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三轴变稳机对中国航空领域有多重大的意义?

发布时间:2019-08-27 19:02 来源:未知 编辑:admin

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  IFSTA(Integrated Flight Test Simulate Aircraft),即“综合飞行测试模拟飞机”的意思,又称多轴变稳机。由K8教练机改装而来,该改型可模拟复杂的飞行状态,代号K-8V,具有了高级教练机的一些特性。K-8V能模拟多种战机空中飞行的特性,甚至在下一代战机没有研制出来之前,将图纸上的设计参数输入到其模拟设备中,即可进行模拟飞行,从而达到验证、评估、优化和训练的目的。目前该设备可装入8套参数,模拟8种飞机的特性。研制K-8V时,洪都集团曾寻求与美国卡尔斯班公司等西方集团合作,但西方公司一方面受官方限制不可向中国输出先进航空技术,另一方面要价太高。美国国家试验学校曾表示愿意合作,但仅仅限于训练方面。洪都最终主要依靠自身力量,完成了K-8V的研制。根据洪都设计人员后来与英国宇航公司的交流,发现虽然双方从未在多轴变稳领域合作,但走的路子相同,甚至使用的软件都几乎一样。与歼-6改进的BW-1单轴变稳机相比,K-8V采用了二余度、机械保障电传飞行控制系统,在三个轴向上实现了变稳,是具有实用意义的变稳试验机型。未来K-8V将发展为五个轴向变稳,加装光纤传输飞行控制系统,并实现发动机数字全权限控制。

  IFSTA空中飞行模拟试验机具体由由中国飞行试验研究院总负责,中国航空附件研究所、航空计算技术研究所和南昌飞机公司等单位参加。空中飞行模拟试验机又称变稳飞机,其特点是可以通过特殊的自动控制系统来改变系统或飞机的稳定性,从而模拟其他飞机特性,甚至可以在空中模拟刚刚完成设计的飞机的飞行特性。该试验机于1991年底开始研制,1997年6月首飞成功,1998年9月完成验收试飞投入应用研究。

  IFSTA研制的最终目标是实现一架具有五自由度(三轴转动特性、升力特性和推/阻力特性)变稳能力并配有可变人感特性、可编程多功能显示系统、完善的机载测试系统的空中飞行模拟试验机,它可满足除直升机外大部分军用、民用飞机的有关技术验证和空中模拟使用要求。由于新型号研制的迫切需求及经费原因,IFSTA试验机在工程实施上采用分两步走的方案,即第一步首先完成三自由度(三个旋转轴)的变稳控制,随后再增加直接升力和推力/阻力自动控制,从而提供完善的姿态和轨迹响应的模拟。该试验机主要应用于:·飞行动力学、飞行品质研究;·飞行控制新技术、新方案的研究验证;·飞行试验研究,如新机/新系统试飞方法、参数识别方法、评价方法研究等;·新机空中飞行模拟试验评价及首飞飞行员的培训;·人机界面,特别是人机回路对飞行品质影响的研究;·地面模拟器校核及地面模拟-飞行试验相关性研究;·试飞员培训。

  IFSTA采用了南昌飞机公司研制的K8喷气教练机作为原型机,前驾驶舱改为试验评定驾驶员舱,前舱驾驶员在电传系统工作时控制飞机、完成试验评定任务;后舱作为安全/教员驾驶舱,保留了原机全套操纵系统及飞行仪表系统,在变稳系统不接通(即断开)状态下,安全驾驶员可利用原机的机械操纵系统控制飞机,安全/教员驾驶员控制着飞机/系统的工作模态(状态)及试验参数的选择;变稳系统的控制舵机通过离合器与原机机械操纵系统并联,在变稳系统工作时离合器合上,由前舱飞行员通过变稳系统控制飞机,当变稳系统故障或正常断开时,飞机即可由后舱飞行员控制。

