現(xiàn)代飛機(jī)研制中的試驗(yàn)

沈海軍　劉　毅

現(xiàn)代飛機(jī)的研制是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程。一種新型號(hào)現(xiàn)代飛機(jī)的研制通常需要成千上萬(wàn)不同專業(yè)的人員分工協(xié)作，共同完成，耗時(shí)可長(zhǎng)達(dá)10余年，甚至20年。一種新型號(hào)的飛機(jī)從論證到總體設(shè)計(jì)，從細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)到理論校核，從制造裝配到試飛，再?gòu)呐可a(chǎn)到交付用戶使用，整個(gè)過(guò)程中必須做各種各樣費(fèi)時(shí)耗力的試驗(yàn)，以確保設(shè)計(jì)的飛機(jī)能夠在各種可能的環(huán)境或載荷下具有良好的空氣動(dòng)力特性(簡(jiǎn)稱“氣動(dòng)特性”)、足夠的強(qiáng)度、各種系統(tǒng)和設(shè)備正常工作，以及良好的飛行品質(zhì)。

以我國(guó)自主研制的第一種大型民用噴氣飛機(jī)“運(yùn)十”飛機(jī)為例，該飛機(jī)的研制中，設(shè)計(jì)師們共提出各類試驗(yàn)項(xiàng)目近180項(xiàng)，實(shí)際完成160余項(xiàng)。其中氣動(dòng)特性試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)各60余項(xiàng)，各種系統(tǒng)試驗(yàn)30項(xiàng)，特種設(shè)備試驗(yàn)20余項(xiàng)。

按設(shè)計(jì)要求，這些試驗(yàn)絕大多數(shù)應(yīng)在首次試飛前完成，極少數(shù)試驗(yàn)項(xiàng)目則被安排在跑道滑行及試飛過(guò)程中。

氣動(dòng)特性試驗(yàn)

在飛機(jī)的總體設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)師們通常會(huì)參考國(guó)內(nèi)外同類飛機(jī)提出若干種可能的總體布局方案。這些總體方案包括飛機(jī)機(jī)翼的形狀與布局，發(fā)動(dòng)機(jī)的類型、數(shù)量與安裝位置，水平尾翼與垂直尾翼的形狀、布局，以及飛機(jī)升降舵、副翼(操縱飛機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)的舵面，一般安放在機(jī)翼的后緣外側(cè))、襟翼(用于增加飛機(jī)阻力，同時(shí)提高飛機(jī)升力的舵面，一般安放在機(jī)翼的后緣內(nèi)側(cè))等各種操縱面的布置、尺寸等。

為了從幾種總體布局方案中篩選出氣動(dòng)布局最佳的方案，必須要對(duì)幾種布局的飛機(jī)模型分別進(jìn)行吹風(fēng)試驗(yàn)。

所謂吹風(fēng)試驗(yàn)，就是把按比例縮小的飛機(jī)模型放在一種被稱作“風(fēng)洞”的空氣流動(dòng)管道中進(jìn)行吹風(fēng)，以得到飛機(jī)在各種姿態(tài)下的升力特性、阻力特性、各個(gè)方向的穩(wěn)定性，以及顫振特性。這里的顫振特性指的是在特定氣流作用下，飛機(jī)(機(jī)翼)產(chǎn)生共振的特性。一旦發(fā)生顫振，飛機(jī)將會(huì)劇烈抖動(dòng)，操作十分困難，飛行也因此變得十分危險(xiǎn)，所以應(yīng)在設(shè)計(jì)中盡量避免。

根據(jù)氣流的速度，風(fēng)洞可分為低速風(fēng)洞和高速風(fēng)洞，分別用于模擬低速和高速飛行的飛機(jī)。低速風(fēng)洞中的氣流通常由風(fēng)扇來(lái)產(chǎn)生，高速風(fēng)洞的氣流則通常由高壓氣罐提供。

風(fēng)洞試驗(yàn)中，飛機(jī)模型的升力、阻力、表面氣流、表面氣動(dòng)壓力分布、穩(wěn)定性、顫振，分別可通過(guò)壓力傳感器、絲線法(在飛機(jī)模型表面黏上絲線，絲線的舞動(dòng)可顯示飛機(jī)表面氣流的走向)、風(fēng)速調(diào)節(jié)、目測(cè)等手段和技術(shù)方法來(lái)獲悉。

