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第20章 主动控制技术(ACT)预研(3)

合同是签了,但执行起来任务是很繁重的,这是李明职业生涯中3次国际合作的第一次,可以说是毫无经验。尽管没有经验可以借鉴,但是面对来之不易的国际合作机会,李明和他带领的歼8ACT团队决定迎着困难上,边学习边摸索。

德国人的工作方法与美国人一样,即要求中方把歼8纵轴数字式电传操纵系统项目的整个评审内容要求,按工作项目分解(WBS),然后写出详细的工作说明(SOW),这样就可以把要评审的文件编成清单,按清单逐项编写出文件,并译成英文,分批提交他们评审。除了审查中方提供的文件外,MBB公司还派出技术人员到中国对项目进行实地考察,并当场提出存在的问题与改进措施。而有的文件则让中方派人去MBB公司听取意见。

MBB公司专家对项目完成评审后,认为歼8ACT验证机的电传系统与机械备份之间的转换系统的余度等级设置不合理,导致转换系统的可靠程度不够,建议中方将此改为双余度。中方接受了德国方面的建议,并在纵轴模拟式电传操纵系统中首先贯彻。

1987年4月,609所向沈飞公司交付装机系统。其间,按MBB公司专家对纵轴数字式电传操纵系统的评审建议,重新研制了双余度转换系统,以确保转换系统安全可靠。

1987年9月,模拟式电传操纵系统在验证机上完成了改装和导通检查。此后,又开展了一系列的机上地面试验,包括共振试验、结构模态耦合试验、机械备份系统性能试验、电传系统机上试验、转换系统试验、全机电磁兼容性试验以及与飞行测试系统的交联试验。同时,在地面台架上完成了转换系统试验、转换安全可信度试验、助力器挡墙撞击试验和撞击疲劳试验及五自由度飞行模拟试验。与歼8飞机相比,歼8ACT验证机要进行的试验更多,其中多项试验都是以前从未做过的,如结构模态耦合试验,而助力器挡墙与撞击疲劳试验,更是验证机特有的,只能根据实际情况对试验要求和方法做出决策。这就要求主任设计师既要熟悉验证机研制涉及的各个领域的技术,又要有面对问题时的判断决策能力。

在完成了所有必需的地面试验之后,模拟式电传操纵系统正式进入试飞阶段,该系统的试飞分为开环试飞和闭环试飞两个阶段。1988年9月16日,模拟式电传操纵系统通过了开环放飞评审,第二天成功实现首飞,随后共飞行了14个起落。1988年11月18日,模拟式电传操纵系统又通过了部级闭环放飞评审,12月8日闭环首飞成功,到1989年2月完成试飞大纲所规定的内容,共飞行了11个起落。

模拟式电传操纵系统的科研试飞主要由空军第一试飞大队试飞员刘刚完成,后来包括沈飞公司鹿鸣东副总经理、第一试飞大队赵士兵大队长都驾驶该机进行了体验飞行。试飞范围是高度5~18千米、表速360~1000千米/时、马赫数0.41~1.81、使用过载6,各种机动,如S形机动、急剧战斗转弯、360度滚转等,都非常成功。试飞结果表明,设计的电传操纵系统功能已正确实现,控制增稳功能明显改善了飞机操稳品质,飞行员反映“动则灵,静则稳”。当飞行迎角逼近给定限制值时,系统会自动降低增益并有告警显示,保证了飞机不会进入失速状态;系统最大过载限制有效;平飞加减速飞行中,系统可根据飞机响应变化自动驱动平尾舵机,使平尾偏转配平飞机,减轻了驾驶员负担;电传系统与飞机其他功能系统工作相容;机械备份操纵系统简单、可靠等。

模拟式电传操纵系统研制与试飞验证完全是立足于国内当时条件,自力更生完成的。其总体技术水平与美国70年代F-4飞机的高生存性飞行控制系统相当,它的研制成功,填补了我国全权限电传操纵系统的空白,为主动控制技术的开发开创了一个良好的开端。尽管这套模拟式电传操纵系统在当时已经不是最先进的,但是对于中国的航空工业而言,它仍然具有开创性的意义,这是一个巨大的成绩。

1989年5月,航空研究院主持召开了歼8ACT验证机纵轴模拟式电传操纵系统研制总结会议,对“歼8主动控制技术验证机纵轴模拟式电传操纵系统”项目正式进行验收。该项目获得1989年航空航天工业部科技进步奖一等奖,1990年获国家科技进步奖二等奖。

