張啟鵬 劉超強(qiáng) 劉慶靈

民機(jī)主制造商研制一款新飛機(jī)，肯定要采用一些新概念、新技術(shù)、新方法等，為規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，一般會(huì)用已有成熟機(jī)型改裝一個(gè)空中試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)相關(guān)的新概念、新技術(shù)、新方法進(jìn)行研究、驗(yàn)證。在民機(jī)試飛領(lǐng)域，這樣的試飛技術(shù)，簡稱為“他機(jī)驗(yàn)證試飛技術(shù)”。

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

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、航空電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代飛機(jī)復(fù)雜程度日益增加，他機(jī)驗(yàn)證試飛技術(shù)從單純用于飛機(jī)飛行品質(zhì)領(lǐng)域的研究迅速擴(kuò)展到飛行動(dòng)力學(xué)特性、發(fā)動(dòng)機(jī)、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(jī)驗(yàn)證的研究。

氣動(dòng)力他機(jī)驗(yàn)證

空氣動(dòng)力學(xué)的驗(yàn)證手段有CFD、風(fēng)洞試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)。氣動(dòng)力他機(jī)驗(yàn)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(shí)的環(huán)境下驗(yàn)證飛機(jī)關(guān)鍵氣動(dòng)數(shù)據(jù)和關(guān)鍵氣動(dòng)技術(shù)，從國內(nèi)外航空發(fā)展歷史可以看出，新機(jī)的氣動(dòng)力驗(yàn)證越充分，研制風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)越小。

世界上航空技術(shù)強(qiáng)國無一不對(duì)氣動(dòng)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(jī)對(duì)超音速飛行的機(jī)理和適合超音速飛機(jī)的氣動(dòng)布局進(jìn)行了系統(tǒng)的探索。除X系列飛機(jī)外，美國還應(yīng)用737-100改裝的飛行實(shí)驗(yàn)室等對(duì)民機(jī)的氣動(dòng)特性和飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究。

與美國相似，俄羅斯也非常重視氣動(dòng)力特性的飛行試驗(yàn)研究。他們?cè)诂F(xiàn)有飛機(jī)上安裝各種系統(tǒng)，例如米格-21層流翼型驗(yàn)證，100L系列飛機(jī)的分離脫體渦流特性研究，Bor系列飛機(jī)的氣動(dòng)力、熱動(dòng)力驗(yàn)證等，對(duì)氣流繞過不同物體的流動(dòng)特性和影響氣流流動(dòng)的不同方法進(jìn)行研究。

發(fā)動(dòng)機(jī)他機(jī)驗(yàn)證

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟，在取證前必須經(jīng)過嚴(yán)格驗(yàn)證。一般而言，發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)包含地面試車臺(tái)試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)。前者是在靜態(tài)條件下的試驗(yàn)，雖然現(xiàn)在的設(shè)備可以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的大部分狀態(tài)，但是發(fā)動(dòng)機(jī)最后能否成功運(yùn)行，依然要在真實(shí)的飛行條件下測試過才行，這時(shí)就需利用飛行試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)他機(jī)驗(yàn)證。發(fā)動(dòng)機(jī)他機(jī)驗(yàn)證能夠在整個(gè)飛行包線內(nèi)以較低的代價(jià)獲取精確可重復(fù)的高空數(shù)據(jù)，很好地評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能。

傳統(tǒng)航空強(qiáng)國俄羅斯的發(fā)動(dòng)機(jī)他機(jī)試飛能力非常強(qiáng)，僅俄羅斯飛行試驗(yàn)研究院就有伊爾-76、圖-134、安-24等十多架發(fā)動(dòng)機(jī)飛行試驗(yàn)臺(tái)，據(jù)統(tǒng)計(jì)已有80多種型號(hào)在這些飛行試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了試驗(yàn)。其中伊爾-76飛行試驗(yàn)臺(tái)主要進(jìn)行大功率渦扇/槳扇民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行試驗(yàn);安-24飛行試驗(yàn)臺(tái)主要試驗(yàn)輔助動(dòng)力裝置，幾乎所有輔助動(dòng)力裝置均是在此飛行試驗(yàn)臺(tái)上試驗(yàn)的;圖-134飛行試驗(yàn)臺(tái)主要試驗(yàn)小型發(fā)動(dòng)機(jī)，重點(diǎn)測試熱輻射部位。

美國GE公司的波音747-121飛行試驗(yàn)臺(tái)測試過11種發(fā)動(dòng)機(jī)共39種型號(hào)，包括GE90、GEnx、CF34、CFM56、LEAP和GP7200。霍尼韋爾公司選擇波音757飛機(jī)改裝成發(fā)動(dòng)機(jī)飛行試驗(yàn)臺(tái)，驗(yàn)證過HTF7000、HTF7250、HTF7500E發(fā)動(dòng)機(jī)。波音747所用的普惠公司的JT9D發(fā)動(dòng)機(jī)的研制使用了B-52飛行試驗(yàn)臺(tái)。波音727型飛機(jī)的JT8D發(fā)動(dòng)機(jī)則使用了波音707飛行試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行飛行試驗(yàn)，787所使用的發(fā)動(dòng)機(jī)（GE公司的GEnx）在波音747-200飛行試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行他機(jī)試飛。英國羅羅公司采購波音747-400客機(jī)，將其改裝成一個(gè)用來評(píng)估羅羅公司新發(fā)動(dòng)機(jī)及相關(guān)技術(shù)的飛行試驗(yàn)平臺(tái)。