為了保證風(fēng)洞試驗(yàn)中模型飛機(jī)與真實(shí)飛機(jī)之間氣動(dòng)特性的可比性，模型飛機(jī)與真實(shí)飛機(jī)必須幾何相似和動(dòng)力相似。所謂幾何相似，是指模型飛機(jī)和真實(shí)飛機(jī)之間

各部件的尺寸滿足同一比例關(guān)系。動(dòng)力相似則通常要求模型飛機(jī)和真實(shí)飛機(jī)的雷諾數(shù)相等。雷諾數(shù)是一個(gè)用來(lái)衡量飛機(jī)慣性力和空氣黏性力之間相對(duì)關(guān)系的物理量，數(shù)值上等于空氣密度、氣流速度、飛機(jī)特征尺寸(如飛機(jī)兩個(gè)翼梢之間的距離)的乘積再除以空氣的黏度。

以“運(yùn)十”飛機(jī)為例，該飛機(jī)的氣動(dòng)布局和氣動(dòng)力數(shù)據(jù)測(cè)試從1974～1981年，歷時(shí)7年，先后在全國(guó)4個(gè)省、市的9個(gè)風(fēng)洞中進(jìn)行模型吹風(fēng)試驗(yàn)。共進(jìn)行了63項(xiàng)氣動(dòng)力試驗(yàn)，吹風(fēng)上萬(wàn)次，試驗(yàn)時(shí)間1353小時(shí)。共制作吹風(fēng)模型40套，試驗(yàn)對(duì)比了18種形態(tài)的機(jī)翼、3種平尾、4種垂尾、6種發(fā)動(dòng)機(jī)位置和42種襟翼的組合方案，最終通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果，權(quán)衡利弊，選擇了一種組合后的優(yōu)化方案。

系統(tǒng)模擬試驗(yàn)

現(xiàn)代飛機(jī)通常都具有操縱、液壓、燃油和電網(wǎng)路等系統(tǒng)。操縱系統(tǒng)是飛行員通過(guò)連桿／鋼索的機(jī)械信號(hào)，或者電路上的電子信號(hào)來(lái)控制飛機(jī)舵面偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的仰俯、側(cè)身、方向、加速／減速等操作的裝置。其中，通過(guò)機(jī)械信號(hào)操作控制飛機(jī)的操縱系統(tǒng)叫做機(jī)械操縱系統(tǒng)；通過(guò)電信號(hào)操作控制飛機(jī)的被稱作電傳操縱系統(tǒng)。

現(xiàn)在，機(jī)械操縱系統(tǒng)的現(xiàn)代飛機(jī)上大都需要配有相應(yīng)的液壓系統(tǒng)。通過(guò)液壓系統(tǒng)，飛行員在連桿／鋼索上施加的力、位移信號(hào)可以被放大，這樣可大大節(jié)省飛行員的體力。

燃油系統(tǒng)是用來(lái)保障飛機(jī)在各種情況下都能夠正常給發(fā)動(dòng)機(jī)供油的成套裝置。

電網(wǎng)路則包括飛機(jī)上的照明、雷達(dá)導(dǎo)航、電子儀表、電子設(shè)備、電傳系統(tǒng)等供電線路。

為了制定和驗(yàn)證上述各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，保證系統(tǒng)功能正常、性能可靠和飛機(jī)的飛行安全，飛機(jī)總裝前會(huì)先開展相應(yīng)的全尺寸的操縱、液壓、燃油和電網(wǎng)路等系統(tǒng)的地面模擬試驗(yàn)。模擬試驗(yàn)包括系統(tǒng)功能試驗(yàn)和系統(tǒng)品質(zhì)試驗(yàn)等。通過(guò)這些試驗(yàn)，既可保證各系統(tǒng)能夠完成相應(yīng)的功能，又可保證功能完成的質(zhì)量與可靠性。

