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第18章 主动控制技术(ACT)预研(1)

第三代战斗机[1]的主要技术特征

20世纪60年代后期—70年代初,东西方阵营的冷战逐渐进入高峰,在这种国际政治军事大环境下,以美国为首的西方国家和苏联纷纷投入大量人力、财力,开始了第三代战斗机的研制。基于越南战争中空中作战的经验和教训,以及科学发展趋势和可采用的技术,特别是以计算机技术为代表的信息技术的迅速发展,美国、苏联、法国、以色列等国家在他们研制的新一代战斗机上,实现了若干重大技术突破与创新,这些技术突破与创新,也就是后来第三代战斗机的主要技术特征。

如今,第三代战斗机仍然是世界空中强国的主力战机,而关于第三代战斗机的这些技术特征也已经为很多人所熟悉,总结起来大致如下。

第一,采用了能够适应中、低空和亚、跨声速飞行,有利于空中机动格斗和能够实现空中优势的气动布局。如典型的中等后掠角、中等展弦比的边条翼正常布局,翼身融合体设计,以及近耦合鸭式布局等,前者如F-15、F-16、F-18、苏-27、米格-29等,后者如“幼狮”及后来的“阵风”和“台风”等。

第二,采用了既可以改善飞机的飞行品质,让飞行员进行无忧虑操纵,又能提高飞机总体性能的数字式或模拟式电传操纵系统(D/AFBWS)。电传操纵系统是主动控制技术的基础和核心,而各种主动控制功能的实现,能为飞机的总体气动布局乃至结构设计带来可观收益。

第三,将以前飞机上诸多分立的任务设备,如目标探测/跟踪雷达、通信/导航与识别设备、武器控制与管理系统、火力控制与瞄准装置,以及作为人机接口的控制与显示设备等,基于数据通信的方式进行综合集成,构建成为综合航空电子系统(IAS)或导航攻击系统。大大提升了系统的综合化、数字化、自动化水平,也在一定程度上解决了座舱空间的有效利用与布置的难题。

第四,普遍采用推重比达到8一级的大推力涡扇发动机,从而为实现飞机的推重比大于1奠定基础,也为提高飞机的航程和续航能力创造了条件。此外,这类发动机普遍采用了双余度全权限数字式电子控制(FADEC),能有效地提高发动机适应各种需求和环境的能力。

此外,在第三代战斗机上,还用到了一批新的材料和制造工艺技术等。

综上所述不难看出,第三代战斗机与之前的F-4、米格-21、米格-23等第二代战斗机相比,取得了跨越式的技术进步。上面所提到的四项主要技术,都是经过长期预先研究才得以成熟并付诸应用的,而电传操纵系统和主动控制技术、综合航电系统以及发动机FADEC技术,则是当时迅猛发展的信息技术以及微电子技术在飞机设计中应用的典型案例,是机械化和信息化相融合的显著标志。因而,上述技术不但是一个国家航空技术水平高低的标志,也是一个国家信息技术发展水平的标志之一。

不过从前文中所述的2号机即后来的歼13飞机的研发过程来看,当时我国航空工业领域尚未对新一代战斗机的主要技术特征形成这样全面的认识。

“幻影”2000飞机引出的军方需求

在西方,法国是少数几个拥有独立完整的战斗机设计研发能力的国家之一,这在当时可以避免法国在军事装备上对美国的严重依赖。法国国内,从事军机研制的主要企业是达索公司,作为法国最大的私营航空企业(现已国家控股),该公司的“幻影”系列战斗机不但一直都是法国空军的主力装备,而且在国际市场上也取得了不错的外销成绩。

70年代中期,美国的F-15和F-16两种第三代战斗机相继服役,在这种情况下,法国空军也将下一代主力战斗机研制计划提上了日程,并于1975年正式选中达索公司的“幻影”2000战斗机作为80年代中期以后的主力作战飞机。1977年底,第一架“幻影”2000原型机制造完成,并在1978年3月完成首飞。考虑到法国空军未来采购的数量有限,因此“幻影”2000飞机还没有完成设计定型时,达索公司就开始着手向国外推销该型飞机。1981年,在得知中国正在研制歼6战斗机的后继机型的消息后,达索公司派人来到中国,积极向我国空军推销“幻影”2000战斗机。

