美国F-35B战斗机的气候试验——丹泊仪器

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自1947年以来,美国研制的每一架新型军用飞机都要在佛罗里达州埃格林空军基地的麦金利气候实验室进行试验,包括F-16战斗机,F-117、F-22和F-35隐身战斗机,B-1、B-2轰炸机和C-5M大型运输机等。气候试验是美国军机形成初始作战能力(IOC)必须通过的一道关卡。美国海军陆战队的F-35B在2015年形成IOC时,就在这里通过了严格的气候试验。

试验环境与试验设施


麦金利气候实验室是美国空军研制试验中心(AFDTC)第96试验联队的一个大型气候实验室,也是目前世界上最大的气候实验室。该实验室占地面积近30km2,工作区面积为5100m2,包括两个主实验舱和8个不同功能的实验舱,可以对全球30多种气候环境、气象条件进行研究和模拟。主实验舱宽77m、进深61m、高21m。淋雨实验舱的暴雨量可达380mm/h,并能下雪和结冰。

在一系列的气候试验中,飞机会经受各种极端的天气状态,从49℃的热试验到-40℃的冷试验,以及各种结冰状态(冻雨和冰云)。每一次气候试验与F-35的飞行一样,驾驶员和地勤人员会围绕飞机进行检查,接着驾驶员爬上梯子进入座舱,起动发动机并在每一种天气状况下运行飞机上的各种系统。

为了容纳F-35发动机旋转喷管和升力系统,还特别设计了一个高5.2m与通风导管系统交接的“约束和支持”装置。该装置能保证F-35的安全,并允许常规起降的F-35A和短距起飞/垂直降落的F-35B飞机在实验舱内大功率运行。

在实验室里,飞机发动机在一个封闭的环境下运行,在机库内必须能够引入空气并且排出废气,而且为了保证试验结果的准确性,引入空气的温度必须与实验舱的温度相同。

实验室里的大量空气是从实验室外巨型的储存容器引入的,而且吸入实验舱的空气量与排出的空气量应该相等。当容器的空气完全排空时,需要花费24h来向储气罐加注调节过的空气,特别是在极端气象条件下需要的极热或极冷的空气。

试验内容与试验过程


2014年9月,来自美国马里兰州帕塔森特河综合试验部队的1架F-35B战斗机在麦金利气候实验室进行了为期6个月的严格气候试验。在试验过程中,评估了F-35B飞机在极端的风、太阳辐射、雾、潮湿、雨水浸泡、冻雨、冰云、结冰、涡旋结冰和下雪等环境下的性能。2015年3月,F-35B完成了一系列的气候试验,飞机恢复到飞行状态,重新加入到马里兰州帕森特河海军航空站F-35试验机队。

冷试验

进行冷试验是F-35B形成初始作战能力的一个关键步骤,因为当F-35B在加拿大和挪威使用时将会经受这种环境。利用麦金利气候实验室的致冷系统把超冷空气引入实验舱,使其温度下降到-40℃。在这种寒冷的温度下,飞机内的液体开始收缩而且机构反应变慢,测试工程师对飞机上的各种系统的工作状态进行了测试。

F-35B进行冷试验的情况
图1 F-35B进行冷试验的情况。

图1给出F-35B在麦金利气候实验室进行冷试验的情况。在F-35B的前方有一个冰云试验校准装置。该装置用来测量承受冷冻气流袭击的F-35B是如何结冰和在哪些部位结冰。

当F-35B高速穿过云层时,在飞机外表层可能快速结冰,这种大冰块可能损坏飞机,漂浮的冰块飞入发动机,也可能造成外来物损坏事故。因此,结冰是最危险的气候试验之一。下雪和结冰试验可以测量F-35B防冰系统的效能和在冬天执行作战任务的能力。图2为F-35B进行结冰试验时,机头结冰的状况。

F-35B进行结冰试验时机头结冰的状况
图2 F-35B进行结冰试验时机头结冰的状况。

图3为F-35B进行结冰评价试验的配置图。在F-35B战斗机的前方是1个由3个巨型圆筒堆叠成金字塔形状的大型装置,与地面平行摆放。在这3个圆筒内共装有9个涵道风扇,像一个巨大的吹风机,通过前方的一个漏斗吹出大量的空气。在漏斗的前面连接一个能够产生“云”(由各种大小水滴组成)的喷射棒。

F-35B在进行结冰评价试验
图3  F-35B在进行结冰评价试验。

这些水滴喷向飞机并在接触点处凝结。尽管该实验室不能精确模拟飞机承受的风速,但是在实验舱内的独特装置能够产生高达193km/h的风速,所有水滴都会降落在F-35B飞机上。

热试验

在雪溶化并通过实验舱底板的大型排泄管输送到一个专用的蓄水池之后,开始进行F-35B热试验。这些试验从27℃开始并且在飞机发动机运转的情况下升高到41℃。随后的一系列试验使飞机承受41℃、74%的相对湿度和41℃、58%的相对湿度,以发现飞机内部出现凝结的部位。

F-35B正在进行热试验
图4 F-35B正在进行热试验。

在F-35B的热试验过程中,为了再现F-35B在亚利桑那州尤马海军陆战队航空站基地驾驶员全天坐在机库前的柏油场地的状态,进行了12h的模拟试验。实验舱内的飞机发动机保持停车,在达到模拟的最高温度后,接通飞机电源并起动发动机。

实际上,在一天内大气温度不会保持恒定,太阳升起后,大气温度一直在升高,到下午达到最高点。因此实验舱模拟了1天24h的温度变化。

图4表示F-35B在一个巨型的太阳能电池组下进行热试验。在F-35B飞机上方的巨型太阳能电池组的强光照射下,飞机表面的温度会快速升高。

为了在实验舱内保持稳定的温度,排气通风是至关重要的。经调节的空气不断地抽入,以确保实验室内的压力总是比环绕发动机和飞机上其他通气口的管道的压力大。这种压差是使喷气流通过导管流出实验舱的一个安全装置。

淋雨试验与风暴试验

F-35B气候试验的最后一项试验是淋雨试验与风暴试验。麦金利气候实验室装备一个淋雨系统,以模拟F-35B战斗机在雨中的情景。

在淋雨试验中,F-35B自始至终处在瓢泼大雨和大风中。在持续浸泡之后,在环绕飞机的各个位置装上喷射棒。在喷射棒的后面,是一个大型工业风扇,它沿着喷射棒方向能够产生71km/h风速的饱和风,模拟热带风暴的环境。

在麦金利气候实验室所进行的试验都是为了确认F-35能在各种环境条件下安全地飞行。 

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2019年5月5日 10:37
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