飛機(jī)操縱、液壓系統(tǒng)模擬試驗(yàn)通常在一個(gè)被稱為“鐵鳥”的試驗(yàn)架上完成，即在碩大的試驗(yàn)廠房?jī)?nèi)建起一臺(tái)全尺寸試驗(yàn)臺(tái)架，然后將真實(shí)飛機(jī)的操縱和液壓系統(tǒng)部件安裝其上。“鐵鳥”試驗(yàn)臺(tái)架建成后，工作人員就可以在其上反復(fù)模擬真實(shí)飛機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，積累寶貴的數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)，驗(yàn)證操縱、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性，并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)。

以我國(guó)“運(yùn)十”飛機(jī)為例，該飛機(jī)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)前后共歷時(shí)11年，其中，操縱與液壓系統(tǒng)共用1個(gè)試驗(yàn)廠房，面積達(dá)3052平方米；燃油試驗(yàn)廠房，面積為1138平方米；電網(wǎng)路試驗(yàn)廠房面積為1095平方米。

強(qiáng)度與鳳擋鳥撞試驗(yàn)

強(qiáng)度試驗(yàn)

為了保證結(jié)構(gòu)使用過(guò)程中不發(fā)生破壞，飛機(jī)首飛前必須開展大量的靜強(qiáng)度試驗(yàn)和疲勞強(qiáng)度(疲勞破壞)試驗(yàn)。靜強(qiáng)度試驗(yàn)通常是為了評(píng)估飛機(jī)結(jié)構(gòu)承受靜載荷的能力；一般來(lái)說(shuō)，靜強(qiáng)度的破壞載荷應(yīng)高于使用載荷數(shù)倍，目的是為了保障所設(shè)計(jì)飛機(jī)具有足夠的強(qiáng)度余量。疲勞破壞是指結(jié)構(gòu)在交交載荷作用下的一種破壞現(xiàn)象，這種載荷本身可能很小，不至于對(duì)結(jié)構(gòu)造成一次性破壞，但在連續(xù)不斷的反復(fù)作用下，結(jié)構(gòu)的薄弱部位可能產(chǎn)生疲勞裂紋，進(jìn)而裂紋在不知不覺(jué)中擴(kuò)展，最終使得結(jié)構(gòu)突然斷裂。疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)的目的通常是為了確定飛機(jī)結(jié)構(gòu)在交變載荷作用下的壽命。根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象的不同，上述強(qiáng)度試驗(yàn)又可分為材料性能試驗(yàn)、部件試驗(yàn)和全機(jī)試驗(yàn)。

在現(xiàn)代飛機(jī)的總方案中，第一架制造的飛機(jī)通常被用作靜強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)。全機(jī)靜強(qiáng)度試驗(yàn)的目的是為了觀察和研究飛行器結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在靜載荷作用下的強(qiáng)度破壞能力、變形以及應(yīng)力分布情況。第二架制造的飛機(jī)則通常被用作金機(jī)疲勞破壞試驗(yàn)。金機(jī)疲勞破壞試驗(yàn)和全機(jī)靜強(qiáng)度試驗(yàn)非常類似，所不同的是全機(jī)疲勞破壞試驗(yàn)中給飛機(jī)施加的是模擬飛機(jī)實(shí)際使用中的交變載荷。這種交變載荷可在已有的同類飛機(jī)實(shí)際飛行中實(shí)測(cè)獲得，或通過(guò)相關(guān)軍標(biāo)／航標(biāo)中同類飛機(jī)的疲勞載荷圖表查得。

風(fēng)擋鳥撞試驗(yàn)

盡管飛鳥的飛行速度很低，

但高速飛行的飛機(jī)和飛鳥瞬間碰撞所產(chǎn)生的巨大動(dòng)量足以破壞飛機(jī)的結(jié)構(gòu)，甚至發(fā)生機(jī)毀人亡的重大事故。今年1月15日，金美航空公司一架空客A320客機(jī)即因飛鳥撞擊導(dǎo)致引擎故障，墜入紐約哈德遜河中。