  加装的系统包括:·变稳系统:采用数字式双余度可编程电传飞控系统,可全时、全权限工作;系统可预装八组系统/飞机参数或模型;配有标准航空电子总线接口、地面试验专用接口和飞行试验测试接口;系统具有良好的用户开发界面;采用BIT检测及完善的安全保证措施;可选择在系统故障或飞机响应越限时人工/自动方式切除变稳电传系统。·可编程多功能显示系统:数字式、计算机成像;可模拟对目标的跟踪及攻击;研究开发各种显示格式(平显、下显);可完成空中进场着陆、着舰等虚拟任务的模拟显示。·自动配平系统:变稳电传系统工作后自动将升降舵稳态铰链力矩限制在±8牛·米(相当于杆力±2千克力)内。·机载测试系统:可记录飞机、各系统、飞行员语音参数等,具有遥测发射能力。·可变人感系统:可满足军用、民用飞机操纵力特性模拟;提供力/位移四余度指令;提供二自由度侧杆控制指令,中央、侧杆可随时转换。飞机/系统经改装的有:电源系统、液压系统、操纵系统、仪表系统、导航系统、飞机结构、照明系统和起落架等。

  IFSTA投入使用后已完成多种型号模拟和专题验证研究,如某新机首席试飞员小组培训,PIO(驾驶员诱发振荡)研究,某新机飞控系统控制律验证和品质评价,某型导弹地形识别系统验证试飞,新型飞机颤振激励系统(FES)验证试飞和大量试飞员培训教学试飞,等等。此外,该试验机研制成功后还多次与国外试飞员学校、试飞研究单位、空军和相关研究机构等就试飞员培训、变稳机设计及应用技术等进行了广泛交流并得到高度评价。

  1998年,我国自行研制的使用电传飞向那个控制系统的新型歼击机首飞小组,在K-8V变稳机进行了电传飞控飞行特性训练和飞行品质评价演示。经培训和演示的试飞员评价:模拟新型歼击机的进场着陆较真实,尤其是人感系统和飞机姿态角响应逼真;纵向、横向逼真,航向阻尼略感大;空中不同参数变化时飞行员能明显体会到飞行品质的变化,是一种很好的教学训练手段;可用于该新型歼击机的试飞员培训和其它电传飞机的试飞员培训。

  应指出的是,K-8V研制的目的,就是为了适应学习掌握下一代歼击机的需要,也就是直接为歼-10和歼-11服务。

  2004年9月,西安北方光电公司中标“K-8飞机加装平显多功能显示系统”。该项目由中国航空技术进出口总公司与洪都航空工业集团有限公司组织招标。K-8飞机上配装的平显多功能显示系统主要由平视显示器、上前方控制面板、显示控制任务机、多功能显示器(前舱一台、后舱两台)、视频摄录系统以及数据加载卡组成。系统的后舱多功能显示器上设置有平视显示器实时的视频摄录画面,后舱仪表板上设置有控制优先权开关,方便教官对学员的操作监督。K-8航电升级型飞机在导航方式上采用了余度设计。主导航方式为以GPS作为导航源的各种卫星导航方式,辅助导航源分别有罗盘和塔康,确保了导航的可靠性。升级后的航电系统,人机操作界面更为直观、友好,减轻了飞行员的负担,并且在设计理念上紧跟世界上先进的战斗机,可以提高训练质量,学员在K-8飞机上完成训练后可以更好地适应先进战斗机飞行。在K-8上加装平显多功能显示系统后,可大大提升飞机的总体性能,有利于延长该机型的生命周期。该系统是一套较为复杂的机载综合航电火控及显示设备,能够令使用K-8的教学人员更好的完成针对三代战斗机的训练任务。

  5月20日中午12时,西安阎良试飞院机场一片忙碌。在飞的几架飞机中,有一架是特级试飞员李中华用K-8V多轴变稳机带飞空军第四试飞大队试飞员梁建峰,进行变稳飞机类比在研新机「驾驶员诱发震荡敏感等级」科目的试验。

  12时22分,梁建峰在空中第三次正常进入新机状态时操纵失灵,飞机突然向右侧剧烈偏转,机头向右上方仰起后向下滚转,瞬间由大侧滑进入「倒扣、下降」状态,猛地向地面扑去,而且还伴有机头的左右大幅度摆动。

