走進變穩(wěn)飛機的魔幻世界

杜　菲

提到飛機的種類，人們自然而然地會想到殲擊機、轟炸機、運輸機及直升機等。人們不僅了解這些飛機的外形，也知道其功用。然而對于飛機家族中的另一成員——變穩(wěn)飛機，卻很少有人知道，甚至聞所未聞?，F(xiàn)在就請大家一起走進變穩(wěn)飛機的魔幻世界。

今年11月4日至7日，在中國珠海舉辦的第四屆國際航展中，一架由國產K-8改裝而成的變穩(wěn)飛機模型出現(xiàn)在顯著的位置上，受到中外觀眾的矚目。其實，在1998年第二屆珠海航展上，K-8變穩(wěn)飛機就曾引起了中外航空界人士的極大關注。西方的一位記者說；"這是他在此最感興趣的一架飛機"。

那么什么是變穩(wěn)飛機呢？簡單地說，變穩(wěn)飛機就是一種空中飛行模擬試驗機，任何飛機的參數(shù)只要輸入到它的機載電腦中，它就可以模擬出該飛機的空中特性，因而它被譽為"空中魔術師"。人們也稱它為綜合空中飛行模擬試驗機(IFSTA，即INFLIGHTSIMULATIONTESTAIRCRAFT的縮寫)。

變穩(wěn)飛機的功用主要有四個；一是用于新型飛機的空中模擬；二是用于對飛行品質與飛行控制技術的研究；三是用于對飛機駕駛艙人機界面的研究；四是用于訓練試飛工程師和飛行員。由于變穩(wěn)飛機能夠實現(xiàn)新機設計理論的空中驗證，可以"診斷"出飛機設計上存在的缺陷，所以它有一個綽號叫"空中診斷師"。此外，還因為變穩(wěn)飛機要經常模擬一些危險情況，而又必須有效地規(guī)避風險，它也被稱作"避險專家"。

研制背景和現(xiàn)狀

在變穩(wěn)飛機問世之前，新型飛機設計理論的驗證和飛行員的培訓，通常是在地面模擬器上完成的。早在1929年，美國人林克制造了一臺地面飛行模擬器，它就是后來很有"名氣"，并被廣泛應用的"林克機"。它的外型好象是個兒童玩具，由機械和簡單的電氣設備進行控制。1935年，美國軍方購買了第一批生產型的林克模擬器，它曾在第二次世界大戰(zhàn)中為美國訓練了不少飛行員。二戰(zhàn)后，隨著電子技術和計算機的迅猛發(fā)展，地面飛行模擬器也得到了快速的發(fā)展，已經比較接近于實際飛行了。然而地面模擬器和真實飛機之間畢竟存在著一定的差距，如發(fā)生偏差和錯誤操縱、運動感的不真實性等，尤其致命的是不能進行試飛員和飛行員心理素質的鍛煉。這些都可能直接導致駕駛員對新飛機的評價不準確、不全面，甚至不能發(fā)現(xiàn)某些設計缺陷，從而影響飛機駕駛員的培訓和新飛機的研制周期。為了能夠成功地模擬飛機在空中的運動情況，經過科學家長期不懈的努力，一種在真實狀態(tài)下的飛行模擬器--變穩(wěn)飛機誕生了。

20世紀40年代末期，美國研制出了世界上第一架變穩(wěn)飛機。之后，俄羅斯、英國、法國也相繼研制出了變穩(wěn)飛機。變穩(wěn)飛機的誕生大大縮短了新機的設計預研周期和試飛員的培訓周期，極大地提高了發(fā)現(xiàn)各種新機設計缺陷的能力，開辟了飛行品質研究的新紀元。世界著名的試飛員庫珀、哈珀及尼爾·史密斯等，都對變穩(wěn)飛機的發(fā)展做出過重要貢獻。

20世紀末期，美國的YF-22和JAS-39等飛機先后出現(xiàn)了事故，美國人便用變穩(wěn)飛機模擬事故狀態(tài)，最終解決了問題，從此他們更加重視對變穩(wěn)飛機的研究，其代表產品NT-33變穩(wěn)飛機幾乎成功地模擬了所有的軍用飛機。近年來，美國又研制成功了Learjet變穩(wěn)飛機，現(xiàn)已用于對空軍和海軍飛行員的訓練，同時也對英、法、德等國的飛行員進行了培訓。除此之外，美國還要求所有戰(zhàn)機在首飛前，飛行員必須經過變穩(wěn)飛機的訓練，甚至連航天飛機的機長在首飛前也要在變穩(wěn)飛機上進行1300次之多的訓練。俄羅斯也認為，在飛機的研制過程中空中飛行模擬是必不可少的環(huán)節(jié)，如圖-154M、雅克-130、米格RT，不但是俄羅斯采用變穩(wěn)飛機的"得意"之作，而且其優(yōu)異的性能也受到了航空界的關注。隨著變穩(wěn)技術的不斷發(fā)展，應用范圍不斷擴大，近年來美國又對F-16進行了變穩(wěn)飛機的改裝，俄羅斯也再次對圖-154進行了變穩(wěn)飛機的改裝，以滿足研制新一代飛機的需要。我國的變穩(wěn)飛機技術在起步較晚的情況下發(fā)展的速度非?？欤钚卵兄频挠蒏-8飛機改裝成的三軸變穩(wěn)飛機--K-8V，配有先進的電傳控制系統(tǒng)，其綜合模擬能力已達到了世界先進水平。

