曾任中國交通運輸部副部長、中國民用航空局局長的李家祥說過:「民用航空工業的發展水平不僅反映出顯著的經濟價值,也反映出巨大的社會價值。」然而,放眼中國民用航空市場,幾乎所有國際、國內航線都被波音、空客等國外航空企業的機型所「佔領」。這對與生俱來就充滿民族自豪感的所有中國人來說,是隱藏、鬱結在心底的一個「痛點」。
客觀地說,中國民機起步較晚,與國外航空發達國家相比還存在一定的差距。但是在中國飛行試驗研究院(簡稱中國試飛院),航空試飛人卻以極大的信心和百折不撓的精神,開闢出了一條具有中國特色的民機研製試飛道路。他們在民機試飛中開創的每一段歷史,都標誌著「國家級飛行試驗平臺」的「科技高度」,凝聚著試飛人在「航空報國,強軍富民」中不斷尋求突破的「創新高度」。
失速試飛:中國民機試飛技術發展的裡程碑
民用飛機的失速速度和失速特性,對飛機的起飛、著陸和安全性有著重要影響,也是適航取證的必考科目。但是,在運7飛機定型試飛時,我國還沒有《民用航空條例》,所以飛行試驗是按照軍用飛機設計定型的方式進行,沒有進行過失速速度和失速特性試飛。
1986年12月,按照CCAR-25部和美國聯邦航空條例第25部(FAR-25)要求,試飛院與美國合作,開始進行運7飛機的失速速度和失速特性試飛。這不但是國產中大型運輸機的首次失速速度和失速特性試飛,也是中國試飛員和試飛工程人員首次按CCAR-25部要求完成的風險項目試飛。
此前,按照美國FAA的民用航空條例25部要求,試飛院曾在1982~1984年間組織進行了運8飛機的飛行性能試飛,完成了發動機停車情況下的最小操縱速度檢查、中斷起飛、繼續起飛、著陸和復飛等高難度的風險科目試飛,填補了我國多發大噸位飛機關鍵發動機停車性能試飛的空白。
但是,對試飛院來說,運7飛機的失速試飛無疑是一個新的挑戰。運7飛機的首次失速試飛採用了當時國際上的很多先進技術,機載實測監控系統及拖錐靜壓系統均由美國引進,試驗完全按照美國FAA的程序和數據處理技術進行。通過試飛,試飛院首次實測出運7飛機的失速速度,它比資料提供的失速速度還要小9~16千米/小時。更重要的是,試飛證明了運7飛機的失速特性是可接受的,在失速和改出過程中各操縱面始終有效。而通過對問題的分析,設計單位對飛機進行了改進,飛機的重心後限前移28%,進一步增強了飛機安全性。
運7飛機失速試飛的成功,使我國民用運輸類飛機的適航審定試飛和風險項目試飛取得了重大突破,解決了該型號大量吹風試驗不能解決的問題,鍛鍊和提高了我國組織風險科目試飛的能力和經驗。在試飛中,試飛工程技術人員實際檢驗了運7飛機(基本型)不同外形下的失速速度和失速特性,為正在航線上運營的運7飛機提供了最小安全使用數據和改進依據,也為運7H-500型和運7-200B型飛機的試飛提供了成功的經驗。可以說,運7飛機失速試飛的成功,不僅使我國民用類運輸機的適航審定試飛和風險項目試飛技術取得了巨大突破,也對我國今後民用飛機的試飛具有裡程碑意義。
1989年,試飛院再次利用運7飛機展開氣動力理論計算、風洞試驗和試飛實測的對比研究,為當時計劃研製的幹線飛機載荷適航驗證提供了依據。1992年,試飛院擴大研究規模,一方面進行氣動力飛行測試方法研究,另一方面通過測取運7飛機飛行壓力分布數據,系統研究了螺旋槳流對飛機的影響,並將實測數據與風洞結果進行分析對比,獲取了大量運7飛機機翼的氣動數據,掌握了氣動力測試試飛技術,我國民用飛機的研究又向前邁進了一大步。
