飞机气候试验室,或将推进国产飞机取证进程——丹泊仪器

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飞机气候环境适应性试验(简称“飞机气候试验”),是指在室内模拟或外场自然气候环境(包括高温、低温、湿热、淋雨、降雾、降雪、冻雨/积冰和太阳辐照等)条件下,让飞机经受气候环境应力的作用,从而获取飞机耐气候环境极限能力信息,并根据研制要求、失效判据及试验数据对其气候环境适应性进行综合评价,确定其气候环境适应性能力满足要求的程度。

S-92直升机旋翼冰防护系统适航性验证试验
图1 S-92直升机旋翼冰防护系统适航性验证试验。

S-92A实验室结冰试验 , S-92A外场结冰试验,S-92A飞行结冰试验

飞机气候试验是通过试验来确认飞机气候环境适应性是否满足要求的一种评价方法,它是飞机质量验收的基础。飞机气候试验并不包含飞机结构腐蚀和老化等长期效应的环境适应性试验,属于非破坏试验,试验完成后,飞机可正常使用。飞机气候试验分为实验室模拟气候试验、外场自然气候试验和使用环境气候试验。

与外场自然气候试验相比,实验室气候试验不受季节、地区和时间的限制,周期短而且成本低,容易得到可重复的试验结果,所以飞机气候试验大多数在实验室中进行。当飞机机体过大而没有实验室可以容下时,只能在外场自然气候中进行试验。另外,受气候实验室的尺寸限制,难以在室内开展飞机处于运动状态下的气候试验,例如,飞机不能在实验室中滑行,不能再现飞机在冰雾情况下滑行、起飞等试验。因此,飞机的实验室气候试验和外场自然气候试验是相辅相成,互为补充的。

飞机气候实验室


实验室是开展飞机气候试验的有力工具,是综合运用制冷、加热、空调、控制、计量等技术模拟极端气候条件的载体,目前正常运营的气候实验室有美国麦金利气候实验室、英国飞机气候实验室、瑞典飞机气候实验室和韩国飞机气候实验室等。

美国麦金利气候实验室

麦金利气候实验室始建于1947年,位于佛罗里达州格林空军基地,后经过多次改造,可容纳美国最大的C-5“银河”军用运输机(图2),是世界上现有规模最大的气候实验室。麦金利气候实验室有8个大型实验室,包括主环境室(71m×62m×21m)、发动机环境模拟室、沙尘模拟室、盐雾实验室、高度模拟室、雷电实验室、沙漠气候实验室和海洋气候实验室,能对全机进行高温、低温、湿热、淋雨、降雪、冻雨、地面降雾、吹雨、吹雪、吹风、日照、旋风结冰、雷电等气候试验,目前已进行了400余架各类飞机,70多个导弹系统,2600多种军事装备的气候试验。

美国麦金利气候实验室
图2 美国麦金利气候实验室。  

英国飞机气候实验室

英国飞机气候实验室位于博纳科姆镇,由低温实验室(18.5m×16 m×4.5m)和高温实验室(30m×30 m×5.5m)组成(图3)。主要用于飞机及其他武器装备的气候试验,试验时发动机可运转,具备空气补偿和废气排放能力,可对飞机进行高低温、湿热、沙漠等极端气候条件测试。

英国飞机气候实验室
图3 英国飞机气候实验室。

瑞典飞机气候实验室

瑞典飞机气候实验室位于瑞典基律纳,是仅有的位于北极圈内的气候实验室。该实验室是美国波音公司、美国航空航天局(NASA)、欧洲空客公司、欧洲航空安全局(EASA)等的极寒定点测试场所。实验室具备进行飞机全机低温、高温试验的能力,实验室内温度可在-50~45℃调节。试验对象包括各类民航客机、运输机、战斗机、直升机等,开展过美国ER-2、F-15、C-130、波音737、M-55、欧洲A400M等飞机的极寒气候试验。

瑞典飞机气候实验室
图4 瑞典飞机气候实验室

韩国飞机气候实验室

韩国飞机气候实验室建成于2008年,位于瑞山,内部尺寸42m×32m×15m(图5)。具备对中小型飞机进行高温、低温、降雨、太阳辐照、冻雨、湿热等环境试验的能力,主要用于韩国KF-X隐身战斗机、武装直升机、中高空无人机和中程反坦克制导导弹等武器系统气候试验。

韩国飞机气候实验室
图5 韩国飞机气候实验室。

实验室飞机气候试验


实验室飞机气候试验通常在极端气候条件飞行试验之前进行,以提前暴露飞机气候环境适应性设计与工艺缺陷,并对设计与工艺的改进进行验证,保障飞行试验安全。2003年9月,F/A-22“猛禽”在麦金利气候实验室开展了为期3个月的气候试验(图6),包括高寒、太阳辐照、淋雨、降雪、吹风、降雾和湿热试验,另外还有极端气候条件下的保障与维修测试。在麦金利气候实验室工作了近30年的实验室主管Wayne Drake说:“我们试验了F/A-22可以想象到的每一种作战条件。在这里用3个月时间得到的数据,在没有这个设施的情况下要花几年的时间才能得到,并且费用要高得多。我们现在知道F/A-22能够在哪些气候条件下工作。”