除發(fā)動(dòng)機(jī)外，座艙前方的風(fēng)擋也是最容易發(fā)生鳥撞并引發(fā)飛行事故的飛機(jī)部位之一。

為了使得鳥撞發(fā)生后，風(fēng)擋玻璃不至于產(chǎn)生粉碎性破裂，現(xiàn)代飛機(jī)的風(fēng)擋通常設(shè)計(jì)成多層的鋼化和有機(jī)玻璃結(jié)構(gòu)。鳥撞試驗(yàn)時(shí)，要將多層有機(jī)玻璃板面固定至試驗(yàn)臺(tái)的一端；然后將宰殺后的家禽用網(wǎng)兜套住做成“鳥彈”，填入空氣炮中；接著，從試驗(yàn)臺(tái)的另一端將“鳥彈”轟擊至多層的有機(jī)玻璃板面；最后通過(guò)高速攝影或高速攝像拍攝鳥體和風(fēng)擋玻璃的變形過(guò)程。風(fēng)擋鳥撞試驗(yàn)不僅可以用來(lái)研究風(fēng)擋材料本身的鳥撞力學(xué)性能，為風(fēng)擋的設(shè)計(jì)提供材料性能數(shù)據(jù)，而且還能有效驗(yàn)證特定飛機(jī)風(fēng)擋防鳥撞設(shè)計(jì)的安全性和合理性。

試飛試驗(yàn)

飛機(jī)的氣動(dòng)性能、系統(tǒng)可靠性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，通過(guò)相應(yīng)的氣動(dòng)特性試驗(yàn)、系統(tǒng)模擬試驗(yàn)、靜強(qiáng)度與疲勞試驗(yàn)論證后，便可以進(jìn)入試飛階段。一般來(lái)說(shuō)，新研制的飛機(jī)性能、品質(zhì)如何，人們心里并沒(méi)有十分的把握，因此，飛機(jī)的，首飛顯得極其重要，常需要經(jīng)驗(yàn)豐富的王牌試飛員來(lái)完成。首飛成功了，不管是對(duì)設(shè)計(jì)師、還是對(duì)投資者來(lái)說(shuō)，都是一件令人鼓舞的大事。不過(guò)，一旦失敗，設(shè)計(jì)部門的信心將會(huì)受到重挫。

在定型并批量生產(chǎn)之前，新型飛機(jī)除了首飛以外，還要按照試飛大綱完成若干小時(shí)、不同科目的飛行。完成不同科目的飛行是為了驗(yàn)證飛機(jī)的各項(xiàng)性能是否達(dá)到先前制定的性能要求；完成若干小時(shí)的飛行則是為了在飛行中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，為飛機(jī)的再次改進(jìn)提供依據(jù)，同時(shí)評(píng)估該飛機(jī)的飛行品質(zhì)與可靠性。

冰風(fēng)洞試驗(yàn)

結(jié)冰風(fēng)洞是一種性能復(fù)雜的大型特種風(fēng)洞，結(jié)冰風(fēng)洞是研究飛機(jī)在結(jié)冰氣象條件下飛行時(shí)，不同部件迎風(fēng)表面和探測(cè)儀器的機(jī)外傳感部分的結(jié)冰形態(tài)、結(jié)冰容限及其防(除)冰技術(shù)的地面試驗(yàn)設(shè)備。結(jié)冰風(fēng)洞和普通風(fēng)洞的試驗(yàn)原理相同，區(qū)別僅在于結(jié)冰風(fēng)洞中為極度濕冷的環(huán)境。實(shí)踐表明，飛機(jī)結(jié)冰是飛機(jī)安全飛行的致命弱點(diǎn)之一，在世界軍、民用飛機(jī)失事案例中占60％以上。

在飛機(jī)設(shè)計(jì)階段，通過(guò)結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)，可取得防(除)冰設(shè)計(jì)所必需的數(shù)據(jù)，即通過(guò)確定飛機(jī)各部件結(jié)冰形態(tài)的試驗(yàn)，確定結(jié)冰的冰形及其結(jié)冰區(qū)、結(jié)冰量和結(jié)冰速率，從而確定結(jié)冰容限及必須防冰的表面，為飛機(jī)防(除)冰提供安全設(shè)計(jì)的依據(jù)。

