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告别“看天吃饭”,看气候试验室如何成为新战机的“铁面考官”

气候试验室:新战机的“铁面考官”

姜子晗 陈韵宇 刘 峰

前不久,加拿大军队宣布将采购F-35作为下一代主力战机,预计今年年底前敲定军贸交易合同。

这意味着加拿大将成为世界上第15个拥有F-35战机的国家。截至目前,F-35已经列装英国、日本、以色列等国家,F-35的“飞行触角”逐渐延伸到世界各地。复杂气候环境,对F-35整体性能是极大考验。据报道,自服役以来,F-35频频出现涂层脱落、电池低温损坏等问题。战机出现这些问题,一定程度上可归结为“水土不服”。

众所周知,战机在极端环境中完成任务能力是保证飞行安全的关键。因此,在设计研发环节,战机需要进入气候试验室,接受极限天气的考验,检验战机的全域作战能力。那么,气候试验室是如何模拟天气的?气候试验有哪些步骤?又有哪些技术难点?本文为您一一解答。

告别“看天吃饭”,看气候试验室如何成为新战机的“铁面考官”

麦金利气候试验室对F-22战机进行冷试验。 资料照片

告别“看天吃饭”,试验室模拟“一年四季”

1943年冬季的一天,喜马拉雅山脉上空风云突变,正在执行“驼峰”空运行动的“飞虎队”相继失联——16架战机遭遇机翼严重结冰而失事坠毁,机上人员全部罹难。这则新闻公布后震惊世界,人们开始关注极端天气对战机飞行安全的影响。

早期气候试验,是依靠自然环境验证战机的气候适应性。然而,自然环境是不可控的,科研人员只能“看天吃饭”——一旦错过特定季节,将严重影响试验进度。因此,打造人工环境试验室势在必行。

二战后,美国在佛罗里达州埃格林空军基地,建立一座麦金利气候试验室。该试验室综合运用制冷、加热、空调控制等技术,将高温和严寒等自然气候“搬”进试验室。随着温控技术发展,英国、瑞典、韩国等一些国家也相继建立气候试验室,尤其是大型工业制冷和制热系统的问世,使试验室可以实现“一年四季”自由切换。

短时间内实现气温的自由切换,对温控设备的要求极高。为了模拟炎炎夏日,科研人员通过锅炉向试验室输送高温蒸汽,使室内温度达到70℃,制造出“桑拿天”的酷热气候;为营造“冰天雪地”的严寒气候,试验室内又安装有多部制冷空调,可在24小时内将室温降至-53℃。

此外,要想实现气候的可控调节,试验室的保温与密封技术十分关键。门窗和通风系统的密封性与保温性,直接影响到试验室的能量消耗和环境模拟效果。

韩国一家气候试验室建造之初,曾发生过试验室拉门气体泄漏故障,直接影响到试验室的建造进程。为解决这一难题,科研人员在门墙之间的缝隙处,使用热追踪法进行充气式密封,并将传统双轨拉门设计为变轨运行、单轨排布,使得多扇大门关闭后形成同一平面,起到良好的密封保温效果。

新战机“铁面考官”,模拟复杂极端环境

一款新战机完成气候试验,需要耗时多久?

麦金利气候试验室给出答案:6个月。在这半年的试验过程中,战机将在高温高压、雨水浸泡、冻云结冰等多种极端环境下接受性能测试。

作为新战机的“铁面考官”,气候试验室运用强大的数据模拟试验能力,还原战机飞行可能遇到的多种复杂极端环境。

目前,气候试验主要分为以下3种:

一是冷试验。冷试验是战机形成初始作战能力的一个关键步骤。气候试验室的制冷系统将超冷空气引入试验舱,打开冻云结冰系统向战机吹出时速高达190公里的水蒸气,形成厚度不同的“冻云”,模拟高海拔云层效果。

穿过“冻云”的战机,会瞬间被冻成“冰棍”。通过观察战机结冰过程,可以找出战机哪些部位容易结冰、哪些部位可能受损,科研人员从而改进战机防冰系统,提升极寒环境下作战能力。2013年,欧洲新一代军用运输机A400M曾在瑞典飞机气候试验室进行了严苛的极寒气候试验,经过上百小时的“冰封”试验合格后,才能拿到执行北极飞行任务的“许可证”。

二是热试验。冰雪融化后,战机将进入热试验环节,试验室内100多盏高能太阳灯会根据时段变换日照状态。每盏太阳灯是单独可控的,根据战机传感器发来的信号,自行调节温度,确保战机受热均匀。

F-22战机研制过程中,为真实还原热带地区战机飞行情况,不仅战机要接受“烈日”考验,飞行员也要同步进入座舱,以检验战机发动机高温启动状态和座舱环境控制系统。

三是雨试验。在经历冷/热试验后,战机将迎来淋雨与风暴试验。科研人员会为试验室加装巨型“花洒”,制造出每小时350毫米的人工降雨,随后科研人员会启动大型工业风扇,产生71公里/小时的饱和风,模拟暴风雨等极端气候。

此外,一些舰载机在试验后期还会被送到海洋试验室,置于10多米深海水中,接受海浪和盐雾腐蚀等多重考验。

高科技赋能,多种试验实现精准“瘦身”

五代机作战领域拓宽,气候试验耗费也随之水涨船高。国外相关数据显示,五代机进入气候试验室后,一天试验费用在20万美元左右。

如何缩减战机气候试验开支,科研人员进行了一系列有益探索,实现气候试验精准“瘦身”。

近年来,一些国家科研机构将计算机仿真、智能算法等技术引入气候试验室,推动气候试验不断迭代升级。以F-22战机为例,只需经过3个月的气候试验即可获得完备的环境测试数据,相比三代机动辄半年以上的气候试验,缩短了近一半时间。那么,五代机气候试验有哪些步骤呢?

第一步是仿真计算。科研人员发现,很多故障问题往往在气候试验后期暴露,导致试验效率不高。通过仿真技术模拟极端气候下战机发生故障,科研人员可以预知各部件的承受力上限,为合理规划战机气候试验提供参考。

上世纪90年代初,美国国防部有关部门将仿真建模研究写入战机发展计划,研发出一整套仿真计算软件,可快速找到气候试验中战机的薄弱部件,大大提高了战机气候试验效率。

第二步是分解试验。如果整机气候试验失败,科研人员将重新设计战机,这可能会带来一系列全新难题。因此,在整机气候试验前,对所有元件、子系统进行分解试验非常重要。

目前,国际上普遍采用“积木式”验证方法对战机进行分解试验,俄、英等国在上世纪90年代制订了严格的操作规范,形成较为成熟的流程标准。科研人员将各小型部件放置在试验箱内开展环境试验,以提升整机试验的成功率。

第三步是复合试验。自然界中气候环境复杂多变,而一座试验室往往只能模拟一到两种气候特征,消耗了大量的人力和时间。为提高气候试验效率,科研人员要对多个环境试验进行整合。

近年来,麦金利气候试验室斥资打造了水温、海上风浪等可自行调节的智能试验室。该试验室可以模拟多种复杂海上环境,加快战机的腐蚀速度,帮助科研人员快速找到战机设计缺陷。

室内项目完成后,战机还要移到室外接受真实环境测试。试飞员将驾驶战机飞往世界各地,在各种极端环境中完成多项飞行任务测试。当战机通过全部测试环节后,才能最终交付部队使用。

来源: 中国军网-解放军报

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