美國空氣動力學(xué)飛行試驗平臺綜述

戰(zhàn)培國

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 計算空氣動力學(xué)研究所，四川 綿陽621000)

0 引言

飛行試驗是飛行器在真實(shí)大氣環(huán)境中進(jìn)行的科學(xué)研究或型號試驗，是探索和驗證新概念、新理論、關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵系統(tǒng)的重要手段。飛行試驗內(nèi)容非常廣泛，涵蓋航空基礎(chǔ)研究、應(yīng)用技術(shù)研究、先期技術(shù)發(fā)展、型號工程研制和使用/適航驗證等。在航空航天飛行器型號研制的不同階段，飛行試驗可以初步劃分為研究、發(fā)展/評估、適航/評估三大類，在空氣動力學(xué)研究領(lǐng)域，風(fēng)洞試驗、飛行試驗和數(shù)值計算被統(tǒng)稱為空氣動力學(xué)研究的三大手段。相比于飛行試驗，風(fēng)洞試驗和數(shù)值計算具有成本低、風(fēng)險低、周期短的優(yōu)點(diǎn)，但風(fēng)洞試驗受流場特性(風(fēng)洞模擬能力)、環(huán)境特性(洞壁、支撐等干擾)和模型特性(縮尺、相似性)的限制，其試驗結(jié)果的真實(shí)可靠性仍有待于飛行試驗的檢驗;同樣，盡管數(shù)值計算有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，更有“數(shù)值風(fēng)洞”之稱，但其使用的數(shù)學(xué)模型、計算方法等同樣也都需要經(jīng)過先期的風(fēng)洞試驗結(jié)果或飛行試驗結(jié)果的驗證。由此可見，在空氣動力學(xué)研究領(lǐng)域，盡管飛行試驗成本高、風(fēng)險大，但仍具有不可替代的地位。隨著現(xiàn)代飛行器空氣動力學(xué)研究與結(jié)構(gòu)、推進(jìn)、飛控、材料等多學(xué)科融合更為緊密，飛行試驗在飛行器空氣動力學(xué)研究中發(fā)揮著更加重要的作用。

1 飛行試驗平臺

美國的飛行試驗平臺建設(shè)以NASA的阿姆斯特朗(原德萊頓)飛行研究中心為主，美國空軍研究實(shí)驗室(AFRL)、陸軍研究室(ARL)、NASA的三個研究中心(格林、蘭利、艾姆斯)、相關(guān)企業(yè)、院校為輔。在空氣動力學(xué)研究三大手段中，同數(shù)值計算有“數(shù)值風(fēng)洞”之稱一樣，飛行試驗平臺亦被稱為“飛行風(fēng)洞”。美國的空氣動力學(xué)飛行試驗平臺按用途/性質(zhì)可以歸納分為三類:(1)試驗研究平臺;(2)概念技術(shù)驗證平臺;(3)模型自由飛平臺。在試驗研究、概念技術(shù)驗證和模型自由飛3種類型的空氣動力學(xué)飛行試驗平臺中，試驗研究平臺是最主要的空氣動力學(xué)飛行試驗研究手段。

1.1 試驗研究平臺

試驗研究平臺主要由一系列不同類型的、可以根據(jù)試驗研究任務(wù)需要進(jìn)行改裝或掛載試驗部件的現(xiàn)役飛機(jī)或?qū)棙?gòu)成。該類平臺長期使用，是空氣動力學(xué)飛行試驗研究的主力設(shè)備，主要建立于NASA阿姆斯特朗飛行研究中心。按空氣動力學(xué)研究劃分習(xí)慣(速度范圍/用途)，劃分如下:

(1)高超聲速:“鳳凰”導(dǎo)彈高超聲速試驗平臺(PMHT)。NASA用海軍“鳳凰”空對空高超聲速導(dǎo)彈改裝的高超聲速試驗平臺;桑迪亞國家實(shí)驗室的戰(zhàn)略靶彈系統(tǒng)(STARS)、ALV X-1火箭、獵戶座探空火箭等。

(2)跨、超聲速:“大黃蜂”F/A-18(尾號853)、“鷹”F-15B(尾號836，見圖1)戰(zhàn)斗機(jī)，它們是NASA空氣動力學(xué)飛行試驗的主力設(shè)備，主要用于空氣動力學(xué)、儀器儀表和推進(jìn)系統(tǒng)等各種研究試驗。

(3)亞聲速:NASA的“灣流”G-III(尾號804)、“捕食者”MQ-9(尾號870)、“空中國王”B-200(尾號N801NA)、“門特”T-34(尾號805);德克薩斯州農(nóng)業(yè)機(jī)械大學(xué)飛行試驗室的O-2A飛機(jī)。

