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第21章 主动控制技术(ACT)预研(4)

1989年4月和5月,上天件分别交付601所和沈飞公司进行地面和机上综合鉴定试验。其中一套在601所通用试验台架上进行系统综合试验、飞行模拟试验、软件验证与确认(V&;V)补充试验,另一套则改装到刚结束纵轴模拟系统试飞验证的歼80102架验证机上,进行系统的机上性能试验、结构模态耦合试验、试飞测试系统校准和与电传系统的交联试验,以及全机电磁兼容试验。在这一系列的鉴定考核试验中,除完善了端点飞行控制律外,还发现和排除了频率约为19赫[兹]的抖动,频率约为2赫[兹]的超声速状态极限环振荡,以及软件的若干缺陷和器件故障。此外,还发现了力驾驶杆的温漂和飞行员对力驾驶杆感到不太适应的问题,对此采取了相应的措施;排除了飞控计算机个别通道在运行中进入监控程序的问题,同时还对余度管理的个别算法进行了更改。经过7个多月紧张的地面“铁鸟”台架试验以及机上的试验调整和排故,系统通过了放飞评审,达到了可飞状态。

验证试飞分开环试飞和闭环试飞,而闭环试飞按飞机重心配置,又分为正常、中性和静不稳定3种构型。

数字式电传操纵系统开环试飞的目的是检查该系统在装机环境飞行状态下,工作的正确性和可靠性。开环试飞共飞行了11个起落,7小时45分。试飞内容包括:机械备份系统检查、纵向平衡曲线测定、操纵品质检查、机动飞行、电传系统机载环境温度考验等。开环试飞中出现的故障告警大部分是由于监控门限设置偏小而引起的虚警,故根据测试结果进行认真分析后,适当放大了监控门限。

在完成开环试飞并对试飞结果、系统和飞机的状态进行全面分析后,通过了闭环放飞评审,并开始了闭环试飞。闭环试飞共飞行了35个起落,其中正常重心飞了21个起落,中立重心构型飞了10个起落,静不稳定构型飞了4个起落,累计25小时2分。试飞内容包括:转换系统功能和转换瞬态检查、感觉试飞、协调性试飞、中性速度稳定性功能检查、迎角和过载限制功能检查、纵向操纵品质检查、电传操纵起飞与着陆、跟踪目标机以及机动飞行等。试飞中最大静不稳定度达-1.5%MAC。在飞行课目中编排了起飞、着陆、上升、下滑、平飞加减速、驾驶杆阶跃与脉冲、盘旋、S形机动、筋斗、半筋斗翻转等全套复杂特技动作。试飞任务是以空军第一试飞大队赵士兵大队长为主完成的,刘刚与鹿鸣东也参加了试飞。闭环验证试飞的飞行范围为:高度0~16千米;马赫数0~1.8;表速0~1200千米/时。

放宽静稳定度(RSS)构型试飞,至今还历历在目。RSS构型最初设计计算是按照机翼下挂两个副油箱,加满油,但不输油,从而使飞机重心后移,一旦遇到严重故障,可以抛掉副油箱,使重心前移。具体实施时,机组认为装水比装油安全,但考虑到空中温度低,水可能结冰,于是,又改用了防冻液。在这种后重心状态下,飞机前轮载荷变小而主轮载荷增大,飞机机头抬起了一个角度,当赵士兵大队长驾驶高昂着机头的飞机滑跑起飞时,一股夹杂着担心与自豪的心情油然而生。直到飞机落地,大家兴高采烈,李明心中的一块石头终于落地了。

闭环试飞结果表明:数字式电传操纵系统具有良好的控制增稳能力,操纵灵活,杆力轻便,易于控制;主要飞行品质达到了Ⅰ级要求,相对于原歼8飞机,操纵品质有明显改善;使用电传起飞和着陆易于掌握、杆力轻、杆位移小、跟随性好、姿态稳定;过载限制实现了设计要求(过载7);迎角限制功能正确实现,在粗暴操纵下也不会超过安全值(25度);实现了自动配平功能,平飞加、减速飞行,杆的最大修正量仅为3~4毫米;中性速度稳定性状态,单位过载的杆力在飞行包线内基本为一常值(-1.6千克力/单位过载);对于放宽静稳定性的中立构型和不稳定构型,具有很好的控制能力,飞机的动态响应平稳,机动操纵符合正常操纵习惯。

