他機驗證試飛技術(shù)的發(fā)展

張啟鵬 劉超強 劉慶靈

民機主制造商研制一款新飛機，肯定要采用一些新概念、新技術(shù)、新方法等，為規(guī)避風險，一般會用已有成熟機型改裝一個空中試驗平臺，對相關(guān)的新概念、新技術(shù)、新方法進行研究、驗證。在民機試飛領(lǐng)域，這樣的試飛技術(shù)，簡稱為“他機驗證試飛技術(shù)”。

所謂空中試驗平臺，是指利用已有成熟機型改裝而來的，具備為被測產(chǎn)品提供空中試驗接口和環(huán)境條件的試飛驗證平臺，按功用可分為探索性研究機（用于未知科學領(lǐng)域、新理論、新概念的試飛驗證）、技術(shù)驗證機（用于航空新系統(tǒng)、新技術(shù)的驗證）和空中實驗室（空中環(huán)境的專業(yè)實驗室）三類。

隨著計算機技術(shù)、航空電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代飛機復(fù)雜程度日益增加，他機驗證試飛技術(shù)從單純用于飛機飛行品質(zhì)領(lǐng)域的研究迅速擴展到飛行動力學特性、發(fā)動機、控制律、飛控系統(tǒng)、航電系統(tǒng)及多系統(tǒng)綜合技術(shù)等方面他機驗證的研究。

氣動力他機驗證

空氣動力學的驗證手段有CFD、風洞試驗和飛行試驗。氣動力他機驗證雖然在初期存在試飛成本高、技術(shù)復(fù)雜等劣勢，但能在最真實的環(huán)境下驗證飛機關(guān)鍵氣動數(shù)據(jù)和關(guān)鍵氣動技術(shù)，從國內(nèi)外航空發(fā)展歷史可以看出，新機的氣動力驗證越充分，研制風險就會越小。

世界上航空技術(shù)強國無一不對氣動力試飛研究高度重視，如美國X-1、X-2、X-3、X-4、X-5、XF-92A等系列飛機對超音速飛行的機理和適合超音速飛機的氣動布局進行了系統(tǒng)的探索。除X系列飛機外，美國還應(yīng)用737-100改裝的飛行實驗室等對民機的氣動特性和飛機結(jié)構(gòu)進行了大量的研究。

與美國相似，俄羅斯也非常重視氣動力特性的飛行試驗研究。他們在現(xiàn)有飛機上安裝各種系統(tǒng)，例如米格-21層流翼型驗證，100L系列飛機的分離脫體渦流特性研究，Bor系列飛機的氣動力、熱動力驗證等，對氣流繞過不同物體的流動特性和影響氣流流動的不同方法進行研究。

發(fā)動機他機驗證

航空發(fā)動機是飛機的心臟，在取證前必須經(jīng)過嚴格驗證。一般而言，發(fā)動機的試驗包含地面試車臺試驗和飛行試驗臺試驗。前者是在靜態(tài)條件下的試驗，雖然現(xiàn)在的設(shè)備可以模擬發(fā)動機運行的大部分狀態(tài)，但是發(fā)動機最后能否成功運行，依然要在真實的飛行條件下測試過才行，這時就需利用飛行試驗臺進行發(fā)動機他機驗證。發(fā)動機他機驗證能夠在整個飛行包線內(nèi)以較低的代價獲取精確可重復(fù)的高空數(shù)據(jù)，很好地評估發(fā)動機的綜合性能。

傳統(tǒng)航空強國俄羅斯的發(fā)動機他機試飛能力非常強，僅俄羅斯飛行試驗研究院就有伊爾-76、圖-134、安-24等十多架發(fā)動機飛行試驗臺，據(jù)統(tǒng)計已有80多種型號在這些飛行試驗臺進行了試驗。其中伊爾-76飛行試驗臺主要進行大功率渦扇/槳扇民用航空發(fā)動機的飛行試驗;安-24飛行試驗臺主要試驗輔助動力裝置，幾乎所有輔助動力裝置均是在此飛行試驗臺上試驗的;圖-134飛行試驗臺主要試驗小型發(fā)動機，重點測試熱輻射部位。