  「不好!飞机随时可能进入‘尾旋’!」李中华意识到自己遇上了极少见的重大险情。此时飞机距地面仅有400米高度,再过几秒钟就可能坠毁。梁建峰下意识地喊道:「啊!飞机不行了!」在这万分危急时刻,李中华处变不惊,头脑十分清醒,考虑到梁建峰对飞机不熟悉,他一边大喊「你不要动,让我来!」一边立即放下起落架,又迅速采取应急处置。在按正常处置切断变稳系统没有得到任何回应后,他马上转换思路,左右手齐动,先后关闭了变稳机控制系统电源、变稳计算机源、变稳显示系统电源以及总电源,终于使飞机恢复了手动操纵。此时,飞机距地面只有200米了!从发现故障到立即采取对策到完全操控飞机,李中华仅仅用了6秒钟。

  在机上电源完全消失、各种仪表全部无显示的情况下,李中华以高超的飞行技艺将飞机带回地面。现场的试飞专家、试飞院高级顾问张克荣激动地说:「这次险情发生得突然,危险性极大,如果不是李中华技术过硬、心理素质过硬,进行了及时、正确、有效的处置,是肯定要摔飞机的。李中华保住的不仅仅是一架经济价值极高的变稳飞机,更是保住了数十年来科研人员智能和心血的结晶。」

  这架发生险情并由试飞员安全带回地面的K-8V多轴变稳机又叫空中类比飞行试验机,是试飞院自主研制的、我国目前惟一的一架国产第二代变稳飞机。具有三自由度(俯仰、滚转、偏航)变稳能力,可实现对正在研制的新型飞机系统的评价;可进行航空专项课题的预先研究;也可对飞行员、试飞员进行最新型飞机的培训。目前,世界上只有美、英、法、俄和我国在内的5个国家具有这种变稳飞机。

  中国飞行试验研究院科技部部长吕杰日前接受记者专访,详细剖析了K-8V多轴变稳机的奥秘。下面是访谈内容。

  吕杰(以下简称吕):一个国家航空实力的强弱既和飞机装备性能有关,又和飞行员训练水平有关,教练机的装备水平直接决定未来飞行员的素质。初级教练机因为技术要求难度低,像我国的初教6基本能满足训练要求。高级训练机就不一样了,像歼教6、歼教7以及后来研制的K-8要训练出适应我国第三代新型战机的飞行员已显得力不从心,基于这种情况,我们想能不能研制一种高级教练机,让它具有可以类比多种战机空中飞行的能力,甚至在下一代战机没有研制出来之前,将图纸上的设计参数输入到新教练机中,进行类比飞行,让飞行员来评价。来发现下一代战机存在的问题,从而进一步优化设计方案。后来经过设计、生产、试验,产生了K-8V多轴变稳机,实现了我们的预期目的。

  记:K-8V多轴变稳机在K-8的基础上作了哪里些重要改进?改进后它是如何进行空中类比飞行的?

  吕: K-8V多轴变稳机实际上是一种实用型多功能空中类比平台,它只沿用了原K-8教练机的机体框架和基本系统,如液压系统等,把原来的机械飞行操纵系统包括仪表显示系统筹全部去掉,换成一套复杂的数码式飞行控制系统和可编程的数码式电子显示系统。其中应用了计算机技术、仿真技术、飞行控制技术和显示控制技术等。K-8V可同时装定8组参数,即8种不同飞机的模型,如 F- 16、歼一8、「幻影」2000、苏一27等都可以装进去,比如选择苏一27的按键,那么飞机在整个控制系统的作用下就是苏一27的特性了,而并非K-8的特性。通过试飞结论来看,线飞机飞起来的回应,和 K-8V类比苏一27 飞行的回应,结果是非常相似的。飞咱们某新型飞机的飞行员评价说感觉非常相像。

  吕:先打个比方吧,有些运动员平常训练很出成绩,但一打比赛就表现不佳。这中间心理作用在作祟。在地面模拟器上,飞行员知道我反正在地面上飞,摔了危险也不大,没有紧张感,太平常、太放松,当真正的空中飞行时,飞机系统与人是耦合的,按照人机回原理他的反应就非常快,有很多功能在地面上显不出来,一到空中就出来了,在地面上训练总给人一种假的感觉,包括心理上假的感觉。所以要想真正发现系统中的问题,就必须把实验室搬到空中去。