作为来自工业部门的专家代表,李明参加了这次有空军和工业部门出席的法国产品推介会。根据在推介会上的介绍,“幻影”2000飞机为单发无平尾******布局,采用了四余度三轴模拟式电传操纵系统和以导航/攻击系统为核心的任务系统,动力系统为一台M53系列涡扇发动机。综合这些特点可以看出,该机虽然不是当时西方最先进的战斗机,但它已经进入了第三代战斗机的行列。

这次推介会之后,中国空军向法方提出要求考察达索公司和“幻影”2000飞机,并要求试飞该机,以体验其使用性能,法方对中方的要求表示同意。

1982年6月,以空军副参谋长姚峻为团长,来自空军、航空工业部、电子工业部等单位专家组成的一个20多人的代表团赴法国考察,601所的李明和王忠利两人参加了考察团。这是改革开放后李明第一次出国考察,相对于法国的美景,更吸引李明的是该国发达的航空技术和设计制造能力。他在达索公司看到了不少从未看到过的东西,比如用复合材料制成的前缘襟翼、复合材料水切割设备和超声波探伤设备。他们还参观了位于法国与比利时边界处的达索公司数控加工专业工厂,所有机型大件(如机翼大梁、机身框等)都是集中在这里进行数控加工,然后再运往装配工厂。

考察团的另一项重要任务是参观位于马赛附近的达索公司试飞基地Istre,考察了“幻影”2000飞机和它所配挂的武器、副油箱和各种维护保障设备,还观看了法国空军“钻山洞式拆装发动机”演示。作为本次法国考察的重头戏,我方试飞员葛文墉、蒋德秋在接受了法方技术人员关于座舱和飞机使用的讲解和培训后,分别驾驶“幻影”2000双座战斗机进行了多个架次的考察飞行,包括常规飞行和特技飞行,对机载航电、雷达、火控、武器系统性能有了比较清晰的认识。另外还参观了斯奈克玛公司发动机制造厂,了解M53发动机的研制生产情况。

这次考察前后历经20多天,是中国人第一次直接面对西方发达的航空工业,真正认识到了双方存在的差距,当然也有巨大的收获。

考察团回国后,顾诵芬总师曾专门邀请葛文墉到601所介绍试飞“幻影”2000的情况,希望对歼8飞机的研制能有所借鉴和参考。葛文墉详细介绍了试飞“幻影”2000的情况,并对该机的性能给予了高度评价,他当时有一句话让所有在座的人印象深刻,在讲到对“幻影”2000的总体评价时,葛文墉告诉与会人员,“这种飞机大大减轻了飞行员的工作负担,飞行中飞行员十分轻松;如果不是对方飞行员发生错误,歼8同‘幻影’2000对抗是不会赢的”。来自空军试飞专家的意见如同警钟,让与会的李明久久不能平静。

空军根据在法国的考察情况,向中央军委上报了采购“幻影”2000飞机的报告,当时国防科工委对买与不买,组织了空军和工业部门的100多人进行论证,最终得出的结果是该机虽然性能先进,但是由于价格太高,以当时我们国家的实力根本买不起,决定放弃购买。尽管放弃了外购道路,但空军对第三代战斗机的迫切需求已摆在面前。而当时在歼13飞机的研制中,除进行了大量高机动格斗气动布局——边条翼的研究与选型外,其他如电传操纵与主动控制技术、综合航电技术、推重比8的涡扇发动机及发动机FA-DEC技术等技术储备基本上是空白。

对于歼13“下马”的问题,李明觉得尽管其中不乏行政命令等因素,但其实从技术层面上讲,歼13飞机只在气动布局上下了功夫,在发动机选型上并未获得真正进展。而电传操纵与综合航电技术尚未沾边,显然难以满足空军对第三代战斗机的要求,而从对外合作的角度讲,外方电传操纵系统是按鸭式布局设计的,兄弟所的方案与之相近,有一定的优势。对外方来说,这也是风险小、收益好的选择。因此,他猜测这至少是选择定点成都的可能原因之一。

