美X-56A试飞探索弹性机翼应对气动弹性问题(图)

　　X-56A项目开展飞行试验（资料图）

　　中国网讯 据美国航空航天局网站报道，4月9日，美国家航空航天局（NASA）阿姆斯特朗飞行研究中心的研究人员成功完成了X-56A多用途技术试验台（MUTT）第二架飞机（代号为“Buckeye”）的首次飞行。此次20分钟的飞行，意味着利用低成本模块化的遥控无人机推进航空伺服弹性技术研究工作的开始。X-56A飞行试验将启动更高展弦比机翼子项目中“性能自适应气动弹性机翼”的相关研究，为国家航空航天局先进空中交通技术（AATT）计划提供支持。

　　“永不停歇”的X系列试验飞行器计划

　　为了探索航空航天众多的未知领域，自20世纪40-50年代，美国人就开始了X系列试验飞行器的研究工作。其中，X-1验证机为首架可在平飞时突破声障的试验机。此后，X-3、X-4、X-5 等一大批试验飞行器相继飞上了蓝天。除飞机外，X系列验证机计划还试验了美国空军的试验性超燃冲压高超声速导弹。但X系列验证机的活动均处于项目的早期阶段，用于试验航空工程领域的技术进步，而非部署作战平台，相比而言，后者似乎更有影响力。40、50和60年代研制的X系列试验机虽然没有变成实际的能力，但在此过程中，却成就了美国航空航天工业在世界的领先地位。

　　2013年6月6日，美国防部负责研究与工程的助理国防部长阿兰·夏弗于在美国国防工业协会主办的早餐会上指出，“尽管即将出现财政紧缩，但工程师和科学家需要继续开展科技研究工作，必须始终保持稳定的资金流用于技术开发，否则美国可能会存在面临新技术挑战时措手不及的风险。当然，技术得到验证后未必需要部署。我们需要持续开发技术验证机，但是否部署它们是另外的问题。”

　　夏弗说，军方必须继续投资科学和工程工作，即使以牺牲采购项目为代价。为削弱新兴的和已有的威胁，持续创新和验证机的研发能力是必要的，与此同时，科学实验还能主宰现有和未来平台的经济可承受性。夏弗认为值得下大力气研究的新技术领域是自主性、大数据和人类系统。夏弗宣布支持像联合能力技术验证（JCTD）之类的技术开发计划，这些计划寻求满足作战司令官的需求。JCTD与各军种合作，投资验证有可能几乎马上就能转化成采办项目或直接部署的验证机。

　　该计划起初产生了一些有影响力的技术，诸如“全球鹰”和“捕食者”无人机。但随后这些计划将转为投资12-24个月长的小项目，结果之后就没有产生类似的能力飞跃。夏弗已指示国防部负责快速部署的助理国防部长帮办厄尔·怀亚特将JCTD的一半资金投入到大型验证机上。夏弗说，“今年我们没有足够的资金启动新的项目，我将视其为一种重铸该计划的机会。我们将在2014财年启动更大的项目。我们将继续致力于支持作战司令官，此外我们也在寻求其他主意，寻求工业界与作战司令官协调后产生的最佳办法。”

　　X-56A试验飞行器：“培育”多用途技术的试验平台

　　X-56A试验飞行器被授予“多用途技术试验平台”（Multi-Utility Technology Testbed，简称MUTT）的称号，它代表了一种未来的飞行器：采用细长、柔性机翼的飞行器，而这在目前看来是不可思议的。虽然尺寸相对较小，且没有缩放到真实的高空长航时无人机或者更大的远程运输机的大小，但X-56A仍能展示相同的气弹现象。

　　尽管以目前的水平，这样一个柔性机翼飞行器几乎在它的首飞中难免会发生事故，但研究人员还是开发了一些工具和方法来帮助它安全飞行。X-56A的控制系统不仅能够预测和感知颤振发生的起点，也能够主动地偏转舵面抑制颤振的发展。X-56A相比于有人驾驶的X系列验证机更加经济，它采用远程遥控飞行，因为颤振试验是非常危险的，尤其是对于这样的柔性机翼。

　　由于机体很可能在试验中损坏，X-56A从一开始就被设计为可拆卸机翼和机身。这个无人机系统是由洛 马公司、美国空军研究试验室和国家航空航天局共同开发的，在洛 马公司完成飞行试验后该机将会移交给国家航空航天局。X-56A无人机系统共包括2个机身、一套刚性机翼、3套柔性机翼，整个系统还包括轻便的地面控制站，它具有模拟和系统集成试验室能力。

