他机验证试飞技术的发展

张启鹏 刘超强 刘庆灵

民机主制造商研制一款新飞机,肯定要采用一些新概念、新技术、新方法等,为规避风险,一般会用已有成熟机型改装一个空中试验平台,对相关的新概念、新技术、新方法进行研究、验证。在民机试飞领域,这样的试飞技术,简称为“他机验证试飞技术”。

所谓空中试验平台,是指利用已有成熟机型改装而来的,具备为被测产品提供空中试验接口和环境条件的试飞验证平台,按功用可分为探索性研究机(用于未知科学领域、新理论、新概念的试飞验证)、技术验证机(用于航空新系统、新技术的验证)和空中实验室(空中环境的专业实验室)三类。

随着计算机技术、航空电子技术的发展,现代飞机复杂程度日益增加,他机验证试飞技术从单纯用于飞机飞行品质领域的研究迅速扩展到飞行动力学特性、发动机、控制律、飞控系统、航电系统及多系统综合技术等方面他机验证的研究。

气动力他机验证

空气动力學的验证手段有CFD、风洞试验和飞行试验。气动力他机验证虽然在初期存在试飞成本高、技术复杂等劣势,但能在最真实的环境下验证飞机关键气动数据和关键气动技术,从国内外航空发展历史可以看出,新机的气动力验证越充分,研制风险就会越小。

世界上航空技术强国无一不对气动力试飞研究高度重视,如美国X-1、X-2、X-3、X-4、X-5、XF-92A等系列飞机对超音速飞行的机理和适合超音速飞机的气动布局进行了系统的探索。除X系列飞机外,美国还应用737-100改装的飞行实验室等对民机的气动特性和飞机结构进行了大量的研究。

与美国相似,俄罗斯也非常重视气动力特性的飞行试验研究。他们在现有飞机上安装各种系统,例如米格-21层流翼型验证,100L系列飞机的分离脱体涡流特性研究,Bor系列飞机的气动力、热动力验证等,对气流绕过不同物体的流动特性和影响气流流动的不同方法进行研究。

发动机他机验证

航空发动机是飞机的心脏,在取证前必须经过严格验证。一般而言,发动机的试验包含地面试车台试验和飞行试验台试验。前者是在静态条件下的试验,虽然现在的设备可以模拟发动机运行的大部分状态,但是发动机最后能否成功运行,依然要在真实的飞行条件下测试过才行,这时就需利用飞行试验台进行发动机他机验证。发动机他机验证能够在整个飞行包线内以较低的代价获取精确可重复的高空数据,很好地评估发动机的综合性能。

传统航空强国俄罗斯的发动机他机试飞能力非常强,仅俄罗斯飞行试验研究院就有伊尔-76、图-134、安-24等十多架发动机飞行试验台,据统计已有80多种型号在这些飞行试验台进行了试验。其中伊尔-76飞行试验台主要进行大功率涡扇/桨扇民用航空发动机的飞行试验;安-24飞行试验台主要试验辅助动力装置,几乎所有辅助动力装置均是在此飞行试验台上试验的;图-134飞行试验台主要试验小型发动机,重点测试热辐射部位。

美国GE公司的波音747-121飞行试验台测试过11种发动机共39种型号,包括GE90、GEnx、CF34、CFM56、LEAP和GP7200。霍尼韦尔公司选择波音757飞机改装成发动机飞行试验台,验证过HTF7000、HTF7250、HTF7500E发动机。波音747所用的普惠公司的JT9D发动机的研制使用了B-52飞行试验台。波音727型飞机的JT8D发动机则使用了波音707飞行试验台进行飞行试验,787所使用的发动机(GE公司的GEnx)在波音747-200飞行试验台上进行他机试飞。英国罗罗公司采购波音747-400客机,将其改装成一个用来评估罗罗公司新发动机及相关技术的飞行试验平台。

飞控系统他机验证

新研飞控系统是一个复杂的长周期过程,全过程伴随着桌面仿真试验、铁鸟台试验、模拟器试验、机上地面试验和飞行试验。根据试验结果设计人员通常都要对设计进行优化,优化后的软硬件还需重复上述试验,才能达到飞控系统优化和冻结构型的目的。参考国内外经验,新研飞控系统在经过试验平台验证后,可以提前暴露问题,让飞行员感受操纵特性,以达到缩短研制周期、降低试飞风险的目的。

美国对电传操纵的研究是最早、最广泛和最深入的。20世纪60年代,为了提高数字计算机可靠性,美国空气动力实验室选择A-7作为验证平台研究数字电传操纵系统。20世纪60年代中期,AFFDL选用B-52飞机作为试验机,主要是想减轻突风和大气湍流引起的结构载荷,从而减轻飞机结构重量和疲劳载荷。到了20世纪70年代,NASA改装了一架F-8作为FBW试验机,开展了近15年关于电传飞控系统的试验验证研究。而波音公司利用7J7验证777、利用777验证787的飞控系统;为了保证7J7的飞行安全,波音用整体空中飞行模拟器TIFS进行了7J7FBW的控制律飞行模拟。

