2022年8月，携带HARDROC光束导向器的达索“猎鹰10”飞机在试飞过程中测试低功率激光。

　　埃里克·泰格勒　
　　文 高飞　译
　　长期以来，人们一直将主动流动控制作为飞机飞行控制的替代手段进行研究。最近，它已成为DARPA“X”飞机的一种成熟控制方法，同时也被认为是一种控制激光器的方法。
　　近年来，美国空军研究实验室（AFRL）利用主动流动控制（AFC）进行了虚拟、地面和飞行测试，以消除空气动力干扰对激光束导向器的影响。将主动流动控制与选定的光束导引光学元件结合使用，有望提高飞机在高速飞行时投射激光能量的保真度、密度和方向度。
　　受主动流动控制影响的光束导向器概念已由美国空军研究实验室的“减少混合气动效应设计的保真光学组件”（HARDROC）团队进行了评估和飞行测试。该团队包括来自莱特·帕特森空军基地的航空航天系统局实验室、新墨西哥州柯特兰空军基地定向能局以及主承包商MZA Associates的研究人员。MZA Associates是一家领先的高能激光（HEL）建模、分析、设计、测试和集成公司，总部位于新墨西哥州阿尔伯克基。
　　HARDROC团队的研究可能会使高能激光器在战斗机等快速动态机动飞机上得到实际应用。直到最近，大多数关于在战斗机和攻击机上安装激光武器的讨论都集中在功率限制上。
　　但如何确保战斗机可能携带的光束武器能够随时准确地瞄准目标，同样是一项艰巨的挑战。其中很大一部分挑战在于如何克服气动湍流。
　　湍流情况将脉冲激光束瞄准或引导至目标可能会被大气中的水蒸气、沙子、灰尘、盐粒和烟雾等物质干扰。这些物质会吸收和散射光。但是，湍急的气流也会使激光束散焦。
　　飞机机身周围的气流会随着速度、攻角和偏航而变化。这种变化可能是高度局部性的，会影响到机身上放置传感器或激光束导向器等火力引导装置的部分。流经光束导向器的湍流或持续变化的气流会导致激光束闪烁、光束游移和相位前沿失真。
　　高能激光的研究人员和设计人员以前曾试图通过使用自适应光学器件来对抗紊乱气流的干扰效应，这种器件可根据观测到的湍流对激光光束进行快速、连续的微调。
　　但是，与其试图通过补偿光束导向器周围局部环境的持续变化来控制光束聚焦和转向，不如采用另一种策略，即利用主动流动控制来塑造局部环境本身。从本质上讲，这与主动流动控制在飞行控制中影响空气动力表面气流的作用是一样的。
　　主动流动控制依靠定时和计量脉冲来改变气流，精确地在特定位置进行干扰。驱动气流变化的装置/系统被称为“效应器”，其特点是通过气动或电动系统进行“吹气”。
　　例如，有一种技术可以从喷气发动机中抽取的空气，通过飞机表面相关部位1~4毫米宽的小孔喷出或流出。反之，也可以从气流中吸入空气。这种气动吹气和吸气可以产生或形成空气动力旋涡。
　　包括流体振荡器阵列、槽形、梯形或其他形状的流体振荡器或扫射喷流在内的效应器可以在飞机的不同位置向气流中注入空气，从而影响局部条件。
　　还可以使用电力来释放空气动力脉冲或电脉冲，以改变局部气流。等离子致动器通过电极向空气中释放电脉冲。电能产生的热量将空气转化为等离子体，从热学角度改变气流矢量。
　　电驱动合成喷气式飞机是在飞机表面开一个毫米级宽的孔，孔内有1厘米宽的隔膜，依靠快速电压脉冲使隔膜向内或向外摆动，产生气流吸入或吹出的效果，就像人的肺一样。
　　光束导向器有关HARDROC的具体内容，包括其光束导向器的信息很难获得。美国空军研究实验室在回答问题时提到了操作和安全方面的考虑。其中最相关的问题是，在测试过程中考虑了哪些主动流动控制方法以及哪种方法最有效。