波音787“梦想飞机”在麦金利气候实验室进行了两周的极端温度测试(图7)。目的是保证飞机系统在可能遇到的所有温度环境下均能正常运行。之前波音787对于低温测试地点存在争议,项目的延迟错过了冬季去加拿大北极地区进行试验的时机,最终波音公司宣布787将前往麦金利气候实验室进行测试,因为实验室不仅可以开展低温测试,还能模拟夏天烈日炎炎的环境。

飞机气候试验标准


目前,发达国家几乎都有自己的环境试验标准,但这些标准的试验等级和试验方法并不统一。随着现代科学技术的高度发展,世界各国之间设备的标准化和通用化,要求采用统一的环境试验标准。当前在国际上有较强影响力的环境试验标准有美国军标MIL-STD-810《环境工程考虑与实验室试验》、英国国防部标准DEF-STAN 00-35《防务装备环境手册》、北大西洋公约组织标准NATO STANG 4370《应用环境条件与试验发行》、俄罗斯标准гост20.57-406-89《质量检验综合系统、电子技术产品、量子电子产品和电气产品试验方法》和гост16962.1/16962.2《电气产品对外界气候作用/机械作用因素性试验方法》。我国也以MIL-STD-810F标准为蓝本,制定了GJB4239《装备环境工程通用要求》和GJB150A《军用装备实验室环境试验方法》。目前有关环境试验方法的标准通常只用于部件或设备的试验,不包括飞机机体结构和动力装置的试验,还没有用于实验室飞机气候试验的标准或规范。

“猛禽”降雪试验
图6 F/A-22“猛禽”降雪试验。 

美国空军飞机的气候试验以空军系统和装备全天候验证程序AFR80-31和AFR80-31的补充材料为主要依据。在这个文件中规定空军装备必须具备在各种气候条件下运行的能力,规定在设计、开发和试验中必须考虑自然环境的影响,并且要求采购的系统和设备必须在很宽的自然条件范围内可运行、维修、贮存、包装和运输。在此验证程序中还列出了5类全天候试验及其他项目,其中包括设计准则,全天候试验策略、责任分配和特殊的试验支撑程序,该文件是美国进行军用飞机气候试验的指令性文件。

飞机气候试验的发展建议


气候环境适应性是飞机的一项重要质量特性,飞机气候试验是验证飞机气候环境适应性的有效手段,飞机气候实验室是开展飞机气候试验的有力工具。飞机气候试验在国外已经进行了60余年,形成了较为完善的专业体系和实验能力。我国的飞机气候试验技术发展现状不容乐观,主要体现在以下几方面。

波音787“梦想飞机”气候试验
图7 波音787“梦想飞机”气候试验。

一是专业基础极其薄弱。长期以来,国内飞机型号的研制模式决定了专业技术人员聚焦于传统专业的关键技术与瓶颈技术的研究,对飞机气候试验技术的关注度较低,重视度不够,对其重要性认识不足,科研经费投入很少,导致其专业基础极其薄弱。

二是试验能力尚属空白。飞机气候实验室是飞机气候试验技术专业发展的前提条件,是实现飞机服役极地气候模拟的关键系统,其设计、建设和运营均具有系统复杂度高和技术难度大等特点,目前国内飞机气候试验能力尚属空白。

三是型号研制需求紧迫。近年来,我国航空工业迎来了型号研制的高峰期,一大批军民用飞机型号进入研制的关键阶段,这些型号能否满足气候适应性设计要求,将对飞机研制计划、未来战斗力和经济性产生极其重要的影响。

综上所述,基于国内目前专业发展现状和飞机型号研制需求,对飞机气候试验的未来发展提出以下建议。

系统规划,构建体系

鉴于国内目前气候试验技术与试验能力的发展现状和型号研制的紧迫需求,国家应高度重视,在专业研究机构的技术支撑下,由国家相关部门组织国内强度专业研究所和相关研究机构,认真研究国内外专业发展现状和未来发展趋势,结合目前与未来新机研制的技术需求,系统研究我国飞机气候适应性专业发展纲要,制订专业未来发展规划,稳步构建未来专业发展的技术体系。

深入研究,突破关键

基于专业发展规划,梳理目前需要突破的一批关键技术,如飞机气候适应性设计技术、飞机气候试验规划与剪裁技术、飞机气候试验设计与实施技术、飞机气候适应性评估技术等,在“十三五”期间应予以重点支持,深入研究,实现突破。同时,对国内外关于气候试验标准与试验管理程序进行深入研究,通过消化、吸收和再创新,编制适应我国国情的飞机气候试验技术标准与试验管理程序。

加大投入,形成能力

气候实验室系统技术难度大、复杂程度高、资金投入大,是研究气候适应性专业技术必须具备的关键试验能力,是集温度控制、气流组织、隔热保温、环境实现、系统总控于一体的建筑、设备和系统高度耦合的复杂试验平台,其试验对象是全状态飞机,在试验的各个状态和系统需要单独、全部或组合工作,这包括发动机系统。建议国家应在未来10年内,系统规划,稳步实施,加大试验能力建设的投入力度,尽快建成体系完整、技术先进的气候实验室,支撑专业体系件建设,支撑型号研制,提升飞机品质,以保障飞机气候适应性和战斗力。  

(王彬文,中国飞机强度研究所)

版权声明:原文刊载于《国际航空》2017年第1期《飞机气候试验发展综述》。欢迎分享,请注明出处。

2019年4月26日 15:23
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