  田:有,如美国的F—16出现过一次这样的事故:在做地面类比试验的过程中一切正常,用空中类比时试飞员发现飞机横向操纵太灵活,容易出问题,于是建议降低系统增益,而这个建议没被采纳。后来F-16到爱德华空军基地试验时,飞机横向摆动起来,越援幅度越大,飞行员赶快采取应急措施抑制PIO(有经验的飞行员先放松控制操纵杆,稳住飞机,高速滑行时稳稳地把杆拉住,把飞机提升起来),才使飞机化险为夷。国外大量试验表明:有些问题地面模拟器发现不了。

  记:是不是说多轴变稳飞机已经是全新设计的飞机了,完全脱胎换骨了?但为什么还采用K-8V这一代号,给人的感觉好象是K-8教练机的改进型?

  吕:这架飞机作为研究机、验证机,它的代号为IFSFA,英文 IN- FLIGHT SIMULATION TEST AIRCRAFT的缩写,即综合空中飞行类比试验机。目前国外采取基础、中级、高级教练机三级训练,然后是双座型通用战斗机训练,现在把中高级会成一体,就具有变稳功能了(如俄罗斯的雅克一 130),即可类比别的飞机性能。

  吕:这个技术我们曾经寻求与美国卡尔斯班公司等西方集团合作,当时人家根据傲,因为这种技术属于前沿技术中的前沿,是一种前期开发的、技术含量高、涉及专业范围广的技术。后来一位美国国家试验学校校长到我国提出愿意同我们合作,这时候也仅仅是训练。后来我们研制成功、有了一定的影响后,英国宇航公司(生产「鹰」式变稳飞机和美国的卡尔斯班等著名公司都想和我们交流,我们把解决问题的技术方案~五一十给他们讲了以后(因为别人已经研制成功,我们也就无所谓保密了),再反问他们,得到的答案跟我们的一模一样,包括所应用的软件都相差无几,后来双方的技术可以合到一条在线,是彼此相通的。可以说,变稳飞机从没有、到落后到现在基本上已和国外处于同一水平.都是我国广大科研工作者智能和攻关的结果。

  记:据悉在K-8研制之前,我国搞过一种代号为BW-l的变稳机,有关它的详细情况您能否谈一谈?

  吕: 1987年我国就搞出了第一架单轴数码式变稳飞机BW一工,这架飞机是我国首架采用计算机控制的飞机,即不再用机械操纵杆,而采用纯数码式电传操纵系统,后来BW-1变稳机获得了1990年国家科技进步一等奖。BW-l技术含量高,对后续飞机的意义非常大,相当于跨了一代。但这架飞机是单轴变稳机,只能实现纵向俯仰方向的电传操纵,其它方向上还是机械操纵。也就是说,这架飞机还是技术验证机,不能投入实用,许多真正的空中类比它还难以承担。所以,从 1991年开始我们以K-8为基础新研制了一种多轴变稳机,即现在的K-8V。

  记:未来K-8V能否类比一种先进战机(如F-15)的作战模式真正投入实战呢?

  吕:它不是真地用来打仗的。以前像双座战斗机70%的任务是基础训练任务,现代双座战斗机已不叫训练机了,像苏一27的双座发展型叫苏一30它实际是双座型战斗机,完全可以送行战斗任务。没有哪里个国家设计双座战斗机纯粹用于高级训练用的。因为双座机毕竟人员负荷小,战斗效率更高一些,把这些用于战斗的飞机用来做基础训练,会影响部队战斗力,而且训练成本非常高,所以现在大都采用空中模拟器,它可以在机上装上GPS,在显示器上类比对目标进行瞄准、攻击。这样就可以把真正的战机腾出来用于作战及执行其它任务。

  吕:现在主要为重点专案培养飞行员,前期的验证工作都在它上面做。任务很饱满。

  吕:现在它可以类比三个自由度,即可类比三个转动特性,以后想进一步把它的控制系统改为五个自由度再加上光学传输系统,包括目前机械控制的发动机也要完全改成电传控制的。总之现在还不完善,还要继续改进。

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