歼8ACT验证机纵轴四余度数字式电传操纵系统研制与试飞验证的成功是我国飞行控制技术的重大突破,填补了中国在此方面的技术空白,使我国与先进国家在此技术上的差距由原来的20年缩短为10年,就其总体水平看,相当于世界先进国家20世纪80年代初期水平,研制与试飞验证于1991年通过部级验收,并获得1991年度航空航天工业部科技进步奖一等奖。

为对纵轴数字式电传操纵系统作进一步的评审,经部科技局与相关单位、部门和空军联系,并得到领导机关批准,拟选派一些飞行员来沈阳试飞歼8ACT验证机。第一批是部试飞办的蒋德秋总师和试飞院的黄炳新副院长,两人共飞行了6个起落,反映良好,蒋总提出杆力偏轻,着陆容易拉飘。第二批是空军试飞中心的王景利领航主任和空一师的周祖贵参谋长助理,1991年4月21日,两人各飞一个起落,飞行情况正常。4月23日,王景利飞第二个起落时,空中按任务要求进行动作,一切正常。完成规定任务后,下降高度返场,着陆时却发生了事故,飞机坠毁,飞行员弹射救生成功。

从1991年初起,李明主持与组织歼8Ⅲ飞机总体技术方案的论证,并亲自编写歼8Ⅲ飞机的总体方案论证报告,因此,这次扩大对歼8ACT验证机的试飞评定,他虽然知道,但未参加。4月23日这天,上级正在沈飞公司组织召开大型歼8Ⅲ飞机总体技术方案评审会,李明当时正在会议现场。为了不影响开会,试飞现场将事故信息立即上报,领导先将信息告知了正在参加评审会的顾诵芬。李明只见顾诵芬出了会场,后来得知,他第一时间去医院看望了王景利。沈飞公司保卫部门保留了坠毁飞机现场,封存了全部试飞记录。很快航空航天工业部组成了事故调查组,经过认真调查、听证、分析和讨论,查明了基本情况并写出了调查报告。

调查组的结论意见是:主动控制技术是一项预研新技术,其起飞、着陆操纵品质有新的特点,用该系统着陆时,需要的杆位移较小、杆力较轻,使得着陆及修正偏差与机械系统有较大区别,新改装飞行员需要有一个适应过程。王景利初次掌握这个系统,对其特点尚未完全适应,当着陆跳跃时,仍按机械操纵习惯修正,修正动作显得较粗放,产生两次跳跃。在最后一次接地时,电传系统工作异常,平尾锁在-12度(顺气流),致使飞机突然上升,飞行员进行了修正,但操纵无效,最后飞机失态坠毁。调查组建议航空研究院组织有关单位对这次电传系统出现异常的原因进行分析研究和必要的模拟试验。

李明组织和主持了由各参研单位技术骨干组成的事故技术分析组,1990年12月完成试飞验证计划的喜悦心情已荡然无存。多年的心血与拼搏得到的成果毁于一旦,他和大家一样,心情十分沉重,还有的同志禁不住眼泪汪汪的。李明首先表态,希望大家认真查找原因,一切后果责任都由他承担,并要求大家要以高度的责任感和严肃理性的态度,认真深入剖析系统在第二次跳跃后出现异常的原因。1991年5月13日—6月5日,大家对这起事故的原因及有关问题进行了认真求实的分析,李明从沈飞公司试飞站尹春铭那里要来了这次从着陆到坠毁过程的完整记录曲线,以及打印的从遥测收到的系统运行参数记录数据,逐“分”逐“秒”地分析。飞行员操作、飞机和系统的状态和参数,只要有丝毫的怀疑,就提出来进行讨论和作地面试验加以验证。直到第二次接地后,飞机又跳起,驾驶员猛推杆之前,丝毫没发现系统存在三次故障的迹象。于是李明又将系统源程序找来认真阅读,查找这种瞬间出现三次故障的可能原因究竟在哪里,并提出来大家一起研究分析。于是,问题集中到了对舵机的分析上。经过认真分析研究,得出事故原因的基本结论:当飞机在第二次跳起时飞行员大幅度急剧推杆,后又急剧拉杆,导致飞控计算机指令急剧大幅度变化,阀芯模型的加法运算因舵机位移受助力器速度限制而跟不上指令变化,在没有溢出保护的情况下,出现瞬态溢出,持续的时间又超过给定的时间阈值,从而引起阀芯监控误报三次故障。计算机的故障逻辑单元按三次故障的处理规定进行处置,即点燃告警灯,将计算机的D/A输出指令固定在故障时刻的数值上,同时控制舵机的电磁阀关锁,平尾也就停在固定的偏度上。

