中国山鹰高教机100%克服失速尾旋打破战机禁区

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<article><section data-type="rtext">在抗美援朝战场上，一天，朝鲜临津江上空炮声隆隆，中国人民志愿军空军与美国空军激战正酣，双方战机互相缠斗追逐。突然，我空军一架米格-15战斗机咬住了敌人的F-84飞机，我军飞行员锁定目标后，一串炮弹射向敌机，敌机冒着黑烟栽进了滔滔的江水中。然而就在这时，我们的这架飞机也因迎角太大，突然失速，很快进入尾旋状态。飞行员反推杆几次毫无反应。飞机一边旋转，一边往下掉。千钧一发之际，我军飞行员按下弹射钮，弃机逃生了。本来是一次漂亮的空中战役，可惜的是由于当时我们不懂得尾旋，也不知道如何改出尾旋而白白丢了一架飞机。直到抗美援朝战争结束后，我军才逐渐开始认识这特殊的航空现象。可以说，在我国航空发展史上，失速尾旋长期以来被国产战机视为禁区，困扰着我军航空兵部队训练水平的提高和飞机性能的发挥，严重影响着飞行安全，不少部队飞行员由于没有处置失速尾旋的经验，从而导致严重的飞行事故。破解“死亡陷阱”玄机失速和尾旋是两个概念，但又相互联系。我们先说失速，形象地讲就是飞机失去了保持正常飞行的最低速度。公路上的汽车没有速度可以停下来，而空中飞行的飞机却不行，没有了速度就会像铁疙瘩一样向下掉。从航空理论上分析，飞机的机翼能够产生升力是因为机翼上下存在着压力差，但这是有前提条件的，就是要保证机翼上翼面的气流不分离。当机翼的迎角较小时，在相同的时间里气流绕过上翼面所通过的路程比流过下翼面的路程长，所以上翼面的气流速度比下翼面的快，由于气流的速度越快压力就越低，因而产生了上下翼面的压力差。但如果飞机因为气流的干扰或其他原因，突然上仰并超过了临界迎角，靠近机翼翼面附近的气流在绕过上翼面时，由于自身粘性的作用，流速会减慢，甚至减慢到零，而上游尚未减速的气流仍然源源不断地流过来，减速了的气流就成了阻碍，最后气流就不可能再沿着机翼表面流动了，它将从表面抬起进入外层的绕流，这就叫作边界层分离，这种分离现象可能引起飞机升力突然减小、阻力增大、飞机操纵性和稳定性变差、发动机性能降低等问题，边界层分离如果发生在机翼上将产生很严重的后果，那就是失速。飞机失速之后的机翼气动效率极低，已经不能够产生足够的有效升力。多年来，世界各国航空科技人员为了克服边界层分离所做的努力，贯穿了近代航空的发展历程，始终是推进航空科技发展的重要动力之一。再说尾旋，飞机失速后，会导致缺少足够的升力，无法保持正常的飞行状态，如不能及时改出，飞机会在超过临界迎角后绕其自身的三根轴自转，同时重心会沿着陡的螺旋线航迹急剧下降，形成可怕的、难以控制的自转，这种危险的飞行状态就是失速尾旋，也称螺旋。而实际上的尾旋要比这种描述还要复杂得多，一架飞机在多次尾旋中可能具有完全不同的运动状态。飞机一旦进入失速尾旋状态，就会像进入了一个巨大的磁场，并呈麻花状态加速坠落。这种现象，过去常常导致机毁人亡，仅美国和俄罗斯在失速尾旋项目的试飞中，就损失过几十架飞机，数十名试飞员因此付出了宝贵的生命，失速尾旋因而被世界航空届称为“死亡陷阱”。也正因为如此，失速尾旋也是一个倍受世界航空界关注的问题，各国一直在进行探索和研究。当今，除专门用于科学试验外，都要求在临界迎角以下一定范围内飞行，不允许靠近更不允许超过，以免发生尾旋等危险。大迎角飞行试验与失速尾旋从航空发展初期至今，失速和尾旋一直是影响飞行安全的一种飞行状态，它的动力学特性以及进入和改出的操纵方法都与使用飞行包线范围内的飞行状态有着本质区别。因此，大迎角动力学研究和飞行试验验证工作一直是飞行试验的重要内容。
