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第22章 主动控制技术(ACT)预研(5)

按照最初航空研究院编制的航空科技发展规划,自1983年决定调整到以歼8飞机为验证机,601所为总体单位,开始有序地执行两个纵轴电传操纵系统验证机计划以来,历经8年的艰苦努力,先后完成了两个纵轴电传操纵系统在歼8飞机上的试飞验证,实现了主动控制技术预研的第一阶段目标。尽管后来纵轴数字式电传操纵系统在扩大飞行员评定试飞中发生了二等事故,但两个纵轴电传操纵系统的研制与试飞验证取得的成果,在中国航空工业预研历史上的贡献是不可磨灭的。

当然,我们也应该看到,两个纵轴电传操纵系统的研制成功,还只是我国航空工业科研工作者对这种高新飞机设计技术的初步开拓与掌握,两个系统无论是硬件还是软件,离真正的工程实用还有一定的距离。因而继续实施ACT预研规划中的第二阶段科研任务,研制一套可以工程实用的三轴数字式电传飞控系统,就成了李明及其所领导的ACT科研团队的下一个攻关目标,也是历史赋予ACT预研团队的重大使命。

事实上,自1988年末,当两个纵轴电传操纵系统的研制进入尾声时,李明就带领ACT预研团队开始了三轴数字式电传飞控系统的论证工作。相对于第一阶段的工作,三轴数字式电传飞控系统更为复杂,因此,为了减少研制过程中的技术风险,时任航空研究院副院长的顾诵芬,于1989年11月带领考察团前往法国达索公司和英国的马可尼公司进行考察与寻求对外合作,但此行没有得到积极的回应。

尽管三轴数字式电传飞控系统各方面的论证工作都已经紧锣密鼓地展开,但是项目的立项却遇到了困难。一方面,随着611所负责的“十号工程”研制工作的推进,用于该机的三轴数字式电传飞控系统已经在同国外进行技术合作研制,由于国家财力有限,不能同时支持型号和预研两个项目来开发三轴数字式电传飞控系统。另一方面,当时有个别上级领导认为型号可以代替预研,而歼8ACT验证机0102架飞机的二等事故在当时也产生了一定的消极影响。

但是,顾诵芬副院长和已经担任601所总设计师的李明,以及参加歼8ACT项目的整个预研团队都坚持认为型号是不能代替预研的,只有自力更生,自主开发主动控制技术,我国才能真正掌握这项技术,在以后的设计应用中才不会受制于人。因而,多次向上级递交报告和建议,在李明及整个ACT预研团队的坚持下,最后,航空航天工业部林宗棠部长和王昂副部长力排众议,果断决策按主动控制技术既定的发展规划走下去。并针对“八二工程”受挫的教训,明确要求歼8Ⅱ三轴数字式电传飞控系统验证机计划应作为“十号工程”的备份。

1990年末,预研项目正式立项,确定从1991年起,实施歼8ⅡACT三轴数字式电传飞控系统验证机计划。同时,航空航天工业部为该计划组建了总设计师系统,李明被任命为总设计师。

歼8Ⅱ三轴数字式电传飞控系统预研项目立项,上级领导部门对这项工作提出了更加严格的要求,规定了这项研制计划必须承担的使命。

1.进行工程实用的先进数字式电传技术验证,取得飞机和系统综合、部件研究设计、软件开发、系统试验、飞机改装与试飞等一整套技术和经验。

2.鉴于“十号工程”已经同国外合作多年,歼8Ⅱ三轴数字式电传飞控系统验证机计划必须好中求快,才能为型号研制进行先期技术验证,既减小新歼的试飞风险,又为数字式电传飞控系统的国产化研制奠定坚实基础。

3.改进现有的飞控系统试验研究设施,提高试验技术水平,使之达到第三代战斗机飞行控制系统所需的试验能力。

4.培养和造就一支专业配套、懂理论、勇于实践、有才干、有工程经验的ACT专业技术队伍,以保证和支撑国防科学技术的不断进步。

项目立项之后,以李明为首的总设计师系统与项目主管机构飞机处,经过多次商议,并由飞机处的金淑慧处长报部领导批准,最终落实由试飞院调回歼8Ⅱ原型机03架作为试验验证用机。在试飞院的大力支持下,由黄炳新副院长亲自驾驶飞机转场到沈飞公司。

