由美國洛馬公司臭鼬工廠研制的X-56A無人機將在未來幾個月進行飛行測試,這個項目是為了解決柔性機翼顫振問題而設立的,旨在開發未來更輕、展弦比更大的機翼而做好準備。
顫振是空氣動力學家字典里最可怕的單詞,但是目前一個工程師團隊已經做好準備進行專為解決顫振問題設計的柔性機翼的飛行測試。如果飛行測試取得成功,那么它的價值是巨大的。從航空發展的早年,設計師們采用增加結構裕度的方法來避免顫振發生。雖然這種方法使得機體變得更加堅硬,并且能夠避免慣性力同氣動力發生耦合產生結構的毀壞,但它也勢必限制了布局效率的發揮。
X-56A被授予“多用途技術測試平臺(MUTT)的稱號,它代表了一種未來的飛行器:采用細長、柔性機翼的飛行器,而這在目前看來是不可思議的。
雖然尺寸相對較小,并且沒有縮放到真實的高空長航時無人機或者更大的遠程運輸機的大小,但是X-56A仍然能夠展示相同的氣彈現象。盡管以目前的水平,這樣一個柔性機翼飛行器幾乎在它的首飛中勢必會發生事故,但是研究人員還是開發了一些工具和方法來幫助它安全飛行。
X-56A的控制系統不僅能夠預測和感知顫振發生的起點,也能夠主動地偏轉舵面抑制顫振的發展。X-56A相比于有人駕駛的X系列驗證機是更加經濟的,它采用遠程遙控飛行,因為顫振測試是非常危險的,尤其是對于這樣的柔性機翼。因此,高風險的演示驗證選擇在加州愛德華茲空軍基地廣袤的干湖床上空進行。非常恰當的是,X-56A被存放在同樣是解決尖端飛行研究的美國第一架噴氣式戰斗機貝爾P-59曾經停放的隔離的北機庫中。1942年,P-59曾在這里進行過秘密的飛行測試。
由于機體很可能在試驗中損壞,因此X-56A一開始就被設計為可拆卸機翼和機身。這個無人機系統是由洛馬公司、美國空軍研究試驗室和NASA共同開發的,在洛馬公司完成飛行測試后該機將會移交給NASA。X-56A無人機系統共包括2個機身、一套剛性機翼、3套柔性機翼,整個系統還包括輕便的地面控制站,它具有模擬和系統集成試驗室能力。
X-56A驗證機重約218千克,在機身尾部上方安裝了兩臺36千克推力的JetCat P400噴氣式發動機,每個發動機前的機身里各安裝了一個油箱,油箱兩側安裝了類似西銳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構中,該翼盒由前后梁和機身側面對接結構組成。前梁前方的前機身包括一個航電設備艙,并支持機頭安裝的大氣數據探針。
每副機翼都有翼梢小翼、4個升降副翼,中心體后部還有襟翼。作動器安裝在臨近每個舵面的干燥的艙內,機翼內的其它空間安裝有水壓載艙,用于穩定性調節。三個外翼水壓載艙每個可裝水12磅(5.4千克),最大的位于翼根的水壓載艙可裝水61磅(27.7千克)。
X-56A的3個柔性機翼被設計為完全一樣的,但是所采用的樹脂并不像最初設想的那樣柔軟。機翼被設計成兩層玻璃纖維結構,兩層的方向為0/90度。NASA固定翼項目副經理Gary Martin說,“這樣做的目的是為了使機翼在扭轉方面足夠柔性,以使得在飛行包線范圍內發生彎扭耦合模式的顫振。”但是對于0/90度鋪層方向,樹脂基的力學特性對于玻璃纖維層合板來說起決定性作用。因此,現在預計機翼彎扭耦合模式的顫振將在飛行包線之外發生。NASA阿姆斯特朗飛行測試中心X-56A項目總工程師John Bosworth表示,“這是因為樹脂比我們原先想象的要硬。”
其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動機或者垂尾的連接點。這是為了方便NASA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測試。在2013年7月26日至9月20日之間,洛馬共進行了8次剛性機翼的試飛,完成了氣動性能、控制系統、飛行性能和操縱品質測試。測試數據指導了未來柔性機翼控制律的開發,同時也幫助改進柔性機翼的定義模型。洛馬公司高級技術人員、X-56項目技術經理Edward Burnett說:“只有進行X-56A的飛行測試才能真正測試非定常氣動力。”
Bosworth表示,“真正的關鍵是建立正確的模型。”從洛馬公司的飛機結構有限元模型開始,研究人員開發了一個非線性N自由度模型來預測X-56A的復雜的氣動伺服彈性,最終開發了采用線性的、降階的N自由度模型的自適應控制系統來避免顫振。Burnett說:“借助于X-56A項目的推動,控制系統得到了一定的發展。但是這樣的方式并不直接,控制系統發展的速度并不快。”
Burnett稱:“NASA已經接近他們的時間表,所以我們決定當我們將工程資源投入到第二架X-56A上時,我們應該讓控制律和顫振工程師持續考慮這些問題。”第一架X-56A被稱為Fido,目前已經安裝上柔性機翼,第二架備份X-56A,原本計劃作為意外發生時的備份,但現在已經安裝上剛性機翼,正在進行交付NASA前的檢查。
Burnett說:“NASA目前正在模擬器上測試他們的控制律并熟悉這一系統。洛馬給NASA提供了精確的數據,所以NASA清楚地了解他們需要關注什么。”據Burnett表示,洛馬還給NASA提供了剛性機翼的控制律。但是Burnett強調:“洛馬提供的只是作為一個目標模型,并沒有完全揭示其中的細節。”因此,NASA和洛馬各自開發的控制律可以進行對比。(王元元)