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 通常，飞机失速进入尾旋都是因飞机迎角过大，超过了特定的临界角度，约20度至70度，极端情况下会超过90度。俄罗斯试飞员普加乔夫在用苏-27作大迎角飞行试验时，有意关闭了飞机的迎角限制器，使他惊奇的是，当他拉杆使飞机迎角达到60~70度时，飞机仍能稳定飞行。惊讶之余，他拉住驾驶杆不放，飞机的迎角居然达到了不可思议的115度，随后自动恢复，由于这一动作酷似眼镜蛇高高昂起蛇头窥敌待击，故这个动作被称为“普加乔夫眼镜蛇机动”。当然，这个动作在当时俄方《飞行手册》里是没有的，也是飞行条令不允许的，这更多的是从飞行试验的角度和历史的机缘。现实中，尾旋状态下的螺旋半径很小，甚至只有几米，旋转角速度高可达每秒几弧度，下沉速度大，甚至达每秒百米。同时，尾旋作为一种极端复杂的机动，除了非常大的迎角外，还会有很大的侧滑角，并具有俯仰、滚转和偏航速率。失速尾旋不是飞机的正常飞行状态，一般是因为飞行员操作不当造成或遇到不稳定气流而发生的。由于尾旋的不可控性，极易造成飞机的坠毁，正常情况下应该尽量避免进入尾旋。但为了训练飞行员遇到尾旋时的处理能力及研究尾旋的改出方法，某些机动性较高的飞机，如歼击机、教练机，允许有意进入尾旋并改出。机动性较差的飞机，如轰炸机、运输机及民用客机则严禁进入尾旋。尾旋的复杂还表现在不但每一型飞机因外形布局不同，尾旋的特征不同，甚至对于同一型飞机的每一架单机尾旋特性也不尽相同。对于现代高机动性飞机的设计师、试飞工程师和驾驶员来说，了解和掌握这一飞行范围的机理知识和防范措施就显得极为重要。可以说，失速尾旋伴随着飞机的诞生而存在，也伴随着飞机的发展而变化，从早期的飞行品质规范到今天的指导新型机研制与试飞验证的《有人驾驶飞机飞行品质》的大迎角要求也发生了重大变化，当今更是引进了偏离、过失速旋转等许多新的概念，失速尾旋的神秘面纱也逐渐被剥开。随着现代航空技术的迅猛发展，为有效解决飞机因迎角过大而进入失速尾旋的情况发生，世界航空发达国家已广泛采用迎角限制器技术，这种系统可以做到无论飞行员在空中做什么动作，迎角限制器都可以把飞机的迎角限制在某一个最大值以内，以避免飞行员操纵过量，造成迎角过大，使飞机进入不安全状态。从这个意义上讲，现代飞机真正可以实现“无忧虑”操纵。尾旋虽危险但可以征服一般来说，尾旋有正尾旋和倒飞尾旋之分。正尾旋是在正飞情况下，飞机的迎角最大时开始失速，飞机进入的尾旋状态。倒飞尾旋是飞机在倒飞状态下进入尾旋状态。在飞失速尾旋时，试飞员要承担极大的正负过载，正过载将人向下压，造成眼球鼓胀。负过载是将人向上提，使人脱离座椅。在飞倒飞尾旋时，试飞员甚至会头顶舱盖，倒挂在座舱中。世界航空界通过多年的理论研究与探索实践，得出了一般失速尾旋的应对方法。对于正尾旋，飞行员要往相反旋转方向打满舵，在反方向侧压驾驶杆的同时前推驾驶杆，油门加到最大，直至改出俯冲，轻拉机头恢复水平。