　　X-56A验证机重约218千克，在机身尾部上方安装了两台36千克推力的JetCat P400喷气式发动机，每个发动机前的机身里各安装了一个油箱，油箱两侧安装了类似西锐SR22通用飞机采用的整机降落伞。降落伞和油箱被封装在中心翼盒结构中，该翼盒由前后梁和机身侧面对接结构组成。前梁前方的前机身包括一个航电设备舱，并支持机头安装的大气数据探针。

　　每副机翼都有翼梢小翼、4个升降副翼，中心体后部还有襟翼。作动器安装在临近每个舵面的干燥的舱内，机翼内的其它空间安装有水压载舱，用于稳定性调节。三个外翼水压载舱每个可装水12磅，最大的位于翼根的水压载舱可装水61磅。3个柔性机翼被设计为完全一样的，但所采用的树脂并不像最初设想的那样柔软。机翼被设计成两层玻璃纤维结构，两层的方向为0/90度。

　　国家航空航天局固定翼项目副经理Gary Martin说，“这样做的目的是为了使机翼在扭转方面足够柔性，以使得在飞行包线范围内发生弯扭耦合模式的颤振。”但对于0/90度铺层方向，树脂基的力学特性对于玻璃纤维层合板来说起决定性作用。因此，现在预计机翼弯扭耦合模式的颤振将在飞行包线之外发生。机身被横向切为两段，在机身尾部中心线上安装有可装载第三台发动机或者垂尾的连接点。这是为了方便国家航空航天局对X-56A的布局修改而做的准备，后面可以安装垂尾和平尾或者安装小型、更大掠角的机翼和支柱变成连接翼布局以进行更多的试验。

　　气动弹性问题促使机翼需要“刚柔并济”

　　自从飞机诞生以来，发散、颤振以及阵风响应等气动弹性问题就成为影响飞机稳定性及飞行性能的重要因素。在传统的飞行器设计过程中，气动弹性工作通常负责对已有的设计方案或原型机进行分析、校核，并提出修补措施，如设置配重、增加阻尼以及增设陷幅滤波器等。随着轻重量、高性能飞行器的发展，飞行器结构柔性趋于增大，使得气动弹性问题更加突出，甚至成为结构设计的关键条件之一。

　　以气动弹性性能为约束条件的结构优化贯穿于飞行器设计的各个阶段。特别是复合材料的应用有效地提高了飞行器结构设计的手段。气动伺服弹性涉及到结构、气动以及控制等多学科问题, 这些问题通常是以非理想的耦合形式存在的。在飞行器气动伺服弹性设计中，采用单纯的结构优化或控制律优化都难以达到最优的设计，从而必须将设计领域拓宽为多个学科，同时考虑多个学科的约束和性能指标，即进行多学科设计优化。气动伺服弹性设计优化是一个非线性的、多学科耦合的、设计变量可行域非连续的优化问题。

　　在2013年7月26日至9月20日之间，洛 马共对X-56项目进行了8次刚性机翼的试飞，完成了气动性能、控制系统、飞行性能和操纵品质试验。X-56项目的第2架飞机代号为“Buckeye”，于2014年6月2日抵达阿姆斯特朗中心。此前，代号为“Fido”的首架飞机于2013年6月首飞，洛 马公司和空军研究实验室（AFRL）在其飞行试验中研究了新型轻重量柔性飞机的主动颤振抑制和阵风减缓技术。

　　今年1月Buckeye试验机开展了3次低速滑行试验，3月份完成了1次中速滑行试验。该机的初期试验将进行飞机系统检测、评估飞行品质、拓展性能包线、验证地面仿真结果。试飞结果将为后续试验规划提供信息。国家航空航天局的多个部门参与了X-56A相关工作，兰利研究中心和格林研究中心的工程人员开展了建模与分析，阿姆斯特朗和AFRL将负责飞行试验。洛 马公司也提供了重要支持。

　　最近进行的此次飞行是计划完成的8次刚性机翼控制器开发（SWCD）包线探索飞行的首次飞行。试验中，X-56A达到海拔4000英尺（1219米）高度、70节（130千米/小时）速度。AATT项目副经理Gary S. Martin称，此次飞行与模拟器上的演练飞行基本一样。试验数据指导了未来柔性机翼控制律的开发，同时也帮助改进柔性机翼的定义模型。洛 马公司高级技术人员、X-56项目技术经理Edward Burnett说：“只有进行X-56A的飞行试验才能真正试验非定常气动力。”Bosworth表示，真正的关键是建立正确的模型。

　　从洛 马公司的飞机结构有限元模型开始，研究人员开发了一个非线性N自由度模型来预测X-56A的复杂的气动伺服弹性，最终开发了采用线性的、降阶的N自由度模型的自适应控制系统来避免颤振。Burnett说：“借助于X-56A项目的推动，控制系统得到了一定的发展。但是这样的方式并不直接，控制系统发展的速度并不快。”（窦豆/谢武）