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战鹰破空,风洞藏密 ——解读国之重器超燃表演幕后的非定常实验空气动力学

战鹰破空,风洞藏密 ——解读国之重器超燃表演幕后的非定常实验空气动力学

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2019/01/09 08:35
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  在本届珠海航展上,歼10B的推力矢量验证机在万众瞩目下“C位”出世,完美展现了“眼镜蛇”、“落叶飘”等过失速机动动作,点燃全场,令国人热血沸腾。从此以后,这些不可思议的动作不再是国外战机的专利,作为一名航空人,即使没有亲临现场,仍会热泪盈眶、感动不已。台前幕后,有精益求精、攻坚克难的飞机设计、试验和保障团队,有英勇无畏、一次次“将脑袋拴在裤腰带上”亮剑苍穹的试飞团队,更有众多无名英雄数十年如一日的默默坚守。
 
  机动飞行是指速度、高度和飞行方向等状态随时间变化的飞行,机动飞行时飞机所受的气动力不仅与飞行状态有关,还与时间历程相关,即存在所谓的“非定常”现象。实现过失速机动飞行,除了矢量发动机以外,飞机本身也要具有优良的大迎角气动性能。整场飞行表演中,空军试飞员李吉宽驾驶1034号机多次进入非常危险的大迎角区域,此时飞机背部会出现强烈的非对称流动分离和涡破裂,气动力的非线性严重,纵向和横航向的气动力高度耦合,飞机稳定性严重恶化,舵面控制能力急剧下降甚至失效,同时可能出现自激滚转和偏离运动,极易出现飞行事故。在大迎角区域,现有的理论分析和计算机数值计算无法全面可靠地进行评估,而飞行试验又属于高危险科目,且只能在飞机设计基本完成后开展,无法在前期设计阶段提供数据支持。为了降低风险,需要提前进行大量的非定常风洞试验,像奥特曼打小怪兽一样,把潜在问题一个个消灭掉。
 
飞行安全风洞助
 
  飞行器的研制是一个漫长的过程,更是一个庞大的系统工程,而风洞试验一直是连接理论设计与实际飞行的桥梁。在战斗机的发展历程中,如何占据空中优势一直是不变的主题,对于现代战斗机来说,加速度和爬升性能相差并不大,“飞得更高”已经不再是空中优势的唯一体现,高机动性,过失速机动能力已经成为占据主动的一种“捷径”,飞机的飞行包线已经扩大到大迎角、高速率、大振幅区域,精确地获知非线性、非定常气动力载荷对于气动特性、飞行力学特性和飞行控制系统的设计极其重要。采用非定常风洞试验技术模拟飞机各种运动模态和机动飞行时间历程并获取相关数据是研究非定常气动力问题、预测非定常气动力特性的主要手段。非定常风洞试验是一类涉及不同种类、不同功能试验的全称,包括大迎角、动导数、旋转天平、大幅振荡、自由振荡、旋转流场下振荡、抖振、颤振等多种试验。这里主要介绍低速大迎角、动导数和旋转天平三类试验。
 
 
  大迎角试验主要突出一个“大”字,当迎角增大到一定程度以后,流动开始分离,气动力和力矩的非线性变化导致小迎角情况下采用的线性处理手段不再适用,舵面控制能力急剧下降甚至出现反效现象,通过风洞试验可以得到大迎角状态下较为真实的飞机气动特性。
 
  动导数又称动稳定性导数,是飞机本体稳定性评估的重要参数。相信许多人都听说过升力和阻力,然而在飞行器设计的过程中,不仅仅追求升力、阻力的量值,还需要对飞机的自身稳定性进行预估。动导数风洞试验是利用振荡设备模拟飞行器的刚体运动模态,从而获取动稳定性导数。随着航空航天技术的发展,飞行品质和动稳定性问题越来越受到重视,使动导数试验变得越来越重要。
 
  尾旋是飞机最复杂的飞行状态之一,良好的尾旋特性是过失速飞机必须具备的基本特性之一。通俗来讲,飞机进入尾旋以后,“飞机像拧麻花一样急速翻转下坠”,严重危机飞行安全,常被称为“死亡陷阱”。对于军机驾驶员来说,最关心的是飞机会在什么情况下可能进入尾旋,进入尾旋后如何改出。回溯历史,自1910年第一期尾旋事故发生,到六七十年代尾旋事故成灾,直到今天,人类对尾旋问题的研究从未停止,预测研究飞机尾旋是一项非常关键和深奥的技术。在风洞中进行旋转天平试验,可以获取飞行器绕速度矢量轴稳定旋转时的气动特性,是分析预测飞机尾旋及尾旋改出特性的主要数据源。
 
前赴后继勇攀峰
 
  我国的非定常风洞试验技术研究始于上世纪80年代,为满足飞行器大迎角、动稳定特性和尾旋特性预测研究需要,先后研制了多套试验装置。进入21世纪后,以先进战斗机过失速机动特性研究为背景,3~4m量级低速风洞多自由度动态试验技术得到迅速发展,先后成功研制了双自由度大幅振荡试验系统、旋转/振荡耦合试验系统、六自由度运动平台等试验设备,开发了相应的试验技术并获得了初步验证。同期高速风洞动导数等试验技术在1.2m量级高速风洞也相继形成试验能力。经过近30年的发展,我国非定常风洞试验设备配套和技术水平已逐渐进入国际先列。特别在“十二五”以来,国内陆续建成了大批高/低速搭配、尺寸配套的风洞设备,正在逐渐形成非定常空气动力试验研究技术体系,不断支撑着我国先进航空航天飞行器的研制。
 
 
气动院已投入使用的两座高品质低速主力风洞
 
  航空工业气动院拥有一支以非定常气动力研究为核心,主要为我国航空、航天飞行器的研制提供非定常风洞试验技术、数值计算技术和数据应用与数学建模技术等方面综合技术服务的专业科研团队——非定常气动力技术团队。作为我国大迎角及动态气动特性研究领域的一支重要力量,为我国大部分型号的研制提供了可靠的非定常气动力数据和技术支持。团队先后两次联合行业优势单位,对典型布局动态试验标模进行系统地非定常气动力特性研究工作,在成果创新、技术突破、人才育成等方面成效突出。
 
 
 
集智攻关正当时
 
  2018年8月16日,中国科学院院士、歼20总设计师杨伟在首届空气动力学大会上作了一个题为《先进战斗机气动设计的发展与挑战》的报告,再次强调了非定常气动力问题是战机研制的重点和难点,并指出未来仍需在风洞试验和数值计算等领域开展深入研究。“雄关漫道真如铁,而今迈步从头越”,非定常空气动力学的发展和创新离不开我国广大科研工作者的共同努力和集智攻关。此时此刻,主力遍及祖国东北、华北、东南和西南等地的非定常空气动力学研究领域的“国家队”仍在潜心钻研、踏实创新,期待他们未来在非定常气动力研究领域不断取得创新成果,为我国航空工业的跨越式发展和国防建设做出更大贡献。
 
撰稿:吴佳莉、王延灵