美國GE公司的波音747-121飛行試驗臺測試過11種發(fā)動機共39種型號，包括GE90、GEnx、CF34、CFM56、LEAP和GP7200。霍尼韋爾公司選擇波音757飛機改裝成發(fā)動機飛行試驗臺，驗證過HTF7000、HTF7250、HTF7500E發(fā)動機。波音747所用的普惠公司的JT9D發(fā)動機的研制使用了B-52飛行試驗臺。波音727型飛機的JT8D發(fā)動機則使用了波音707飛行試驗臺進行飛行試驗，787所使用的發(fā)動機（GE公司的GEnx）在波音747-200飛行試驗臺上進行他機試飛。英國羅羅公司采購波音747-400客機，將其改裝成一個用來評估羅羅公司新發(fā)動機及相關(guān)技術(shù)的飛行試驗平臺。

飛控系統(tǒng)他機驗證

新研飛控系統(tǒng)是一個復(fù)雜的長周期過程，全過程伴隨著桌面仿真試驗、鐵鳥臺試驗、模擬器試驗、機上地面試驗和飛行試驗。根據(jù)試驗結(jié)果設(shè)計人員通常都要對設(shè)計進行優(yōu)化，優(yōu)化后的軟硬件還需重復(fù)上述試驗，才能達到飛控系統(tǒng)優(yōu)化和凍結(jié)構(gòu)型的目的。參考國內(nèi)外經(jīng)驗，新研飛控系統(tǒng)在經(jīng)過試驗平臺驗證后，可以提前暴露問題，讓飛行員感受操縱特性，以達到縮短研制周期、降低試飛風險的目的。

美國對電傳操縱的研究是最早、最廣泛和最深入的。20世紀60年代，為了提高數(shù)字計算機可靠性，美國空氣動力實驗室選擇A-7作為驗證平臺研究數(shù)字電傳操縱系統(tǒng)。20世紀60年代中期，AFFDL選用B-52飛機作為試驗機，主要是想減輕突風和大氣湍流引起的結(jié)構(gòu)載荷，從而減輕飛機結(jié)構(gòu)重量和疲勞載荷。到了20世紀70年代，NASA改裝了一架F-8作為FBW試驗機，開展了近15年關(guān)于電傳飛控系統(tǒng)的試驗驗證研究。而波音公司利用7J7驗證777、利用777驗證787的飛控系統(tǒng);為了保證7J7的飛行安全，波音用整體空中飛行模擬器TIFS進行了7J7FBW的控制律飛行模擬。

法國也從1970年就開始了數(shù)字飛行控制系統(tǒng)的研究。在這以前，像幻影Ⅲ和幻影Ⅳ都是常規(guī)機械液壓操縱系統(tǒng)加上單重有限權(quán)的控制增穩(wěn)系統(tǒng)。到研發(fā)幻影G和幻影G8時，使用了全權(quán)限的多余度模擬飛控系統(tǒng)，Mstere20R空中飛行模擬試驗機作為通用的驗證平臺，還支持研究了幻影2000、幻影4000和3NG飛機的數(shù)/?；旌巷w行控制系統(tǒng)。20世紀80年代中期，法國研制的ACX驗證機是法國第一架全數(shù)字、全權(quán)、全時的電傳飛控飛機。在空客的產(chǎn)品系列中，A340的驗證機是A319，A380的驗證機是A340。這些驗證機主要是利用通用的大型數(shù)字計算機進行控制律調(diào)參研究，包括通過由許多水箱組成的重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)飛機重心，針對不同的重心，試飛工程師和飛控工程師利用通用計算機調(diào)整和驗證飛控系統(tǒng)和控制律。

控制律他機驗證

對控制律進行他機驗證需研制變穩(wěn)機，也叫空中飛行模擬器。變穩(wěn)機能在飛行狀態(tài)不變的情況下，使本機及其控制系統(tǒng)的動態(tài)特性大范圍內(nèi)改變，使本機與被研究飛機的響應(yīng)相一致。變穩(wěn)機的應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋了飛行力學、飛行控制、飛行試驗、航空電子等學科專業(yè)的相關(guān)課題及新機試飛員培訓(xùn)等，例如NT-33A變穩(wěn)機、Learjet-24變穩(wěn)機、IIFSTA變穩(wěn)機等。