(4)高空/長航時:NASA的“全球鷹”RQ-4(尾號872)、“龍小姐”ER-2飛機(jī)(尾號809)。高空/長航時飛機(jī)主要用于地球亞軌道(近空間)科學(xué)研究，航空方面用于動力學(xué)研究。

(5)高升力/遠(yuǎn)程研究:NASA的 DC-8(尾號817)，被稱為“機(jī)載科學(xué)實(shí)驗室”。該機(jī)可用于高升力系統(tǒng)研究。

(6)結(jié)冰研究:NASA格林研究中心的“雙水獺”DHC-6飛機(jī)。飛機(jī)上有測量結(jié)冰云參數(shù)的多種探頭、冰型記錄用的攝像、照相系統(tǒng)，飛機(jī)背部有固定結(jié)冰試驗部件的平臺。

圖1 試驗研究平臺樣例(F-15B)Fig.1 Sample of research testbeds(F-15B)

1.2 概念技術(shù)驗證平臺

概念技術(shù)驗證平臺是航空航天飛行器新概念、新技術(shù)的實(shí)際飛行驗證平臺，它是全尺寸或大尺度、高仿真的驗證研究機(jī)，其驗證的新概念、新技術(shù)或獲得的試驗數(shù)據(jù)可直接應(yīng)用于全尺寸飛機(jī)。概念技術(shù)驗證平臺不同于通用的飛行試驗研究平臺，它通常和某個飛行器計劃或項目緊密聯(lián)系，具有很強(qiáng)的新概念或新技術(shù)探索針對性和時效性。概念技術(shù)驗證平臺的飛行試驗研究內(nèi)容是綜合性的，即:包含空氣動力學(xué)，卻不僅限于空氣動力學(xué)。幾個典型例子如下:

(1)X-15高超聲速飛機(jī)試驗平臺。這是一架有人駕駛的高超聲速計劃研究機(jī)，機(jī)身長約15 m，翼展約6.7 m，高4 m。該飛機(jī)首次實(shí)現(xiàn)了馬赫數(shù)6.7的有人駕駛高超聲速飛行。

(2)AD-1(Ames Dryden-1)可回轉(zhuǎn)斜置翼試驗平臺。這是一架小型、簡易的亞聲速噴氣動力研究機(jī)，機(jī)身長約12 m，翼展約10 m。該機(jī)曾飛行驗證了NASA艾姆斯研究中心提出的0～60°回轉(zhuǎn)斜置翼概念。

(3)X-36無尾戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)敏性試驗平臺。美國NASA、波音研制的縮尺比28%的X-36無尾研究機(jī)，機(jī)身長5.6 m，翼展3 m，高0.9 m，重約500 kg，飛機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)戰(zhàn)斗機(jī)頭盔顯示系統(tǒng)遙控飛行。

(4)X-56A多用途技術(shù)研究驗證平臺(見圖2)。由洛克希德˙馬丁公司為美國空軍實(shí)驗室制造的遙控?zé)o人試驗機(jī)，長2.3 m，翼展8.5 m，重約200 kg，主要用于研究細(xì)長、大展弦比、撓性機(jī)翼的主動顫振抑制、陣風(fēng)載荷緩解和撓性結(jié)構(gòu)飛控系統(tǒng)。

(5)微型飛行器概念技術(shù)驗證平臺［1］。主要有固定翼(剛性/柔性)、撲翼、旋翼和環(huán)翼四種形式，如美國的“黑寡婦”、“微星”、“Mesicoptor”、“iStar”等都是微型飛行器概念技術(shù)探索研究的產(chǎn)物。

圖2 概念技術(shù)驗證平臺樣例(X-56A)Fig.2 Sample of concept/technique research testbeds(X-56A)

1.3 模型自由飛平臺

模型自由飛平臺是一種小尺寸、自由靈活的低速遙控飛行實(shí)驗研究平臺，在科研院所采用較多。模型自由飛平臺試驗成本和風(fēng)險相對較低，主要用于動力學(xué)建模、飛行控制設(shè)計或低雷諾數(shù)空氣動力學(xué)研究，是一種空氣動力學(xué)飛行試驗研究的輔助平臺。美國NASA將模型自由飛平臺視為快速評估級(REC)平臺。另外，在航天和武器彈頭試驗方面，發(fā)展有射彈自由飛平臺。模型自由飛平臺樣例如圖3所示，典型樣例有:

(1)飛行控制試驗平臺(FLiC)。NASA蘭利中心發(fā)展的一個商業(yè)級、質(zhì)量為2～5 kg的小型無人飛行器，能夠遙控自動駕駛、導(dǎo)航和記錄飛行數(shù)據(jù)，該平臺用于發(fā)展高風(fēng)險的、創(chuàng)新的、甚至是有爭議的飛行控制技術(shù)。

(2)空中縮尺運(yùn)輸機(jī)試驗平臺(AirSTAR)［2］。該平臺為蘭利中心用于支撐NASA航空安全計劃的平臺，包括3種類型的模型:

①按5.5%動力學(xué)相似縮尺的通用運(yùn)輸機(jī)模型，長2.4 m，翼展2.1 m，質(zhì)量約23 kg，以兩個小渦輪發(fā)動機(jī)為動力;

②價格便宜的非定制單渦輪動力運(yùn)輸機(jī)模型，模型尺寸、質(zhì)量與動力相似模型接近;

③非定制小螺旋槳模型。

(3)射彈自由飛試驗平臺(炮)［3］。美國陸軍研究室(ARL)自20世紀(jì)60年代起，建造了178 mm炮，采用射彈自由飛技術(shù)開展高空研究項目(HARP)。該平臺至今仍在使用，試驗?zāi)Ｐ妥畲笾睆?71 mm，馬赫數(shù)可達(dá)4。

圖3 模型自由飛平臺樣例Fig.3 Samples of free-flight testbeds

2 飛行試驗支持平臺和測試技術(shù)

空氣動力學(xué)飛行試驗除真實(shí)大氣環(huán)境中的上述飛行平臺外，還需要發(fā)展地面/空中輔助試驗設(shè)備和測試技術(shù)，才能確保飛行試驗安全并獲得所需的試驗結(jié)果。

2.1 主要地面支持平臺

(1)研 究 機(jī) 集 成 設(shè) 備 (RAIF)［4］。RAIF 是NASA阿姆斯特朗飛行研究中心飛機(jī)飛行研究的地面準(zhǔn)備、測試和飛行模擬的綜合設(shè)施。飛行研究飛機(jī)的飛控系統(tǒng)、航電系統(tǒng)和其他各種試驗系統(tǒng)在此集成組裝，并進(jìn)行飛行前的最終檢查和模擬確認(rèn)。在RAIF內(nèi)，除不能進(jìn)行發(fā)動機(jī)試車外，研究機(jī)的所有飛行功能都能采用真實(shí)飛機(jī)進(jìn)行飛行狀態(tài)模擬。研究機(jī)集成設(shè)備如圖4所示。

圖4 研究機(jī)集成設(shè)備Fig.4 Research aircraft integration facility

2.2 空中支持平臺

空中支持平臺主要是伴飛飛機(jī)，由不同飛行速度的多種飛機(jī)組成。如:超聲速飛機(jī)有雙座F-15D和F-18;亞聲速有“超級空中國王”;低速有雙座T-34C等。伴飛飛機(jī)在試驗中主要完成為試驗飛機(jī)照相、錄像工作，實(shí)時目視監(jiān)視試驗飛機(jī)狀態(tài)，與試飛員和地面保持溝通，傳輸飛行試驗視頻供地面工程師分析，并起到護(hù)衛(wèi)作用，增強(qiáng)飛行試驗的安全性。

2.3 飛行測試技術(shù)

根據(jù)空氣動力試驗需要，試驗研究平臺可以進(jìn)行大幅度改裝，例如機(jī)頭、機(jī)身、機(jī)翼等可以局部改裝換成全尺寸真實(shí)試驗件。F-15B跨超聲速飛行試驗平臺有3種試驗件固定掛載方式［5］:先進(jìn)飛行試驗固定架(AFTF)、推進(jìn)飛行試驗固定架(PFTF)和中心線裝有儀器的掛架(CLIP)。F-15B飛行試驗掛架如圖5所示。

圖5 F-15B三種飛行試驗件掛架Fig.5 Three test article hitching systems of F-15B

飛行測量設(shè)備主要有4類:

(1)飛行/試驗所需的基本大氣環(huán)境測量設(shè)備，如:靜壓、動壓、流向角測量探頭，結(jié)冰試驗的結(jié)冰云參數(shù)測量探頭等;

(2)試驗件試驗參數(shù)測量設(shè)備，如壓力傳感器、熱膜、結(jié)構(gòu)加速度計、應(yīng)變計等;

(3)試驗流動顯示測量設(shè)備，如:煙流、紅外照相機(jī)、紋影儀等;