總而言之，結(jié)冰風(fēng)洞是為保證飛機(jī)在、結(jié)冰氣象條件下飛行安全、擴(kuò)大現(xiàn)代軍用飛機(jī)在惡劣氣象條件下執(zhí)行任務(wù)的能力，同時(shí)保障民用或通用飛機(jī)完成結(jié)冰適航合格審定、為適航取證提供依據(jù)性文件的基本試驗(yàn)裝置，是新機(jī)研制、特別是大型運(yùn)輸機(jī)等研制必不可少的重要地面試驗(yàn)設(shè)備，所以這方面研究已愈來(lái)愈得到各國(guó)的廣泛重視。

雷達(dá)罩防雷擊與透波試驗(yàn)

由于大多數(shù)現(xiàn)代飛機(jī)機(jī)殼都是導(dǎo)電的(對(duì)于機(jī)身為復(fù)合材料的飛機(jī)，機(jī)身表面通常會(huì)涂一層導(dǎo)電的防靜電漆)，因此當(dāng)飛機(jī)遭雷擊時(shí)，電流會(huì)經(jīng)由機(jī)殼流過(guò)，并由機(jī)身或機(jī)翼伸出的避雷針?lè)烹姡⒉粫?huì)進(jìn)入導(dǎo)體內(nèi)部傷害到里面的乘客或設(shè)備。盡管如此，若將位于機(jī)頭或翼梢等部位的保護(hù)機(jī)載雷達(dá)罩也做成導(dǎo)電的，那么這些導(dǎo)體對(duì)電磁波的屏蔽作用將會(huì)使得雷達(dá)罩內(nèi)部的雷達(dá)和飛機(jī)外部無(wú)法進(jìn)行無(wú)線電聯(lián)絡(luò)，因此，現(xiàn)代飛機(jī)的雷達(dá)罩大多采用玻璃纖維、石英纖維等絕緣體復(fù)合材料制成。需要說(shuō)明的是，機(jī)頭、翼梢等安裝雷達(dá)罩的突出部位通常又是最容易招惹雷電“修理”的地方。這些部位的電荷積累過(guò)多的話，雷電就可能擊穿雷達(dá)罩，甚至損害到罩內(nèi)的雷達(dá)設(shè)備。

雷達(dá)罩既要能夠及時(shí)地將靜電傳導(dǎo)走，又要不至于影響到電磁波的穿透，因此，現(xiàn)代飛機(jī)的雷達(dá)罩上都噴有一層弱導(dǎo)電性的防靜電漆，同時(shí)，表面上安裝有相應(yīng)的金屬防雷擊條。雷達(dá)罩“既要導(dǎo)電，又不能太導(dǎo)電”，這是一對(duì)矛盾，這種矛盾的權(quán)衡要靠相應(yīng)的雷擊試驗(yàn)與透波試驗(yàn)來(lái)保證。

雷達(dá)罩防雷擊試驗(yàn)的過(guò)程大致如下：首先將碗狀的雷達(dá)罩扣在導(dǎo)電的地面上，然后，在雷達(dá)罩上方實(shí)施人工造電，模擬雷達(dá)罩的雷擊過(guò)程，“人造電”的電壓和脈沖波形可參考實(shí)際的閃電過(guò)程進(jìn)行控制，雷達(dá)罩表面金屬防雷擊條上的電流可實(shí)測(cè)獲得。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，即可評(píng)定所設(shè)計(jì)雷達(dá)罩的防雷擊性能。

雷達(dá)罩透波試驗(yàn)的過(guò)程大致如下：首先在雷達(dá)罩內(nèi)部通過(guò)射頻天線發(fā)射電磁波，電磁波穿過(guò)雷達(dá)罩，輻射至雷達(dá)罩外部；然后測(cè)出雷達(dá)罩外部電磁波的強(qiáng)度，并與發(fā)射波強(qiáng)度進(jìn)行比較，即可得到雷達(dá)罩的透波率。

值得一提的是，雷達(dá)罩透波試驗(yàn)必須在一種被稱做“微波暗室”的試驗(yàn)環(huán)境中完成。暗室周圍的墻壁上都安裝有吸波材料，可完全吸收入射的電磁波，其目的是為了防止室內(nèi)電磁波的往復(fù)反射。(文章代碼：0409)

[責(zé)任編輯]趙菲