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英国曼彻斯特大学和BAE系统公司联合开发的Magma无人机计划在2018年春天晚些时候完成安装了”气流喷射控制系统”的第二架无人机飞行试验。 一、Magma无人机项目概况 Magma无人机将证明发动机超音速引气能提供与传统飞行操纵面等效的方向控制能力；同时探索用矢量喷气方法替换垂尾的潜力。潜在应用范围包括降低飞机RCS，提升重型运输机升力等。 Magma无人机设计思想是使用“气流喷射控制系统”实现无活动部件的飞行控制。该控制系统通过气流喷射而产生控制力矩，主要包括两个要素：机翼环量控制和射流推力矢量控制。 Magma无人机射流推力矢量控制原理 第一架Magma无人机使用传统舵面，但是以机翼后缘喷流方式实现飞行控制，主要目的是确认飞机构型的基本飞行特性。 Magma项目第一架无人机2017年9月完成了首飞。当时使用了传统的控制面（但采用机翼射流控制方式，不是传统的舵面驱动），主要验证流体控制技术使用的新机身可按预期飞行。2018年春天晚些时候的试飞将不仅演示机翼射流控制和射流推力矢量，同时还将实现该装置快速便捷从机体上的安装和拆除。 二、无人机射流控制的前期研究 利用发动机压缩空气辅助飞机控制的概念已经出现一段时间了。布莱克本“掠夺者”攻击机的边界层控制系统使用空气吹过机翼来辅助飞机着陆并提升低速条件下对飞机的控制。 此前，BAE与英国的克兰菲尔德、莱斯特、利物浦等9家大学联合开展了“Flaviir”（无舵面飞行器综合工业研究，5年，近1000万美元）项目研究。2010年，该项目完成了无人演示验证机Demon的飞行。Demon无人机从两条狭缝中沿机翼后缘隆起表面切向吹出空气。该概念利用了科恩达效应：流体流过弯曲表面时倾向于附着在表面上而改变本来的流向，例如在水龙头下让水流过勺子的表面。克兰菲尔德大学的高级讲师、Magma项目的学术带头人比尔·克劳瑟称，空气附着于隆起的表面，但也吸入了周围的空气，因此可像虚拟襟翼一样起效，不需要活动部件。 Flaviir项目团队演示的该效应受到了部分限制，原因是吹过机翼表面槽道的空气流速达到了超音速。多项研究表明在高速情况下，超音速空气会从曲面分离，对控制方向就没用了。克劳瑟解释道，问题是人们做的试验没有效果就说这项技术不会成功，但其实是他们的试验没做对。关键问题是机翼后缘翼型的设计。翼型的设计是非常机密的，但他们已经攻克了这个难题。 Demon无人机问题还有该系统的基本可用性。克劳瑟也为Flaviir项目工作过，Demon无人机的手动气流控制非常频繁，类似于玩乐器。而Magma的控制单元不需要类似的高强度维护，但可以装置五分之一大小完成相同的效果（假设机翼尺寸相同）。 Demon无人机的无襟翼控制系统需要人手以螺丝刀调整。 三、Magma无人机的技术特点 （一）采用3D打印的整体机翼后缘喷流装置和尾部射流模块 Magma无人机的新技术使整合狭缝喷嘴和弯曲机翼后缘的单件单元的精确和重复生产成为可能。这些钛制部件由BAE位于兰开夏州Samlesbury的工厂采用3D打印技术制作。当飞行员输入方向指令后，Magma的机载系统将指令转译为吹过机翼后缘上表面或较低表面槽道的气流量。克劳瑟提到，如果向固定宽度槽道上大力吹气，就可形成襟翼偏转程度更大的效果。如果吹气的力度达到最大，就会形成襟翼偏到底的效果。 矢量喷嘴也比Flaviir项目的版本简化了。后者的技术在操作温度下被证明是不可靠的，从来没完成飞行。Magma的喷嘴与机翼后缘的解决方案类似，是由金属单块3D打印出来的。 试验装置上与发动机相连的无襟翼控制系统。该系统有一个喷嘴，最终组件有两个喷嘴，一个在机翼后缘曲面上，一个在下。 （二）新型矢量喷嘴设计相比槽道更加有效 克劳瑟称，之前的设计机翼表面有槽道以保证喷射气流可附着在表面上，但温度上升后，槽道就闭死或变形了。现在的改变是简化装置。我们设计了台阶和台阶旁的一些孔而不是槽道，在台阶和孔之间吹过相对流量较小的气流就可以调整喷射气流是附着于上表面还是较低表面。意味着我们可以向上或向下飞行，该技术制造简单，容错率高。 1/2缩比的矢量喷嘴设计。注意台阶和开孔行，可对气体是否附着在较低表面进行控制。 （三）加入文丘里流量计的射流系统设计更加合理 发动机采用瑞典制造商Hawk Turbine的货架产品加以改装。流体系统设计资深实验官伊恩·鲁南报告称，项目重新设计了压气机，可额外提供压缩空气，从发动机引出流入各个射流系统。 在曼彻斯特大学试验装置上的改进的Hawk Turbine 240R发动机。注意顶部的文丘里流量计。
鲁南称，如果采用过大压气机的话，如果不引足够多的气，大量气体将冲击涡轮使其寿命缩短。但如果引太多气，其过热。因此设置了文丘里流量计来持续测量流量，以及控制阀门的回路，排出不需要进入射流系统的多余气体。 （四）其他设计考虑 此外，Magma无人机基于1303翼型设计，该翼型最初是由美国空军研究实验室和波音鬼怪工厂开发，并应用于波音“鬼怪鳐”无人战斗演示验证机上。Magma项目不必设计全新飞机，但项目的核心目标要求之前的飞机设计不能简单照搬。 Magma设计者之一，博士研究生威尔·哈利指出在飞机设计中的其他考虑。把机身尾部向内移，机身中部要比福特全顺货车横向轮距窄，否则无人机将无法运输至机场。机翼的选型也有利于制造。 在射流控制开发部门工作的博士研究生托马斯·谢伍德说，通常此类飞机的机翼前缘很薄，有利于隐身，但Magma无人机没采用这种设计。这种设计的气动稳定性不好。前缘的圆弧化处理使Magma无人机更易飞。 目前，第二架Magma无人机机身已经制造，并安装了射流控制系统。机翼后缘的控制已经成熟，团队正完成矢量喷嘴的整合。第一架飞机保留其传统控制，但可安装射流装置，以替代襟翼。除了集成无襟翼控制和矢量喷嘴，第一架和第二架Magma无人机的主要区别是机身内部管路的安排，以使压缩引气从发动机引入机翼后缘，以及各子系统。克劳瑟称，已飞的无人机重40千克，第二架——Magma射流版本——已获CAA（英国民用航空局）批准将重量升至60千克。 （航空工业发展中心 蔡琰）
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