(4)飛行錄像設(shè)備。

閱讀前的調(diào)查顯示青少年會花精力去查找他們要讀什么。主要有三方面行為的調(diào)查：目標(biāo)鎖定行為的調(diào)查結(jié)果顯示，大部分青少年都有自己非常喜歡的書籍類型，已經(jīng)形成自己的閱讀內(nèi)容偏好，并將這種偏好作為自己鎖定閱讀目標(biāo)的重要考慮因素；閱讀決策行為的調(diào)查結(jié)果顯示，65%的被調(diào)查者認(rèn)為參考他人、查找評論、試讀、書籍比較是其普遍選擇，同時，查找網(wǎng)絡(luò)評價、網(wǎng)上試讀兩個選項的調(diào)查結(jié)果差異較大；書籍獲取行為的調(diào)查結(jié)果顯示，68%的被調(diào)查者使用手機(jī)、iPad等移動設(shè)備進(jìn)行閱讀，65%的被調(diào)查者通過搜索引擎查找想讀的書籍。

3 典型空氣動力學(xué)飛行試驗研究案例

本文分別介紹三種類型平臺的空氣動力學(xué)飛行試驗研究的典型案例。

3.1 試驗研究平臺

(1)大迎角氣動特性研究

機(jī)敏性是現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)重要戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)。自20世紀(jì)80～90年代，NASA持續(xù)致力于大迎角技術(shù)計劃(HATP)研究，以便探索大迎角高機(jī)動戰(zhàn)斗機(jī)的控制新概念、設(shè)計準(zhǔn)則、增進(jìn)了解和改進(jìn)預(yù)測技術(shù)。在該計劃中，F(xiàn)-18被用作飛行試驗平臺，開展了大迎角空氣動力學(xué)(前體邊條、前體渦誘導(dǎo)的垂尾抖振)和推力矢量等飛行試驗研究。

前體邊條飛行試驗研究［6］中對F-18機(jī)頭進(jìn)行了改裝，增加了邊條，繞機(jī)頭多個剖面布置了測壓孔，增加了煙流顯示裝置。試驗測量了非對稱邊條展開角對偏航力矩系數(shù)的影響;測量了邊條對前體壓力系數(shù)的影響;進(jìn)行了煙流流動顯示研究。

(2)推力矢量飛行試驗

推力矢量飛行試驗研究中對F-18尾部進(jìn)行了改裝，安裝了多軸推力矢量控制系統(tǒng)，主要由噴管外部的6個葉片和專用的研究飛控系統(tǒng)組成。飛行試驗測量了穩(wěn)定性和控制導(dǎo)數(shù)，研究拓展飛行包線，驗證70°大迎角飛行穩(wěn)定性和60°大迎角高速率滾轉(zhuǎn)機(jī)動等。

(3)邊界層轉(zhuǎn)捩研究

邊界層轉(zhuǎn)捩是空氣動力學(xué)研究的一個重要問題。美國基礎(chǔ)航空計劃(FAP)中的超聲速項目(SP)和高超聲速項目(HP)都有邊界層轉(zhuǎn)捩研究專項。在高超聲速方面，美國空軍實(shí)驗室和澳大利亞聯(lián)合開展了高超聲速國際飛行研究試驗;NASA開展了高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩飛行試驗;在跨超聲速方面，“灣流”G-III亞聲速飛行平臺通過對機(jī)翼局部翼段改裝，開展了離散粗糙元層流套亞聲速飛行試驗，驗證層流控制方法;F-15B超聲速飛行平臺開展了超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩飛行試驗研究［7］;在亞聲速方面，德克薩斯州農(nóng)業(yè)機(jī)械大學(xué)飛行實(shí)驗室和美國空軍研究實(shí)驗室用O-2A飛行試驗平臺掛載后掠翼試驗件開展亞聲速層流控制研究。邊界層轉(zhuǎn)捩試驗如圖6所示。

圖6 邊界層轉(zhuǎn)捩飛行試驗Fig.6 Boundary layer transition flight test

(4)超聲速聲暴抑制飛行試驗研究［8］

聲暴是制約民用超聲速飛機(jī)發(fā)展的重要因素之一。美國聯(lián)邦航空規(guī)章(FAR91.817a)禁止民用飛機(jī)超聲速飛行，鑒于未來民用超聲速飛機(jī)的市場需求，“灣流”飛機(jī)公司和NASA聯(lián)合開展了“安靜長釘”聲暴抑制技術(shù)的研究，采用F-15B超聲速飛行試驗平臺，機(jī)頭加裝可收縮“安靜長釘”，進(jìn)行了馬赫數(shù)1.4～1.8的飛行試驗，測量了近場聲壓，驗證了聲暴抑制/預(yù)測理論。F-15B“安靜長釘”飛行試驗如圖7所示。

