平尾副翼方向舵全不要 美国全新项目颠覆未来飞机设计

2022年12月，美国国防部表示，波音子公司极光飞行科学公司（Aurora Flight Science）获得了一份美国国防预先研究计划局（DARPA）的合同。该合同价值4200万美元，项目主要内容为开发一种被称为新型效应飞行器（CRANE）的新型试验飞机。

按照双方的合同内容，这种飞机将能够在没有舵、襟翼和副翼等传统控制面板的情况下飞行。

极光将为DARPA详细设计一种使用气流喷射进行机动飞行控制的实验飞机。

该项目的主要目的在于验证全新的飞行控制技术，摆脱对于传统气动控制面的依赖，从而为未来飞机在总体性能上的突破提供设计基础——包括改善升力，减少阻力，提升机翼结构效率，增大飞机内部燃油储存空间，降低飞机制造成本，提升飞行敏捷性，等等。

传统飞行控制离不开气动面

从飞行力学的角度来说，大多数时候飞行控制的过程，就是飞机在俯仰、横滚、偏航等多个方向上，通过改变受力状态，使飞机始终处于类似“跷跷板两头不落地”的动态平衡状态。

大角度抬头起飞的F-15，其水平尾翼大幅度下偏，通过在机身末端形成向下的负升力，逼迫重心和气动焦点前方的前机身抬起……这是典型的力学“跷跷板”。

F-35B的动力系统示意图。

比如传统战术飞机要抬头或者低头，主要是通过远离飞机重心和气动焦点的水平尾翼或者鸭翼偏转，在飞机的前部或者后部，施加一个强迫飞机抬头或者低头的控制力矩。

而随着航空技术的发展，控制力矩的实现现在并不一定全部依赖于各种气动面。

比如F-35B这样的垂直起降飞机，就需要在翼下较为远离机身部位设置向下的喷口，喷射气流来保持飞机的平衡，避免飞机左右侧翻坠毁。

美国此次试验的“主动射流控制技术”，就是试图在飞机的机身和机翼上开设大量孔洞、缝隙，从中喷射出气流；利用这些气流改变飞机的受力状态，从而驱使飞机的姿态和轨迹按照预期的要求变化，实现机动飞行控制。

已进入项目第二阶段

这一项目由美国国防部主导并在2019年启动，并由洛克希德马丁公司、佐治亚理工研究公司、极光飞行科学公司等企业参与了早期阶段的研究。

极光公司是波音的子公司，总部位于弗吉尼亚州的马纳萨斯，业务聚焦于飞机和无人系统的前沿技术创新。根据现有的公开消息，这个项目大致上有三个阶段：

第一阶段，制造尺寸较小的缩比模型，在风洞测试中对主动射流控制技术进行初步的可行性验证。这一阶段目前已经被极光公司完成，他们也因此获得了下一阶段研发的合同。

第二阶段，为新的试验飞机创建详细的工程设计，包括飞行控制软件。

在这一阶段中，美国国防部会对关键设计进行审查，以确保该机能在没有传统飞行控制手段的情况下飞行。该阶段任务如果顺利完成，则极光公司能获得进入第三阶段的合同。

BAE与曼彻斯特大学联合研发的MAGMA无人机，思路与CRANE在大方向上一致，但机体尺寸和吨位很小。

第三阶段，极光公司将实际制造一架全尺寸的演示样机，重量达到7000磅，翼展达到30英尺，最大飞行速度达到0.7马赫。

该机将完全依赖于主动射流控制技术进行试飞，并具有模块化设计的机翼方案，使该项目在后续研究中可以低成本、快速的更换相关设计或验证性技术。

从目前美国相关方面的公开表态来看，他们并不认为这一技术能在短期内具备实用价值。

该项目的前项目经理瓦兰曾表示：

“这是一个试验项目，旨在展示这种创新技术是否可以工作，而不是改进已经在运行的东西……而如果这个概念确实有效，它可能是一项颠覆性技术，甚至可以颠覆未来的飞机设计方式。”

实用化依然困难重重

从基本观念和思路来说，目前美国在深度探索的主动射流控制技术并不是全新产物，至少有数十年以上的历史——一直以来，有很多问题阻碍着它的实用化，其中一部分甚至与传统的载人飞机设计要求有着根本性的冲突。

其中包括：

一、安全冗余问题

大量低速中小型飞机，甚至是一些比较大的飞机，依然广泛采用以连杆或钢索滑轮为核心的机械飞行控制系统。在遭遇主要动力系统故障、丧失动力的情况下，依然还能通过人力实现对气动面的持续控制，借助飞机残存的能量，实现滑翔和迫降。

即使是对于飞行控制完全依赖电传和液压驱动的先进飞机，特别是高速、大型飞机，通过应急动力系统和应急液压泵等设计，也可以保障15分钟甚至更长的可控状态。

应急冲压涡轮，可以在滑翔过程中提取一部分飞机动能，为飞行控制提供动力。

2001年，TSC236航班的空客A330客机双发失去动力，滑翔19分钟、120千米，在亚速尔岛机场成功降落。

但对于主动射流控制的飞机，一旦因主动力系统故障失去动力，无法再驱动压气机大功率运转，实际上不可能有第二个机载系统能提供相近流量、速度、压力的持续性气流喷射，这意味着飞机会在非常短的时间内，控制力急剧下降并进入不可挽救的失控状态。

对于载人飞机而言，这是不可接受的安全缺陷——无论是对机内人员还是地面。

但在作战飞机无人化的趋势下，以战场为应用环境的智能化军用无人机，则对这种缺陷的容忍程度会相对高很多。

二、机体载荷航程问题

无论是MAGMA还是CRANE，目前都无法避免的问题是，它们都需要大量从发动机引气，相关要求远高于传统飞机的动力系统。

对于涡轮燃机来说，把压气机段的压缩空气引出来、喷射到周围大气中，要付出较大的效率代价。原本这些空气在进入燃烧室燃烧、膨胀加速以后，可以提供大得多的功率。波音787等新型飞机，陆续把基于压气机引气的传统环控系统，变更为依赖于飞机发电机的全电环控系统，主要原因也在于此。

这是类似英国MAGMA等较早的主动射流控制的验证机，尺寸吨位普遍很小的关键因素之一。在这些航模级别上的飞行器上，由于尺寸小、不需要考虑续航、不需要考虑复杂航电系统和战斗武器等载荷，可以轻易实现非常高的推重比、充沛过剩的压气机流量；对于实用化的飞机，这是很不现实的。而且随着机体吨位级别的不断上升，这个矛盾会变得更为尖锐恶化。

总的来看，此类项目距离实用化还有相当遥远的距离，其主要的应用方向，可能是一些机动性指标要求不高、设计初衷就能容忍较大损失概率和事故附带损失的军用无人飞行器。