纵轴数字式电传操纵系统

纵轴数字式电传操纵系统研制与试飞验证,是“歼8ACT纵轴模拟式和数字式电传操纵系统验证机计划”中的一个子项,由于二者在操纵原理、部分硬件等方面有着一定的相似性,所以纵轴模拟式电传操纵系统和纵轴数字式电传操纵系统的研制是同时展开的。系统由618所和631所研制。

纵轴数字式电传操纵系统是一个以数字计算机控制为核心的全权限全时工作的闭环飞行控制系统,它具有控制增稳、放宽静稳定性控制、正向/中性速度稳定性控制以及过载与迎角限制等功能。该系统由4台数字计算机、模拟接口装置、三余度带自监控舵机、四余度的多种传感器、驾驶员控制与显示装置和机内自检测装置等组成。系统基本按四余度配置,具有双故障/工作能力。

与纵轴模拟式电传操纵系统相比,纵轴数字式电传操纵系统在技术上的根本区别在于,控制律计算、余度管理、故障综合与申报等实时任务都是由4台计算机中的软件完成的。为了保证电传系统失效后的飞行安全,该系统仍继承了模拟式电传操纵系统采用的机械备份系统,电传与机械备份系统之间的转换也是通过双余度配置的电液转换控制系统来实现的。座舱内有电传—机械备份位置差值表,可供飞行员参考决定转换时刻。

歼8ACT纵轴数字式电传操纵系统的方案论证从1982年11月开始,1984年11月结束,整整进行了两年。

随后,即开展了系统的原理样机研制,618所根据601所提供的歼8飞机气动力数据和飞机总体参数,开展了控制律的设计与仿真分析、余度结构和余度管理方案确定,而631所则负责四余度容错计算机方案确定。在这期间,601所先后完成了3种试飞构型(稳定、中立和不稳定)的实施方案,开展了机械备份操纵系统、电源与液压系统、大气数据与迎角传感器系统等方案的确定,对电传系统地面试验方法与设施改造也做了安排。另外,系统执行与应用软件的开发也开始进行。

1984年4月,李明被任命为601所副所长,除了繁重的科研任务外,又多了一些科研与行政管理工作。

不久,由于当时任沈飞公司科研副总经理与歼8Ⅱ型号现场总指挥的管德,根据上级安排要去联邦德国宇航研究院(DLR)做访问教授,而且回国后要到部科技局任局长,所以,为了贯彻当时的厂所结合制度,李明被派到沈飞公司接替管德任沈飞公司科研副总经理兼歼8Ⅱ型号现场副总指挥。

接替管总工作之后,李明每天早上要去沈飞公司上班,晚上回到所里,早出晚归,两线作战。李明在沈飞公司任副总经理的主要任务是组织歼8Ⅱ03、04架飞机的试制、调整试飞和转场去试飞院,以及配合歼8批生产的交付。但李明的精力主要放在前者,而且,当时为加快歼8Ⅱ的定型试飞进度,行政指挥系统(何文治副部长是总指挥)和总设计师系统(顾诵芬是总设计师)商议并决定采用沈阳、阎良两地试飞的方法,这既可减轻试飞院的压力(当时他们承担了歼8Ⅱ和歼7Ⅲ两个型号飞机的定型试飞任务),又可调动沈飞公司的积极性,所以就将歼8Ⅱ04架留在沈飞公司,由沈飞公司承担定型试飞任务。李明主持研制的歼8Ⅱ自动驾驶仪的试飞鉴定也在沈飞公司进行,试飞院派叶胜利长驻沈飞公司,主管试飞鉴定中的技术工作和试飞质量控制,以对自动驾驶仪的试飞进行鉴定。对李明来说,歼8Ⅱ飞机的两地试飞让他免去了在沈阳、西安两地的奔波,使他能够将更多的精力投入到主动控制技术工作中去。就ACT预研项目来讲,当时也是三线并行推进的,一是纵轴模拟式电传操纵系统,二是纵轴数字式电传操纵系统,三是MBB公司评审。

当时的任务十分繁重,对于喜欢身体力行的李明来说,也必须学会“弹钢琴”。李明在沈飞公司任职的时间不长,但由于工作关系,去试飞站的时间比较多,加之有部队外场和内场的工作经历,因此对试飞站的组织与运行熟悉得比较快,为后来的ACT验证机试飞打下了较好的基础。后来李明回到所里,接替他任科研副总经理的鹿鸣东是飞行员出身,既为歼8飞机的试飞做出了重大贡献,又热心于主动控制技术的开发,两个纵轴电传操纵系统和歼8Ⅱ三轴数字式电传飞操系统的试飞计划、组织、指挥都有鹿鸣东的功绩。