圖7 F-15B“安靜長釘”飛行試驗Fig.7 Fight testing“Quiet Spike”on F-15B

3.2 概念技術(shù)驗證平臺

2003年，美國空軍和美國國防預(yù)研局(DARPA)啟動了“獵鷹”計劃，發(fā)展了一系列高超聲速技術(shù)驗證飛行器。HTV-1是一個集成了已有最先進(jìn)高超聲速材料和技術(shù)制造的無動力、可機(jī)動、高超聲速再入飛行器，利用它驗證飛行器的空氣動力學(xué)、氣動熱和熱結(jié)構(gòu)性能以及先進(jìn)的碳-碳加工方法;HTV-2吸收了HTV-1的成果，進(jìn)一步驗證先進(jìn)的空氣動力布局和熱防護(hù)系統(tǒng)、先進(jìn)的制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制系統(tǒng)等;HTV-3驗證集成雙渦輪沖壓SERN噴管、再生制冷雙模態(tài)沖壓、渦輪噴氣、噴管構(gòu)型。在空氣動力方面，驗證集成內(nèi)彎渦輪沖壓進(jìn)氣道的乘波氣動構(gòu)型，以及低的跨聲速阻力、高的高超聲速升阻比氣動設(shè)計技術(shù)。高超聲速技術(shù)驗證飛行器如圖8所示。

圖8 高超聲速技術(shù)驗證Fig.8 Hypersonic technologies verification

3.3 模型自由飛平臺

(1)機(jī)翼流動控制研究

美國亞利桑那大學(xué)開展了低雷諾數(shù)下的主動流動控制技術(shù)研究［9］。在風(fēng)洞試驗和數(shù)值計算取得成果的基礎(chǔ)上，利用模型自由飛飛機(jī)進(jìn)行了技術(shù)驗證，在機(jī)翼上加裝了NACA643-618研究翼型的翼段，安裝了用于主動流動控制的零凈質(zhì)量通量(ZNMF)作動器。在飛行條件下，測量了表面壓力，并與風(fēng)洞試驗研究結(jié)果進(jìn)行了分析對比。主動流動控制技術(shù)研究如圖9所示。

圖9 模型自由飛流動控制研究Fig.9 Flow control test by model free-flight

(2)火星科學(xué)實(shí)驗室(MSL)飛行動力學(xué)研究

美國陸軍研究室與NASA合作利用發(fā)展的射彈自由飛技術(shù)開展航天自由飛試驗研究。該技術(shù)將縮尺模型包裹在彈托內(nèi)，模型內(nèi)安裝有各種慣性、電磁和壓力傳感器測量并記錄數(shù)據(jù)，彈托由大口徑(內(nèi)徑178 mm)高能炮(M256)射出后，在飛行中分離并拋出試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行飛行試驗。陸軍研究室利用此技術(shù)開展了阿波羅返回艙、乘員探索飛行器(CEV)、火星科學(xué)實(shí)驗室等航天器的模型自由飛試驗，模型最大直徑171 mm，Ma=2～4，研究了氣動力、飛行姿態(tài)等。射彈模型自由飛試驗如圖10所示。

圖10 M256高能炮射彈模型自由飛試驗Fig.10 Model free-flght by M256 gun

4 結(jié)束語

眾所周知，美國擁有世界一流的大尺度風(fēng)洞和風(fēng)洞試驗?zāi)芰Γ瑩碛邢冗M(jìn)的數(shù)值計算/仿真能力，為什么還需要進(jìn)行飛行試驗研究?NASA第一任副局長德萊頓曾說過“是為了將真實(shí)從假設(shè)中分離出來，為了弄清哪些問題被高估了、哪些又未預(yù)料到”，這或許就是最好的答案。由此可見，空氣動力學(xué)飛行試驗是對風(fēng)洞試驗和數(shù)值計算的一種“去偽存真”。飛行試驗的不可替代性就在于其真實(shí)性，即:真實(shí)的飛行環(huán)境、真實(shí)的試驗飛行器或大尺度/高仿真部件。2012年，美國國家研究委員會(NRC)發(fā)布了“重振NASA的航空飛行研究能力”報告，表明了美國對飛行試驗研究手段建設(shè)的重視，美國空氣動力學(xué)飛行試驗平臺建設(shè)和應(yīng)用經(jīng)驗值得學(xué)習(xí)、思考和借鑒。

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