果。

4 幾點看法

射流飛行控制系統可能大幅提高軍、民用飛機性能，有望成為使未來飛機性能取得突破的重要源泉，將會很大程度上拓展未來飛機概念設計的空間，給新一代飛行器的設計思想帶來革命性影響。該技術雖還面臨一些挑戰，但“巖漿”無人機的成功首飛表明其技術成熟度已有明顯提高。隨著國外航空強國持續推進研發，未來可能首先應用于亞聲速無人機，特別是小型隱身無人機。

我國南京航空航天大學等機構也開展了射流飛行控制技術開發及原理樣機試制和試飛，積累了基礎技術和工程經驗，但實際應用還有較大距離。需求牽引方面，可借鑒北約組織的經驗，分任務、分飛行階段開展射流飛行控制系統的適用性、使用效能等分析，確保技術探索的審慎性。在效用和需求明確后， 推動工業部門、大學和其他科研機構聯合開發技術和產品，盡快縮小差距。