歼8Ⅱ飞机最初装备的173大气数据计算机,是在歼8系列飞机中第一个装机使用的数字机,采用中、小规模集成电路制作。但是,由于元器件并未经过严格的环境应力筛选,因此,装机试飞中,故障频繁,严重影响了歼8Ⅱ的试飞进度。后来不得不研制ADS-1大气数据系统替换173大气数据计算机。

歼8Ⅱ试飞过程中遇到的这个问题,让李明得到了启发。在纵轴数字式电传操纵系统研制过程中,为了减少以后试飞时的风险,李明提出对系统的容错计算机进行领先试飞,提前将其原型件装在歼8飞机上飞了8个起落,进行了适应性考核,并获得通过。

另外,考虑到将要装机的测量迎角的余度传感器(压差归零式)存在固有的安装位置误差,应提前进行试飞校准,于是,也提前安排了专项试飞。当时试飞校准仪器设备条件有限,只能与机头前的迎角风标传感器和平飞中的姿态角进行比较,得到相对准确的安装位置修正系数值。这些提前进行的系列试飞,既验证了系统核心部件的可靠性,也一定程度降低了以后试飞中可能出现问题的压力。

当618所在模拟台上完成了第一轮系统综合试验后,601所与沈飞公司人员前往618所进行了验收检查。1985年10月,经部级评审,同意纵轴数字式电传操纵系统转入上天件研制。

同MBB公司签订技术合作合同后,还需两国政府机关批准才能生效。因此,尽管合同执行期为21个月,但却经历了1985—1987年3年的时间。中方项目组按规定的文件清单编写供评审的文件,分批送到MBB公司评审。提供评审的文件,是以通过转阶段的原理样件为基础,按上天件的设计情况进行编写的,几乎涉及全部内容,包括电传系统试飞验证目标、电传系统的余度配置与管理、控制律设计、软件设计、主要部件设计、机内检测设计、人机接口、飞机改装方案、试飞测试方案、飞行试验大纲和安全措施等。编写与翻译的工作量以及双方的评审工作量都是挺大的。MBB公司专家组认为中方的歼8纵轴四余度数字式电传操纵系统(LQDFBWS)验证机计划的目标是正确可行的,对于实施方案与计划,根据他们的经验也表示赞同,对于系统中的硬件设计,他们也认为是当代技术水平的,同时也对系统与验证试飞方案提出了许多意见。

对德方的建议,主任设计师系统认真研究后同意采纳,主要的改进有:对控制律进行优化设计,提高系统的稳定储备,改进与优化系统的余度管理方案和算法;对影响飞行安全的关键硬件进行改进设计,如±5伏电源和告警模块要贯彻分离原则,以防止故障蔓延;取消非屏障中断;转换控制系统要按双余度设计,增加差值显示系统,取消3次故障时的自动转换;对部件和各分系统补充进行电磁干扰测试;改进地面模拟试验的数据采集与记录系统,建立六自由度飞行模拟系统;改进试飞测试系统,特别是应加装实时遥测系统;机载软件要按工程化标准重新编写等。

当时的软件编程基本上是手工作坊式的,本单位内都不一定透明,单位之间的了解就更差了,而软件在四余度系统中是单点故障源,一处错误导致四套全错,因此,机载实时软件的可靠性对飞行安全极为关键。经过认真讨论,统一思想,决定推倒重来,而且要求做到631所编写的软件源程序或汇编编码要提供给618所和601所进行检查,618所编写的软件,也要提供给631所和601所进行检查,因此,这套软件在研制团队之间是透明的(这一做法后来也贯彻于歼8Ⅱ的三轴系统研制中)。而且整套软件在全系统的半物理模拟试验和飞行模拟试验中,进行了严格考核和强度测试。上述改进,多数技术工作在主任设计师系统会议决定后是可以推进的,但有的是条件建设问题。比如试飞要装用的实时遥测系统,当时沈飞公司没有此设备,向试飞院借,可他们自己也不够用,最后,经顾诵芬与部科技局的努力,向五机部的装备研究院某研究所借到了他们从法国购买的一套机载实时遥测系统。经过艰苦的拼搏,改进后的系统进行了地面半物理模拟试验,并于1989年3月,上天件系统通过了验收评审。

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