对于倒飞尾旋，须反方向打满舵，在反方向侧压杆同时后拉驾驶杆，油门加到最大，直至改出俯冲，恢复水平。实际上，不同的飞机有着不同的尾旋特性，虽然改出操作大同小异，但力度、节奏却要飞行员自己体会。一般来说，飞机在1000米以上进入稳定或临界稳定尾旋的飞机都能改出，过了1000米还不稳定的，就要跳伞了，但轻机型的飞机900米也可改出。完成失速尾旋试飞，除了理论上的突破外，还有一个重要的因素，就是试飞员的判断能力、驾驶水平和紧急情况下的心理素质。没有经过专门培训的飞行员在失速进入尾旋后会产生强烈的恐惧心理，动作盲目，以至造成各种误操纵，如抱杆不松，双脚用力蹬舵等，从而加剧尾旋的变化。如果在慌乱中丧失了有效高度，甚至连跳伞逃生的机会都没有。更重要的是，每一种飞机改出尾旋的响应时间是不同的，如国产歼教7飞机试飞员做完改出动作后，飞机一般在5秒左右改出尾旋，“山鹰”飞机的改出时间约为2秒左右。而有些飞机会达到10秒，甚至更长，这就需要飞行员具有良好的心理素质，敢于在尾旋中“多坚持一秒”，因为尾旋中的每一秒都会因人的生理恐惧而感觉非常漫长。中国当代试飞英雄李中华曾专门赴俄罗斯进行失速尾旋专项培训。在这次培训中，李中华以优异的成绩获得了由俄方颁发的失速尾旋试飞证书，他也是首次获得这一殊荣的中国人。回国后，李中华通过多年的飞行实践认为，失速尾旋虽然风险很大，但并不可怕。作为一名合格的飞行员和试飞员，必须有能力应付这种复杂的情况，更要有信心突破这一禁区。失速尾旋试飞的关键保障设施无论是民机还是军机，进行失速试飞都具有极大的风险性，即便是经验相当丰富的优秀试飞员，也会因失速状态的极端复杂性而发生改不出来的情况。因此，“失速反尾旋伞”等相关保障设施必须配套发展。失速反尾旋伞有何神奇之处？简单地讲，如果飞机失速进入尾旋时，飞机的速度相对较慢，飞机的运动是以旋转为主，飞机自身改变状态的能力较小。但是，飞机要改出尾旋却需要相当大的力。飞机装备了反尾旋伞系统后，当飞行员采取改出动作无法正常从尾旋中改出时，可以通过发射按钮使飞机启动反尾旋伞系统。此时，装在飞机尾部的失速反尾旋伞会被射伞火箭带出，巨大的反尾旋伞张开后，其阻力将形成一个绕重心的反尾旋偏航力矩和俯仰力矩，在这两个力矩的作用下，会产生很大的牵引力，帮助改变飞机的空中姿态，使尾旋被迫停止。可以形象地视为有一只无形的手，直接将飞机从尾旋中拉出。飞行员控制将伞抛掉后，飞机会进入正常的俯冲状态，从而退出尾旋。失速反尾旋伞对于新机研制、试飞技术发展、试飞员培养等都具有极为更重要的作用。研发安全有效的失速反尾旋伞系统是国际公认的高难课题，中航工业试飞中心经过17年潜心研究，终于在2007年研制成功了中国新一代反尾旋伞系统。2009年12月，试飞中心副主任赵鹏亲任机长，试飞员赵明禹任副驾驶员，驾驶ARJ21-700飞机101架机分别在动、静态状态下完成了新支线失速改出伞系统抛伞试验。本次试验也是我国在民机领域首次进行的失速改出伞系统项目试验，试验的成功，使我国在高难风险试飞领域又迈出了关键的一步，相关技术达到了国际先进水平。中国失速尾旋研究不断与世界接轨失速尾旋试飞探索的是飞机的左边界，从根本上来讲, 失速尾旋试飞是一种驾驶技术和飞机操纵性能的综合，而且随各种飞机的性能不同而变。在我国试飞领域，失速尾旋被列为I类风险试飞科目，攻克“死亡陷阱”，可以说是我国几代航空科研人员和试飞员的夙愿。