这次二等飞行事故的教训是刻骨铭心的,对所得到的教训也做了认真总结。后来又经历了其他型号的几起严重事故的研究分析,进一步认识到,像这种非直接的关键成品附件、系统或结构损伤破坏造成的严重事故大多是由诸多因素的综合作用造成的,尽管每种因素对造成严重事故的概率不一定高,但只要工作不到位或考虑不周全,“阴差阳错”地就会演进出重大事故,这就是后来有位部领导称之的“阴沟里翻船”。回首这次事故,也确实如此。造成事故的技术原因是:三余度带自监控的舵机的自监控模型,即阀芯位移模型是在正常操纵和设想的急剧操纵条件下建立的,但遇到超出设定条件的操纵时,监控模型就严重失真了,又没有考虑保护措施;而飞行员在该次着陆中的迅猛操作,正是超乎预料的;在试飞前的简单培训中,可能并没有认真和重点交代电传系统在起飞、着陆操纵上要柔和、小量,以引起飞行员的重视,而是给飞行员以“无忧虑”操纵的概念;加之因接受了MBB公司评审时提出的建议,取消了转换控制系统在出现三次故障时“自动转换”的技术措施(当然取消或不取消也有各方面的理由)。就是这些情况的综合,使认为几乎不可能的事却最终演进成一件必然的事了。因此,从事航空科技研发的所有人员,特别是领导干部和项目的技术负责人,牢记和认真贯彻周恩来总理当年对“两弹一星”研制提出的“严肃认真,周到细致,稳妥可靠,万无一失”的十六字方针是极为必要的。工程实践和大量的事实证明,只有事业心强和无私的人才能落实好这个方针。

两个纵轴验证计划的完成,标志着ACT预研项目的一个重要阶段结束。这是“七五”预研中的重要项目,部科技局要求认真做好主动控制技术“七五”预研工作总结。“七五”期间也确实是ACT预研任务繁重而又获得重大进展的5年。项目组进行了认真总结,这里只将投入的人员与经费情况列出如下。从统计数据看,各参研单位投入的技术与管理人员共170余人,工人85人,“七五”期间航空研究院给ACT课题拨款总计2328万元,实际支出2312.4万元,上述经费未计入请MBB公司评审费用500万马克(当时约50万美元)。如果从“六五”期间歼教6验证机计划的投入算起,国内拨款总计3200万元。可见,ACT两个纵轴电传系统的产出投入比是较高的,效率也是很高的,对掌握航空先进关键技术来说,意义也是重大的。

在两个纵轴电传操纵系统的研制,特别是数字式电传操纵系统的研制中,李明考虑到要形成一个国内的ACT专业技术队伍,因此,各项评审会都注意邀请相关的研究所和院校教师参加。在MBB公司的评审,重要的放飞评审,包括对不稳定构型的放飞评审中,都留有611所同行骨干的身影。

纵轴数字式电传系统由于受经费的限制,上天件只研制了3套,一套装机,一套在601所的“铁鸟”台上进行地面试验并作为试飞备件,另一套在618所进行试验并作为试飞备件。当时明确,601所和618所的上天件,也就是歼80102架飞机试飞系统的备件。歼80102架坠毁后,装机这一套就损失掉了。后来,试飞院提出,可否提供一套系统供他们进行研究与试验。考虑到他们正在从事变稳飞机的研究,也在建设多种飞行模拟器,而且飞行员研究与熟悉电传系统也很必要,于是李明决定将601所的这套系统无偿地全部给了试飞院,也算是将这项研究继续延伸与深入。

歼8Ⅱ三轴数字式电传飞控系统验证机计划

20世纪90年代初,经过20多年的发展,ACT愈加成熟,随着其功能的不断开发,应用也逐步推广。众多国家飞机设计的实践经验证明,主动控制技术是一种先进的飞机设计技术,它已经成为第三代战斗机的主要技术特征之一,并且也已成为第四代战斗机(如F-22、F-35)研制的主要技术支柱。

主动控制技术的研究和应用基础是全权限、全时工作的电传飞行控制系统,特别是数字式电传飞控系统。数字式电传飞控系统具有许多模拟式电传系统(如“幻影”2000、F-16A/B型飞机上所采用的)无可比拟的优点,它可以将许多功能通过软件来实现,从而使控制律和系统余度管理更易于修改,也便于和机上的其他机载系统接口通信。因此20世纪80年代之后,数字式电传系统在航空大国得到广泛应用。从各国的实践可以看出,主动控制技术的研究,是一项理论研究与工程验证和应用并重,滚动式发展的开拓性工作,所以走技术验证机道路是国外开发主动控制技术的基本途径。

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