法国也从1970年就开始了数字飞行控制系统的研究。在这以前,像幻影Ⅲ和幻影Ⅳ都是常规机械液压操纵系统加上单重有限权的控制增稳系统。到研发幻影G和幻影G8时,使用了全权限的多余度模拟飞控系统,Mstere20R空中飞行模拟试验机作为通用的验证平台,还支持研究了幻影2000、幻影4000和3NG飞机的数/模混合飞行控制系统。20世纪80年代中期,法国研制的ACX验证机是法国第一架全数字、全权、全时的电传飞控飞机。在空客的产品系列中,A340的验证机是A319,A380的验证机是A340。这些验证机主要是利用通用的大型数字计算机进行控制律调参研究,包括通过由许多水箱组成的重心调节系统调节飞机重心,针对不同的重心,试飞工程师和飞控工程师利用通用计算机调整和验证飞控系统和控制律。

控制律他机验证

对控制律进行他机验证需研制变稳机,也叫空中飞行模拟器。变稳机能在飞行状态不变的情况下,使本机及其控制系统的动态特性大范围内改变,使本机与被研究飞机的响应相一致。变稳机的应用领域覆盖了飞行力学、飞行控制、飞行试验、航空电子等学科专业的相关课题及新机试飞员培训等,例如NT-33A变稳机、Learjet-24变稳机、IIFSTA变稳机等。

NT-33A变稳机是美国俄亥俄空军基地怀特试验室1952年研制的,是一架被用于空中飞行模拟研究、试飞员培训和新机演示验证的多用途变稳飞机,也是有史以来世界上应用最广泛、使用时间最长和最成功的空中飞行模拟器。美国的飞行器品质规范、人机界面技术、现代飞机的大量关键技术,以及从X-15到X-29、从YF-16到YF-22飞机等都通过NT-33A进行过空中试验验证。

Learjet-24變稳机是由美国卡尔斯潘(Calspan)公司利用Learjet-24飞机改装而成的,主要用于新机试飞前的飞行员培训和新的飞行品质规范及控制系统研究。Learjet-24变稳机的控制系统主体采用了按照反馈响应原理工作的变稳电传系统,或称可变稳定性系统。

中国的IIFSTA变稳机于20世纪80年代末90年代初开始论证,最终的设计目标是完成一架具有五自由度变稳能力(除侧向力外)的空中飞行模拟器。IIFSTA是中国飞行试验研究院在BW-1变稳飞机的基础上,为支持新机研制、新机试飞技术研究、飞行动力学特性研究、飞控技术及系统研究、人机界面开发、新的飞行品质规范制定及试飞员培训而研制的。

航电系统他机验证

机载系统的根本属性就是要在空中飞行环境下,正确完成既定的任务功能,并具备良好的技术性能。机载系统的研发成果只有通过大量的试飞验证,才能够真正保证其有效性和实用性,更加及时地发现和解决机载系统在飞行条件下可能出现的许多问题,提高机载系统的技术成熟度和可靠性,更好地满足飞机的配套要求。

美国研制的第五代战斗机F22,全程使用了波音757航电系统试飞验证平台(FTB)。在F22航电系统试验中,重中之重是软件的试验,整个过程采用增量式验证策略,由单个软件到多个软件测试,最后是全软件包的综合验证试飞。

得益于F22的成功试验,波音公司又把此方法用于JSF飞机,而JSF的另一竞争对手洛克希德·马丁公司也竞相效仿。由此,美国出现了波音公司用波音737改成的飞行实验室(Avionics Flying Laboratory)和洛克希德·马丁公司用BAC-111改成的综合航空电子试验台(Cooperative Avionics Test Bed)两架JSF航空电子飞行试验台。

综上所述,他机验证试飞技术涵盖气动力、发动机、飞控系统、控制律和机载系统他机验证,他机验证试飞技术对于航空理论、新研机载系统、新技术方法等的研究与验证起着至关重要的作用,如电传操纵、综合航电、多电技术的他机领先验证等。但需要指出的是,上述试验平台都是由已取得适航许可的飞机改装而成,在改装后,试验平台的气动外形和结构都经过了重大改变。因此,这类飞机也必须经过适航审查,但又不能完全按照适航标准取证,对于这类试验平台的适航和安全标准的制定及其贯彻是对试飞工作者和试飞管理机构的新挑战。

标签: 试验台 控系统 波音

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