对比在法国的所见所闻,回想此前的歼13项目,李明感觉到了我国的差距,同时也使他认识到必须攻克电传操纵和综合航电系统的设计与研制技术,否则新一代战斗机的研制无从谈起。

关于ACT项目

1978年,徐昌裕被任命为航空研究院院长,他上任后的第一件事是对航空工业初创时期科研工作的经验教训进行总结,徐昌裕深刻体会到:由于缺乏技术储备,十几年来新机研制基本上走的是边设计边攻关的突击式科研道路,研制工作被动缓慢,拖长了周期。为此,他专门用了两个月时间分期分批召集各航空厂、所、院、校有关专家和教授约300人进行座谈。徐昌裕经过总结后指出,之前航空领域曾“上马”的飞机、发动机、导弹等型号虽然很多,但研制成功的少,失败的多,究其原因,很重要的一点就是缺乏技术储备。为了改变现状,他决定并组织编制了航空科技发展规划,成为后来中国航空工业科研工作的指导性文件。

此后,在摸清航空科技发展规律的基础上,由航空工业部党组在“天津会议”上提出了“科研先行、加强预研和加快飞机更新换代”的方针,列出了预研方面高推重比发动机、主动控制技术、先进火控系统等八大关键项目共119个重点课题。“天津会议”后,航空工业部党组下达了《航空工业1978—1985年科学技术发展纲要》(简称《纲要》),并要求贯彻当时吕东部长提出的“三个一代”,即预研一代、研制一代、生产一代。

为了保证《纲要》的实施,航空工业部党组决定将每年科研经费的30%用于预研工作,并首先满足试验设备引进;航空研究院统一归口管理航空预研工作;从1978年开始,各单位的预研计划由航空研究院审批下达。此后,徐昌裕积极落实预研经费,还召开专题会议详细分解重大课题与落实主要负责单位,制订研究规划,大抓重点试验设备和测试手段的引进与自制。飞机研制由混乱无序走上了科学轨道,许多重要课题不断取得新成果。“天津会议”成为中国航空工业发展史上的一个转折点。这次会议对李明之后一直坚持预研先行产生了巨大影响。

主动控制技术作为航空科技发展规划中确定的一项需要掌握与突破的关键技术,当时的航空研究院专门设立一个ACT处,对主动控制技术的研究工作进行管理和协调,处长是程映雪,主管是金淑慧。部院合并后,程映雪离开了航空工业部,而金淑慧则到航空工业部科技局任飞机处处长,但她的主要精力仍放在主动控制技术项目的管理上,为贯彻实施与推进主动控制技术预研规划做出了重大贡献。

主动控制技术是一种能提高飞机飞行性能和作战效能的综合设计技术(之前也称随控布局技术)。主动控制技术的基础和核心是电传操纵(Fly-By-Wire,FBW),即以飞机运动参数为控制对象,以计算机为控制核心,采用余度信号传输的飞行控制系统。主动控制技术在飞机上的应用并不局限于飞行控制,还涉及到气动力、飞机结构、推进系统、火控系统及航电系统等。主动控制技术给飞机设计师提供了更大的自由度,使飞机的综合性能和效能得以优化,它的基本功能主要有:放宽静稳定性(RSS)、机动载荷控制(MLC)、结构模态控制(SMC)、直接力控制(DFC)、阵风减缓(GA)、颤振主动抑制(FAS)等。以主动控制功能开发为基础,还可以开展更为复杂的系统综合控制技术研究,如火力/飞行/推力综合控制的研究等。

从1978年开始,李明在参与2号机研制过程中,在大量查阅国外最新资料时,他就开始关注并跟踪国外航空技术的发展趋势。他发现,当时西方航空技术发达国家都在开展主动控制技术的研究与应用,美国已经在其F-16战斗机上将该技术实用化。这给了李明一个启发,那就是我国未来研制的飞机,不但要追求良好的机动性能,在飞行控制和火控系统等方面也要采用新的技术,特别是主动控制技术。此后,李明开始留意国外主动控制技术资料的收集整理和学习,并在所内从各有关研究室抽调人员组成研究小组,收集与翻译国外资料,定期进行技术讨论和交流。正是这个在当时看似业余性质的研究小组,为我国航空领域开展主动控制技术的研究培养了人才。

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