至此,该项目的所有前期准备工作已经完成。

相对于歼8ACT而言,歼8ⅡACT是一项技术更为复杂、难度更高、协作更广泛、风险更大的高技术预研项目。所以,在李明看来,这样一个项目几乎具备了一个型号工程的所有特点,其实就相当于一个改进的新型号,同时在项目进行过程中还要考虑到预研项目自身的特点。因而,歼8ⅡACT项目管理与歼8ACT项目有着很大区别,必须实行科学的系统工程管理方法,才能保证整个项目的顺利推进。

两个纵轴电传操纵系统的研制,是由歼教6作为验证机转到歼8作为验证机的,因而更多地体现了继承性质,该项目预研程序的建立也是随过程而逐步改进完善的。回顾与总结了两个纵轴项目研制和试飞验证的经验和教训,以及与MBB公司和“八二工程”与美国进行技术合作的经历,使李明清晰地认识到对项目进行系统工程管理的优点。

因而从歼8ⅡACT预研项目一开始,李明就提出并强调整个方案的顶层设计必须十分周密详尽,即项目研制必须从顶层文件的编写入手,于是李明组织项目参研团队的技术骨干,首先确定了顶层文件的目录,建立整个三轴电传飞控系统试飞验证任务的规范树,经过反复的认真讨论,最终确定共包含36份顶层文件的目录清单。然后,确定每份文件的编制要求和责任人,并制订出编写规定。文件编出后,经多次集体讨论与修改,才逐一将文件定稿,履行签字手续,成为进一步开展工作与技术协调的依据。

据当时在歼8ⅡACT项目中负责质量管理工作的601所老专家黄德森回忆,当时他将自己负责编写的顶层文件之一——《歼8ⅡACT验证机数字电传飞行控制系统质量保证大纲》交给李明签发时,李明对该文件先后进行了数次修改,甚至连里面的错别字都标了出来,之后交给他再次审阅和修改,然后才批准印发到各部门。当时黄德森领导的质量监控小组对参研单位多次进行现场检查,对检查结果写出书面报告,李明也都要认真审批后才印发。

顶层文件是整个系统预研工作的技术依据和管理依据,关系到系统方案的精细化管理。顶层文件的制订、审批程序,其实就是进行联合顶层设计的过程。

整个顶层设计及顶层文件的编制持续了近两年的时间。通过制订顶层文件,完成顶层设计之后,歼8ⅡACT项目按四坐标管理,要求建立具体的组织管理系统,其中行政指挥系统由顾诵芬负责;技术指挥系统由李明负责。此外还组建了ACT系统工程办公室,对项目研制过程中一些问题进行总协调,以及计划管理系统和质量管理系统。组建了完整的组织管理系统之后,明确了技术管理和技术责任制,并制订了技术评审制度、联合设计制度、新成品管理制度、系统文件管理制度,使参与项目的全体人员有了统一的认识和步调。

在顶层文件制订的过程中,李明组织研制团队多次进行深入讨论,根据验证机计划的使命,确定了项目研制中的一些重大问题。

第一,确定了歼8ⅡACT三轴数字式电传飞控系统要实现的功能。

由于ACT含有多种功能,所以歼8ⅡACT验证机验证哪些功能,须认真加以选择。李明带领预研团队通过对国外多种验证机计划的研究分析,根据歼8ⅡACT验证机的使命和歼8Ⅱ原型机03架的实际情况,按照技术先进性、工程实用性、改装可行性、功能扩展性、对新歼系统功能的覆盖程度等原则,进行论证选择之后,确定了该系统应具有如下功能:

1.全时全权三轴控制增稳(CAS)功能,用于全面改善飞机的飞行品质;

2.放宽静稳定性控制功能,用于研究静不稳定飞机如何控制和可能得到的收益;

3.中性速度稳定性控制,用于实现自动配平,减轻飞行员负担;

4.边界限制功能,并确定内容为过载(ny)限制、迎角(α)限制、滚转速率(ωχ)限制和方向舵偏度(δД)限制,以实现无忧虑操纵;

5.纵向直接力控制,包括直接升力、俯仰指向、垂直平移3种非常规机动,旨在验证非常规机动效果;

6.自动驾驶仪功能(含姿态/航向保持、自动改平和低高度拉起),用数字技术替代模拟部件,实现原歼8Ⅱ驾驶仪功能;

7.机内自检测功能,包括加电自检、飞行前自检、飞行中自检和维护自检,提高系统维修性;

