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戰鷹破空,風洞藏密 ——解讀國之重器超燃表演幕后的非定常實驗空氣動力學

戰鷹破空,風洞藏密 ——解讀國之重器超燃表演幕后的非定常實驗空氣動力學

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2019/01/09 08:35
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  在本屆珠海航展上,殲10B的推力矢量驗證機在萬眾矚目下“C位”出世,完美展現了“眼鏡蛇”、“落葉飄”等過失速機動動作,點燃全場,令國人熱血沸騰。從此以后,這些不可思議的動作不再是國外戰機的專利,作為一名航空人,即使沒有親臨現場,仍會熱淚盈眶、感動不已。臺前幕后,有精益求精、攻堅克難的飛機設計、試驗和保障團隊,有英勇無畏、一次次“將腦袋拴在褲腰帶上”亮劍蒼穹的試飛團隊,更有眾多無名英雄數十年如一日的默默堅守。
 
  機動飛行是指速度、高度和飛行方向等狀態隨時間變化的飛行,機動飛行時飛機所受的氣動力不僅與飛行狀態有關,還與時間歷程相關,即存在所謂的“非定常”現象。實現過失速機動飛行,除了矢量發動機以外,飛機本身也要具有優良的大迎角氣動性能。整場飛行表演中,空軍試飛員李吉寬駕駛1034號機多次進入非常危險的大迎角區域,此時飛機背部會出現強烈的非對稱流動分離和渦破裂,氣動力的非線性嚴重,縱向和橫航向的氣動力高度耦合,飛機穩定性嚴重惡化,舵面控制能力急劇下降甚至失效,同時可能出現自激滾轉和偏離運動,極易出現飛行事故。在大迎角區域,現有的理論分析和計算機數值計算無法全面可靠地進行評估,而飛行試驗又屬于高危險科目,且只能在飛機設計基本完成后開展,無法在前期設計階段提供數據支持。為了降低風險,需要提前進行大量的非定常風洞試驗,像奧特曼打小怪獸一樣,把潛在問題一個個消滅掉。
 
飛行安全風洞助
 
  飛行器的研制是一個漫長的過程,更是一個龐大的系統工程,而風洞試驗一直是連接理論設計與實際飛行的橋梁。在戰斗機的發展歷程中,如何占據空中優勢一直是不變的主題,對于現代戰斗機來說,加速度和爬升性能相差并不大,“飛得更高”已經不再是空中優勢的唯一體現,高機動性,過失速機動能力已經成為占據主動的一種“捷徑”,飛機的飛行包線已經擴大到大迎角、高速率、大振幅區域,精確地獲知非線性、非定常氣動力載荷對于氣動特性、飛行力學特性和飛行控制系統的設計極其重要。采用非定常風洞試驗技術模擬飛機各種運動模態和機動飛行時間歷程并獲取相關數據是研究非定常氣動力問題、預測非定常氣動力特性的主要手段。非定常風洞試驗是一類涉及不同種類、不同功能試驗的全稱,包括大迎角、動導數、旋轉天平、大幅振蕩、自由振蕩、旋轉流場下振蕩、抖振、顫振等多種試驗。這里主要介紹低速大迎角、動導數和旋轉天平三類試驗。
 
 
  大迎角試驗主要突出一個“大”字,當迎角增大到一定程度以后,流動開始分離,氣動力和力矩的非線性變化導致小迎角情況下采用的線性處理手段不再適用,舵面控制能力急劇下降甚至出現反效現象,通過風洞試驗可以得到大迎角狀態下較為真實的飛機氣動特性。
 
  動導數又稱動穩定性導數,是飛機本體穩定性評估的重要參數。相信許多人都聽說過升力和阻力,然而在飛行器設計的過程中,不僅僅追求升力、阻力的量值,還需要對飛機的自身穩定性進行預估。動導數風洞試驗是利用振蕩設備模擬飛行器的剛體運動模態,從而獲取動穩定性導數。隨著航空航天技術的發展,飛行品質和動穩定性問題越來越受到重視,使動導數試驗變得越來越重要。
 
  尾旋是飛機最復雜的飛行狀態之一,良好的尾旋特性是過失速飛機必須具備的基本特性之一。通俗來講,飛機進入尾旋以后,“飛機像擰麻花一樣急速翻轉下墜”,嚴重危機飛行安全,常被稱為“死亡陷阱”。對于軍機駕駛員來說,最關心的是飛機會在什么情況下可能進入尾旋,進入尾旋后如何改出。回溯歷史,自1910年第一期尾旋事故發生,到六七十年代尾旋事故成災,直到今天,人類對尾旋問題的研究從未停止,預測研究飛機尾旋是一項非常關鍵和深奧的技術。在風洞中進行旋轉天平試驗,可以獲取飛行器繞速度矢量軸穩定旋轉時的氣動特性,是分析預測飛機尾旋及尾旋改出特性的主要數據源。
 
前赴后繼勇攀峰
 
  我國的非定常風洞試驗技術研究始于上世紀80年代,為滿足飛行器大迎角、動穩定特性和尾旋特性預測研究需要,先后研制了多套試驗裝置。進入21世紀后,以先進戰斗機過失速機動特性研究為背景,3~4m量級低速風洞多自由度動態試驗技術得到迅速發展,先后成功研制了雙自由度大幅振蕩試驗系統、旋轉/振蕩耦合試驗系統、六自由度運動平臺等試驗設備,開發了相應的試驗技術并獲得了初步驗證。同期高速風洞動導數等試驗技術在1.2m量級高速風洞也相繼形成試驗能力。經過近30年的發展,我國非定常風洞試驗設備配套和技術水平已逐漸進入國際先列。特別在“十二五”以來,國內陸續建成了大批高/低速搭配、尺寸配套的風洞設備,正在逐漸形成非定常空氣動力試驗研究技術體系,不斷支撐著我國先進航空航天飛行器的研制。
 
 
氣動院已投入使用的兩座高品質低速主力風洞
 
  航空工業氣動院擁有一支以非定常氣動力研究為核心,主要為我國航空、航天飛行器的研制提供非定常風洞試驗技術、數值計算技術和數據應用與數學建模技術等方面綜合技術服務的專業科研團隊——非定常氣動力技術團隊。作為我國大迎角及動態氣動特性研究領域的一支重要力量,為我國大部分型號的研制提供了可靠的非定常氣動力數據和技術支持。團隊先后兩次聯合行業優勢單位,對典型布局動態試驗標模進行系統地非定常氣動力特性研究工作,在成果創新、技術突破、人才育成等方面成效突出。
 
 
 
集智攻關正當時
 
  2018年8月16日,中國科學院院士、殲20總設計師楊偉在首屆空氣動力學大會上作了一個題為《先進戰斗機氣動設計的發展與挑戰》的報告,再次強調了非定常氣動力問題是戰機研制的重點和難點,并指出未來仍需在風洞試驗和數值計算等領域開展深入研究。“雄關漫道真如鐵,而今邁步從頭越”,非定常空氣動力學的發展和創新離不開我國廣大科研工作者的共同努力和集智攻關。此時此刻,主力遍及祖國東北、華北、東南和西南等地的非定常空氣動力學研究領域的“國家隊”仍在潛心鉆研、踏實創新,期待他們未來在非定常氣動力研究領域不斷取得創新成果,為我國航空工業的跨越式發展和國防建設做出更大貢獻。
 
撰稿:吳佳莉、王延靈 
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