未来飞行器“X-56A”测试飞行：采用柔性机翼

    美国宇航局（NASA）27日发布了未来飞行器“X-56A”测试飞行的画面。图中，美国空军研究人员正在“欢迎”飞行器抵达空军基地。

    X-56A被授予“多用途技术测试平台（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。

    本次测试飞行耗时20分钟，目的是通过一系列的飞行动作来评估飞机的各项性能。

    图片来源：美国宇航局官网

    未来飞行器“X-56A”测试飞行：采用柔性机翼


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）
    美国宇航局（NASA）27日发布了未来飞行器“X-56A”测试飞行的画面。图中，美国空军研究人员正在“欢迎”飞行器抵达空军基地。

    X-56A被授予“多用途技术测试平台（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。

    本次测试飞行耗时20分钟，目的是通过一系列的飞行动作来评估飞机的各项性能。

    图片来源：美国宇航局官网

    未来飞行器“X-56A”测试飞行：采用柔性机翼


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）