隨後,試飛院分別完成運7-200B、運7-200A失速適航試飛,再次填補了我國航空史上的空白。
自然結冰試飛:促進中國民機試飛與國際接軌
保證民用飛機的安全性,必須解決飛機積冰問題。相關數據顯示,有51.8%的飛機致命結構事故由積冰引發。
顯然,提到自然結冰試飛,大家首先想到的是ARJ21-700飛機加拿大自然結冰試飛的成功。但是,真正在中國民機發展歷史上具有開創意義、佔據奠基地位的,卻是運7-200A飛機的模擬冰形試飛和自然結冰試飛。
運7-200A飛機是我國首次按國際適航標準設計製造的多用途運輸機,也是我國首次出口的民用運輸類飛機。1997年,試飛院利用運7-200A飛機承擔起國內首次按照CCAR-25部要求進行的自然結冰試飛任務,第一次展開我國中大型飛機的模擬冰形試飛和自然結冰試飛。
模擬冰型試飛是在試驗機的迎風面前緣加裝臨界冰型,模擬飛機在真實結冰條件下的結冰情況,驗證飛機結冰後具有的性能和操穩飛行品質。在模擬冰形試飛圓滿成功後,新中國航空工業發展史上的首次自然結冰試飛於1997年11月6日在新疆烏魯木齊機場拉開帷幕。
在試飛中,試飛員和課題組有備而來,採用逐步逼近的飛行方法,確保了飛機在空中結冰時間不少於13分鐘,機翼前緣未防護表面積冰高度達52mm,平尾前緣未防護表面積冰厚度64mm,基本達到了試飛要求。
自然結冰試飛的主要目的是演示飛機在結冰環境中可以安全飛行,也是對結冰取證過程中其它試驗的實體化驗證。然而,受自然條件變化的影響,自然結冰試飛過程往往非常曲折。如巴西航空工業公司的50座支線客機ERJ145,自然結冰試飛耗時6周,飛機在南美洲和北美洲之間來回飛行,儘管花費高額,投入了大量人力,結果還是延誤了飛機適航取證。
2013年11月,試飛院再次在烏魯木齊展開ARJ21-700飛機自然結冰試飛,雖然在氣象分析預測和試飛綜合遙測等方面動用了國內所有能動用的高、精、尖力量,最終仍是功虧一簣。
據介紹,自然結冰試飛中的「自然結冰」並非簡單的低溫結冰。中國民用航空章程CCAR-25部附錄C對民用運輸機實施自然結冰試飛的雲層狀態、大氣環境溫度、雲層微物理參數提出了嚴苛要求,即連續最大結冰試驗時液態水含量在0~0.8g/m3,水滴直徑在15~40微米;間斷最大結冰試驗時液態水含量在0~3.0g/m3,水滴直徑在15~50微米。經多方調研協商,ARJ21-700飛機自然結冰試飛移師加拿大,利用北美五大湖地區上空的獨特氣象條件,展開自然結冰試飛。
2014年4月8日,在試飛院的統一組織和協調下,來自試飛員學院的趙生和局方試飛員趙志強再次駕機穿雲,在飛機油量已不充裕的情況下險中求勝,順利完成多項高風險操穩試飛科目和所有適航條款規定的自然結冰條件下的操穩試飛。
加拿大試飛之行,試飛院檢測了飛機機翼、風擋、發動機短艙等部位的防冰除冰功能,並驗證發動機、輔助動力裝置、大氣數據等系統在結冰條件下的功能,以及飛機的操控品質、失速性能等眾多內容。這一次振翅追雲,不僅僅是掃除了ARJ21-700飛機適航取證前剩餘科目中的最大「攔路虎」,更標誌我國試飛員的試飛技術與國際接軌,以及國內試飛組織模式與國際完全接軌。
顫振試飛:我國成為能獨立開展中大型飛機顫振試飛的國家
飛機強度試飛關係到飛機結構強度和剛度特性,是確保飛機具有最小安全容限和疲勞損傷的重要研究領域,也是飛機具有良好飛行品質的基本環節。特別是中大型運輸機,飛機剛度和強度試飛研究是實現飛機設計目的、保證飛行安全的重要因素。