飛控系統(tǒng)他機(jī)驗(yàn)證

新研飛控系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的長周期過程，全過程伴隨著桌面仿真試驗(yàn)、鐵鳥臺(tái)試驗(yàn)、模擬器試驗(yàn)、機(jī)上地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)人員通常都要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的軟硬件還需重復(fù)上述試驗(yàn)，才能達(dá)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(yàn)，新研飛控系統(tǒng)在經(jīng)過試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證后，可以提前暴露問題，讓飛行員感受操縱特性，以達(dá)到縮短研制周期、降低試飛風(fēng)險(xiǎn)的目的。

美國對(duì)電傳操縱的研究是最早、最廣泛和最深入的。20世紀(jì)60年代，為了提高數(shù)字計(jì)算機(jī)可靠性，美國空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室選擇A-7作為驗(yàn)證平臺(tái)研究數(shù)字電傳操縱系統(tǒng)。20世紀(jì)60年代中期，AFFDL選用B-52飛機(jī)作為試驗(yàn)機(jī)，主要是想減輕突風(fēng)和大氣湍流引起的結(jié)構(gòu)載荷，從而減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量和疲勞載荷。到了20世紀(jì)70年代，NASA改裝了一架F-8作為FBW試驗(yàn)機(jī)，開展了近15年關(guān)于電傳飛控系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證研究。而波音公司利用7J7驗(yàn)證777、利用777驗(yàn)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(jìn)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(jī)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(shí)，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(yàn)機(jī)作為通用的驗(yàn)證平臺(tái)，還支持研究了幻影2000、幻影4000和3NG飛機(jī)的數(shù)/模混合飛行控制系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代中期，法國研制的ACX驗(yàn)證機(jī)是法國第一架全數(shù)字、全權(quán)、全時(shí)的電傳飛控飛機(jī)。在空客的產(chǎn)品系列中，A340的驗(yàn)證機(jī)是A319，A380的驗(yàn)證機(jī)是A340。這些驗(yàn)證機(jī)主要是利用通用的大型數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)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(jī)重心，針對(duì)不同的重心，試飛工程師和飛控工程師利用通用計(jì)算機(jī)調(diào)整和驗(yàn)證飛控系統(tǒng)和控制律。

控制律他機(jī)驗(yàn)證

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

NT-33A變穩(wěn)機(jī)是美國俄亥俄空軍基地懷特試驗(yàn)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(jī)演示驗(yàn)證的多用途變穩(wěn)飛機(jī)，也是有史以來世界上應(yīng)用最廣泛、使用時(shí)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(jī)界面技術(shù)、現(xiàn)代飛機(jī)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(jī)等都通過NT-33A進(jìn)行過空中試驗(yàn)驗(yàn)證。

Learjet-24變穩(wěn)機(jī)是由美國卡爾斯潘（Calspan）公司利用Learjet-24飛機(jī)改裝而成的，主要用于新機(jī)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(jī)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(jī)于20世紀(jì)80年代末90年代初開始論證，最終的設(shè)計(jì)目標(biāo)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(yàn)研究院在BW-1變穩(wěn)飛機(jī)的基礎(chǔ)上，為支持新機(jī)研制、新機(jī)試飛技術(shù)研究、飛行動(dòng)力學(xué)特性研究、飛控技術(shù)及系統(tǒng)研究、人機(jī)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(jī)驗(yàn)證

機(jī)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(jī)載系統(tǒng)的研發(fā)成果只有通過大量的試飛驗(yàn)證，才能夠真正保證其有效性和實(shí)用性，更加及時(shí)地發(fā)現(xiàn)和解決機(jī)載系統(tǒng)在飛行條件下可能出現(xiàn)的許多問題，提高機(jī)載系統(tǒng)的技術(shù)成熟度和可靠性，更好地滿足飛機(jī)的配套要求。

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

得益于F22的成功試驗(yàn)，波音公司又把此方法用于JSF飛機(jī)，而JSF的另一競爭對(duì)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(shí)驗(yàn)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(yàn)臺(tái)（Cooperative Avionics Test Bed）兩架JSF航空電子飛行試驗(yàn)臺(tái)。

綜上所述，他機(jī)驗(yàn)證試飛技術(shù)涵蓋氣動(dòng)力、發(fā)動(dòng)機(jī)、飛控系統(tǒng)、控制律和機(jī)載系統(tǒng)他機(jī)驗(yàn)證，他機(jī)驗(yàn)證試飛技術(shù)對(duì)于航空理論、新研機(jī)載系統(tǒng)、新技術(shù)方法等的研究與驗(yàn)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(jī)領(lǐng)先驗(yàn)證等。但需要指出的是，上述試驗(yàn)平臺(tái)都是由已取得適航許可的飛機(jī)改裝而成，在改裝后，試驗(yàn)平臺(tái)的氣動(dòng)外形和結(jié)構(gòu)都經(jīng)過了重大改變。因此，這類飛機(jī)也必須經(jīng)過適航審查，但又不能完全按照適航標(biāo)準(zhǔn)取證，對(duì)于這類試驗(yàn)平臺(tái)的適航和安全標(biāo)準(zhǔn)的制定及其貫徹是對(duì)試飛工作者和試飛管理機(jī)構(gòu)的新挑戰(zhàn)。