8.模拟备份操纵功能,用于保证飞控数字机严重故障后安全返场。

第二,确定了系统的余度结构配置和余度管理策略。

歼8ⅡACT三轴数字式电传飞控系统选择什么样的余度结构,主要是依据系统的可靠性要求来确定的。

在两个纵轴电传操纵系统研制时,参考国外对电传系统可靠性的要求,其原则是要求电传系统应达到机械操纵系统相同量级的可靠性。而在研制前期,李明组织对国内当时服役机种进行大量调查统计分析,表明我国机械操纵系统的可靠性与美国战斗机机械操纵系统的可靠性统计值处于同一量级。因此,要求由电传操纵系统导致飞机损失的概率不大于1×10-7次/飞行小时,导致飞机任务失效的概率不大于1×10-5次/飞行小时,这样的要求是有统计分析数据支持的。按照这个指标,要求系统的基本控制回路及其部件的电气故障应具有双故障/工作、三故障/安全的能力;而对于液压机械故障,则至少具有一次故障/工作、二次故障/安全的能力。对直接力控制,考虑到只在有限的飞行范围内进行原理验证,若出现故障可中断任务,故只要求一次故障/工作、二次故障/安全即可;而自动驾驶仪功能,考虑到原机上的传感器等部件仅有单套,又不是试飞验证的主要任务,故只要求若发生故障,即立即切除。

经过论证,系统采用四余度配置结构或者三余度加自监控结构都可以实现上述可靠性要求。三余度加自监控方案虽然具有重量轻、体积小、成本低等优点,但自监控要求的故障覆盖率很高。早在国内ACT预研初期,李明就对此进行过研究,并与国外同行探讨过,结论是,以当时的技术发展水平,自监控的故障监控覆盖率难以满足系统可靠性要求。因此,最后决定歼8ⅡACT三轴数字式电传飞控系统以四余度比较监控为主,自监控为辅,即发生不确定故障时,可以利用自监控结果判断故障通道。这样,既采用了相对成熟的四余度结构,又为发展自监控技术提供了空间。

在确定了系统余度结构配置之后,要保证这一复杂系统能正确有效运行,就必须设计合理的余度管理策略。首先考虑监控面设置,监控面多,有助于防止故障向下游蔓延,但会增加系统的复杂性,也会降低系统的平均故障间隔时间(MTBF)。综合权衡后,决定设置4个监控面,其中两个是软件表决/监控面,另两个是硬件表决/监控面。其次是在监控方法上,采用了软、硬件监控相结合,比较监控为主、自监控为辅的监控设计思想。而在监控与表决速率的选择上,根据信号的关键程度和变化率的大小,以及计算机的处理能力等,综合考虑,分为12.5毫秒、50毫秒、100毫秒3种,同时为简化调度程序,将表决与监控速率取为一致。此外,还吸取了两个纵轴系统的经验教训,除在座舱内设置了系统工作状态指示灯盘和咨询指示灯盘外,还设置了音响告警功能,将经过故障综合后申报的信息,除灯光指示外,还通过码声器和机载通信系统告诉飞行员发生了什么故障,告警信息同时也回传到地面指挥员处。

第三,确定了采用气动力措施(加装前翼)来调整飞机的焦点,以扩大放宽静稳定性的验证范围,也有利于直接力控制的原理验证。

RSS控制是电传飞控系统实用性最强的功能之一,在纵轴数字式电传操纵系统研制和验证时,由于系统技术方面的限制,验证范围较小。所以,在设计歼8ⅡACT三轴数字式电传飞控系统验证方案时,对RSS的验证试飞,仍设计为稳定构型、中立构型和不稳定构型3种,而RSS最大须达到-5%MAC左右。这种量级的放宽静稳定性,就不可能像纵轴时那样,简单地采用外挂副油箱后移重心的方法,于是决定加装前翼来前移气动力焦点,从歼8Ⅱ的气动力布局和结构的实际情况出发,不宜安装可控偏转的前翼。之后,通过风洞试验选型,决定为验证机加装一个可拆装的固定前翼,通过气动力与调重心方法的综合运用来实现3种构型的试飞方案。此外,还决定去除原机的后退式襟翼,在机翼两边各装一块面积为1.872米2的后缘机动襟翼,它可与副翼同时偏转,加上平尾配合进行解耦偏转实现直接力控制。

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