40多年来，中国空军试飞员和试飞中心的科研人员克服重重困难，不断研究探索失速尾旋机理和改出尾旋办法，相继对平直翼、后掠翼、三角翼和民用飞机等4种不同类型的飞机进行了失速尾旋研究和试飞，成功摸索出了一套套改出失速尾旋的有效方法,使我军的尾旋失事率减少到了世界上最少的水平。中国最早进行失速尾旋研究的是用“红专502”(初教6)飞机进行的失速尾旋试验。1960年11月，该机成功完成了失速尾旋试飞，试飞中不论采取“反舵推杆”标准法，还是“三中立”(即舵、杆、油门均居中)方法都可以有效地改出尾旋。这一结果，后被写入了该型机的《飞行员手册》。从1998年到1999年，试飞中心由李树有和王启负责，开始利用国产歼教7飞机进行失速尾旋研究，这是我国首次进行的三角翼飞机失速尾旋试验。在以后的试飞中，试飞员李中华和李存宝又驾该机完成了风险更大的倒飞尾旋。国产三角翼战机失速尾旋禁区的突破，不但填补了我国航空领域的空白，更重要的是进一步拓展了国产战机的性能，增强了部队飞行员处置失速尾旋的信心。进入新世纪以来，试飞中心又成功进行了新一代飞机的迎角限制器验证试飞，并研制成功三代机尾旋试飞用的反尾旋伞系统;成功突破飞机大迎角控制律验证技术，这对于我国大迎角特性试飞有着划时代的意义，该技术成功应用于我国自主研制的新型飞机大迎角特性试飞，标志着我国在新飞机大迎角控制律验证领域逐步与国际接轨。试飞中心近期最具代表性的失速尾旋试飞是在“山鹰”飞机上进行的，该机的失速尾旋试飞主要围绕过失速性滚转、失速性滚摆、陡尾旋等三种失速尾旋模态展开。试飞中，试飞员还专门对“失速后”和“尾旋中”部队飞行员容易做出的错误动作进行了全面模拟，以观察飞机的状态反应，分析探索应急解决方案。在“山鹰”失速尾旋试飞过程中，试飞员进入各种尾旋达30余次，飞机负迎角最大达到50度，试飞员负过载最大达到2G，其中两次还进入了风险巨大的倒飞尾旋。通过试飞，试飞员总结出了“三中立”的尾旋改出方法，即改出尾旋要同时做到杆、舵居中，使飞机的副翼、方向舵、平尾都处于中立位置。试飞员们还尝试了“极端”的改出方法，就是采用“三中立”后，即使试飞员撒手，飞机也能自己改出尾旋。特别是在后几次试飞时，飞机已拆掉了失速反尾旋保护系统，飞机是在原机状态下完成的失速尾旋试飞，使试飞更具有代表性。自此，“山鹰”改出尾旋的成功率达到100%。试飞成功，也使我国在失速尾旋领域又向前跨进了一大步。近年来，试飞中心失速尾旋研究工作取得长足发展，如在新型飞机大迎角控制律验证技术试飞过程中，我国首次将虚拟试飞技术应用到大迎角特性试飞中，将真实飞行试验与虚拟试飞相结合进行大迎角特性试飞，构建了新的大迎角特性试飞体系。试飞过程中，能实现试飞员驾驶动作通过遥测传给GDAS(地面监控系统)，GDAS通过网络传输给模拟器，模拟器根据试飞员驾驶动作进行仿真计算，并实时将仿真结果再传回GDAS。通过试飞数据与模拟器数据对比，充分观察和比对真实飞机与模拟器之间的差异，为模拟器的模型验证提供依据。同时，试飞小组可以根据飞机与模拟器的相关性来实时决策是否继续下一架次的飞行试验，有效地提高了试飞效率、化解了试飞风险，确保了大迎角试飞安全，相关技术达到了世界先进水平。</section></article>

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