　　据HARDROC项目计算流体动力学负责人斯科特·谢勒（Scott Sherer）称，对各种方法和效应器的评估最初是通过计算流体动力学（CFD）模拟技术进行的。
　　谢勒和其他与该项目有关的人员都不愿评论哪种效应器策略在模拟和随后的地面/飞行测试中效果最好。但他指出：“我们能够证明，在不同的速度和视角下，气动效应都能显著降低。”
　　MZA Associates公司的任务是设计和开发所使用的低功率、小尺寸光束导向器。该光束导向器既在比例风洞环境中进行了测试，也在一架飞行中的公务机上进行了测试。早在2007年，MZA就参加了由美国空军研究实验室资助的自适应光学风洞试验，该试验结合了航空光学和自由流湍流实验。
　　该公司以前在自适应光学、WaveTrain系统、大气表征设备和高能激光计量工具方面的工作表明，主动流动控制技术最有可能有效缓解激光束的湍流。测试设置也是如此，除了风洞和机载测试外，该公司拥有一个环境实验室。
　　在飞行测试中，该光束导向器被安装在一架达索“猎鹰10”喷气机上，这架飞机属于美国俄克拉何马市的一家航空零部件企业。“猎鹰10”的巡航速度约为430英里/时（700千米/时），但其两台发动机只能产生7000磅（3175千克力）的推力，这对于最大起飞重量为20000磅（9071.8千克）的公务机来说并不大。
　　发动机可用于气动吹气和吸气技术的推力有限。发动机的位置也不利于向位于机身左侧的光束导向器输送气流。
　　同样，美国空军研究实验室在关于HARDROC的新闻稿中也刊登了一张该飞机的照片，但该照片经过编辑，删除了各种细节。飞机的其他照片显示，光束导向器周围的飞机蒙皮上几乎没有可见的效应器。
　　以上细节以及在一次实验飞行中“猎鹰10”上安装的光束导向器被低功率扫描激光器驱动的事实可能表明，HARDROC团队发现使用等离子致动器或脉冲合成喷气的电控主动流动控制效应器策略是最有效的——至少这种规模的光束导向器上机飞行是可行的。
　　HARDROC项目经理鲁迪·约翰逊（Rudy Johnson）说：“我们心中最大的疑问是，这些气流控制技术能否用于先进定向能系统所需的敏感光学元件。HARDROC项目试验明确回答了这个问题。”
　　人们通常会担心主动流动控制技术致动器对光学元件造成的机械影响，但考虑到测试飞机上光束导向器的数字控制配置，更大的担忧可能或是来自电磁干扰。
　　平板式光束导引头看起来像是一个相控阵系统。这种系统可以非常紧凑，是一个直径为50厘米（20英寸）的小波束阵列可转向100°的锥体，体积仅为0.037立方米。
　　“猎鹰10”在2022年8月的飞行测试中高速巡航，据美国空军研究实验室称，各种传感器被用来测量气动干扰。据报道，HARDROC光束导向器扩大了机载定向能系统的工作范围，与其他最先进的激光炮塔相比，HARDROC光束导向器的尺寸、重量和功率（或SWaP）更小，却能在更大的速度范围内提供360°视场。
　　这一进展表明，HARDROC项目正在将新型光束导向器集成到快速战术飞机上。在美国空军研究实验室发布的新闻稿中，航空航天系统局集成系统处技术顾问麦克·斯坦内克（Mike Stanek）说：“HARDROC光束导向器的成功飞行演示扫清了在高速飞机上运行高功率激光器以执行各种空军任务的主要技术障碍。与其他类型的集成策略相比，集成低尺寸、重量和功率的HARDROC光束导向器可减少因气动效应而损失的激光功率，从而提高任务能力。”
　　斯坦内克和HARDROC团队的其他成员没有提到的是，主动流动控制可能不仅仅是一种有用的飞行控制或激光聚焦方法，它还可以与其他飞行器传感器结合使用，无论是在空中还是在水下。