NT-33A變穩(wěn)機是美國俄亥俄空軍基地懷特試驗室1952年研制的，是一架被用于空中飛行模擬研究、試飛員培訓(xùn)和新機演示驗證的多用途變穩(wěn)飛機，也是有史以來世界上應(yīng)用最廣泛、使用時間最長和最成功的空中飛行模擬器。美國的飛行器品質(zhì)規(guī)范、人機界面技術(shù)、現(xiàn)代飛機的大量關(guān)鍵技術(shù)，以及從X-15到X-29、從YF-16到Y(jié)F-22飛機等都通過NT-33A進行過空中試驗驗證。

Learjet-24變穩(wěn)機是由美國卡爾斯潘（Calspan）公司利用Learjet-24飛機改裝而成的，主要用于新機試飛前的飛行員培訓(xùn)和新的飛行品質(zhì)規(guī)范及控制系統(tǒng)研究。Learjet-24變穩(wěn)機的控制系統(tǒng)主體采用了按照反饋響應(yīng)原理工作的變穩(wěn)電傳系統(tǒng)，或稱可變穩(wěn)定性系統(tǒng)。

中國的IIFSTA變穩(wěn)機于20世紀80年代末90年代初開始論證，最終的設(shè)計目標是完成一架具有五自由度變穩(wěn)能力（除側(cè)向力外）的空中飛行模擬器。IIFSTA是中國飛行試驗研究院在BW-1變穩(wěn)飛機的基礎(chǔ)上，為支持新機研制、新機試飛技術(shù)研究、飛行動力學特性研究、飛控技術(shù)及系統(tǒng)研究、人機界面開發(fā)、新的飛行品質(zhì)規(guī)范制定及試飛員培訓(xùn)而研制的。

航電系統(tǒng)他機驗證

機載系統(tǒng)的根本屬性就是要在空中飛行環(huán)境下，正確完成既定的任務(wù)功能，并具備良好的技術(shù)性能。機載系統(tǒng)的研發(fā)成果只有通過大量的試飛驗證，才能夠真正保證其有效性和實用性，更加及時地發(fā)現(xiàn)和解決機載系統(tǒng)在飛行條件下可能出現(xiàn)的許多問題，提高機載系統(tǒng)的技術(shù)成熟度和可靠性，更好地滿足飛機的配套要求。

美國研制的第五代戰(zhàn)斗機F22，全程使用了波音757航電系統(tǒng)試飛驗證平臺（FTB）。在F22航電系統(tǒng)試驗中，重中之重是軟件的試驗，整個過程采用增量式驗證策略，由單個軟件到多個軟件測試，最后是全軟件包的綜合驗證試飛。

得益于F22的成功試驗，波音公司又把此方法用于JSF飛機，而JSF的另一競爭對手洛克希德·馬丁公司也競相效仿。由此，美國出現(xiàn)了波音公司用波音737改成的飛行實驗室（Avionics Flying Laboratory）和洛克希德·馬丁公司用BAC-111改成的綜合航空電子試驗臺（Cooperative Avionics Test Bed）兩架JSF航空電子飛行試驗臺。

綜上所述，他機驗證試飛技術(shù)涵蓋氣動力、發(fā)動機、飛控系統(tǒng)、控制律和機載系統(tǒng)他機驗證，他機驗證試飛技術(shù)對于航空理論、新研機載系統(tǒng)、新技術(shù)方法等的研究與驗證起著至關(guān)重要的作用，如電傳操縱、綜合航電、多電技術(shù)的他機領(lǐng)先驗證等。但需要指出的是，上述試驗平臺都是由已取得適航許可的飛機改裝而成，在改裝后，試驗平臺的氣動外形和結(jié)構(gòu)都經(jīng)過了重大改變。因此，這類飛機也必須經(jīng)過適航審查，但又不能完全按照適航標準取證，對于這類試驗平臺的適航和安全標準的制定及其貫徹是對試飛工作者和試飛管理機構(gòu)的新挑戰(zhàn)。