58年來,通過一系列關鍵試驗,試飛院取得了保證飛機強度的一系列重要數據,在單機疲勞壽命監控技術研究、飛機腐蝕環境譜編制方法、民用運輸類飛機載荷譜等領域取得了重大突破。而顫振是一種氣動彈性不穩定現象,如果飛機在空中發生顫振,會嚴重影響飛行安全,甚至會釀成機毀人亡的悲劇。為了解決這一問題,試飛院不斷拓展試驗內容,逐步解決了激發振動、測量振動和數據處理方法等各種技術問題,成功對國內多種民機進行了飛行振動試飛與測量,並在部分機型上進行了炮擊振動測量和排振試飛。在顫振試飛中,試飛院成功利用小火箭作為脈衝力激振的方案,總結出一整套實用工程技術,成功解決了局部顫振飛掉方向舵、跨音速抖動等重大疑難問題,試飛技術逐漸與世界航空強國縮小差距。
顫振試飛是每架新機或重大改型飛機必須進行的Ⅰ類風險科目,也是中國民航適航條例(CCAR25部)明確規定必須完成的科目。2011年3月底,試飛院向ARJ21-700飛機顫振試飛發起衝擊,以期深入驗證該型號的安全性,最大程度地擴展飛機的使用包線。
為徵服ARJ21-700飛機顫振試飛,試飛院結合國外同類飛機顫振試飛的經驗及ARJ21-700飛機特點,精心制定了本次顫振試飛三種激勵方法,即駕駛員抖杆激勵、操縱面掃頻激勵和慣性激勵器激勵。在前期準備工作中,他們建立起了嚴密的監控體系,不僅能夠對試飛中的應變參數、飛行參數進行有效的採集傳輸,還可以做到數據的實時處理,為試飛提供強大的技術支持。為保證實時監控,他們組織試飛工程人員在飛機上加裝了51個傳感器,不但創造了國內紀錄,也超過了大部分國外同類飛機的標準。
從技術上講,顫振試飛探索的是飛機的右邊界極限。由於ARJ21-700飛機不能在平飛狀態下達到最大M(馬赫)數,因此必須通過俯衝,要進行多次俯衝才能獲得邊界數據,這無疑增加了試飛的風險性。此外,完成顫振試飛對試飛員的技術水平也有很高要求,試飛員控制飛行的M數要嚴格達到±0.005的誤差標準,甚至試飛員手指關節間的微小變化也會直接影響試飛效果。在試飛中,為保證試飛安全,試飛包線從0.78M逐漸向0.8M逼近,試飛員操縱舵面分別對飛機副翼、方向舵、平尾進行了激勵。最終,飛機最大飛行M數達到0.904,在良好狀態下擴展了ARJ21-700飛機的飛行包線。
近四個月時間,試飛院共進行了19架次局方目擊的顫振驗證試飛、6架次顫振研製試飛,在不同高度進行了37個顫振試驗點試飛。結果表明,ARJ21-700飛機在顫振試驗點飛行平穩,響應正常,未出現顫振不穩定現象。
在ARJ21-700飛機顫振試飛中,無論是FAA代表,還是CAAC聘任的原美國FAA適航審查專家,以及作為國際合作單位參加試飛工作的加拿大龐巴迪公司試飛工程師,都對試飛院在ARJ21-700飛機顫振試飛中所表現出的高超技術及組織協調能力、指揮能力等給予了充分肯定和高度讚揚。至此,他們在民機顫振激勵技術領域再次取得重大進展,突破了技術瓶頸,真正使我國成為除美、俄、英、法、以等國家外,能獨立開展中大型飛機顫振試飛的國家。
民機試飛催生科技創新。試飛院從一窮二白起步,以堅如磐石的「航空報國」之志,不斷探索未知。如今,飛行力學、強度載荷、飛行品質、振動與聲學、動力裝置、機載設備、飛行控制、飛行模擬、自動控制與辨識、可靠性與維修性、測試與數據處理、飛機系統等120多個專業已構成了中國民機飛行試驗所需的完整的試飛研究體系。他們的每一次載夢躍升,都承載著中國民機事業的發展和未來。