變穩(wěn)飛機的"魔力"

在認識變穩(wěn)飛機的功能之前，我們先要了解"飛行品質"的概念，因為研制變穩(wěn)飛機的目的與飛行品質的研究是息息相關的。飛機的飛行品質是指能夠保證飛機飛行安全、完成飛行任務的能力。飛機的飛行品質就如同人的品質一樣，如果說一個人的品質好，那么他就是一個優(yōu)秀的人，同樣，如果說一架飛機的飛行品質不錯，那么，該飛機的飛行特性就是良好的。飛行品質研究一直是空中飛行模擬器的主要功能和任務，而變穩(wěn)飛機是研究飛行品質最主要的工具，對于飛行的主體試飛員和飛行員來說，飛行品質研究既是出發(fā)點，也是歸宿點。

在現(xiàn)代變穩(wěn)飛機的實際操縱中，試飛員能在僅僅5分鐘左右的時間內，體會到在同一飛行狀態(tài)下4種以上不同飛行品質的操縱感覺，這是常規(guī)飛機無法實現(xiàn)的。試飛員通過親自操縱可以體驗到很壞的飛行品質，如誘發(fā)振蕩，也能體驗到非常理想的操縱品質，這是研究飛行控制技術和培訓試飛員的極佳方法。

那么變穩(wěn)飛機是如何實現(xiàn)模擬其它飛機的特性，"診斷飛機病情"，而又能有效地規(guī)避風險的呢？

首先，變穩(wěn)飛機的前身是一架雙座且飛行性能比較好的飛機。它是將該機的一個駕駛艙保持原機狀態(tài)，把另一個駕駛艙進行改裝而成的。這個需要進行改裝的座艙主要是改操縱系統(tǒng)，如對飛機的操縱桿、腳蹬進行改裝后，使其特性能模擬或滿足被研究飛機的人感特性要求。有時還需要對座艙重新改裝，如某些機載設備的更換，顯示系統(tǒng)的更換等，其目的是根據(jù)不同任務的要求進行不同設備的配備，使其盡可能具有和被模擬飛機相同的座艙環(huán)境及外界視野。

變穩(wěn)飛機主要由儀表顯示系統(tǒng)、駕駛員、控制系統(tǒng)和飛機特征四部分構成。在實際飛行操縱中，這四個部分形成有機的人機回路，除駕駛員外，其它三個部分加入變穩(wěn)系統(tǒng)后(即向機載電腦輸入其它飛機的參數(shù))，飛機就可實現(xiàn)原機以外的飛機狀態(tài)，轉換過程是通過駕駛員操縱桿上的轉換按鈕來控制飛機轉換離合器完成的。以我國新型三軸變穩(wěn)飛機--K-8V為例，該機以國產K-8飛機為原型機，前艙去掉原機械操縱系統(tǒng)，加裝了多功能顯示系統(tǒng)等新的設備。后艙為安全駕駛艙，保留了原機全套操縱系統(tǒng)。在實際空中模擬過程中，由前、后艙駕駛員通過操縱桿上的轉換按鈕進行各種飛機特性的轉換。位于前駕駛艙右側的輔助操縱桿，可以在緊急情況下代替主操縱桿使用。

變穩(wěn)飛機不但可以模擬其它飛機的各種狀態(tài)，還可以發(fā)現(xiàn)其它飛機自身設計上的缺陷，這對新型飛機的研制具有十分重要的意義。其原理是通過將其它飛機發(fā)生問題時的各種技術參數(shù)輸入到變穩(wěn)飛機的機載計算機中，使變穩(wěn)飛機在空中模擬出同樣的狀態(tài)，再由變穩(wěn)飛機的機載設備記錄下來并進行數(shù)據(jù)整理，再將數(shù)據(jù)帶回地面進行詳細的分析研究，直至找到問題的原因。美國在F-16首飛前曾用變穩(wěn)飛機發(fā)現(xiàn)并排除了進場著陸時嚴重的橫向振蕩問題，還同時解決了F-18飛機的相同問題。相反，JAS-39飛機在首飛前未經過變穩(wěn)飛機空中飛行模擬，當該機出現(xiàn)事故后不得不重新進行空中模擬飛行試驗，最后通過變穩(wěn)飛機NT-33A的試驗，才找出了造成事故的原因。

我國也利用變穩(wěn)飛機解決了許多在新機研制中的問題。國產殲教七飛機自研制以來，一直存在著在空中某個狀態(tài)經常發(fā)生"飄擺"現(xiàn)象。1990年，中國空軍某試飛團試飛員湯連剛、李存寶，駕駛國產BW-1型變穩(wěn)飛機對殲教七的飄擺問題進行了模擬試驗。經過數(shù)次空中模擬試驗后，終于找到了飄擺的原因和排除措施。之后，國產變穩(wěn)飛機還對數(shù)種新機的試飛員進行了培訓，并在飛行力學、飛行試驗技術的研究等方面發(fā)揮了重要作用。

由于變穩(wěn)飛機是一種空中模擬機，有時需要模擬一些比較危險的情況，因此每一種變穩(wěn)飛機都設置有安全保障系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要功能是隨時監(jiān)測變穩(wěn)系統(tǒng)的工作情況，當監(jiān)測到有危及飛行安全的情況時，該系統(tǒng)就會發(fā)出警告，同時切斷變穩(wěn)系統(tǒng)的工作，自動轉入基本飛機的正常操縱。除此之外，變穩(wěn)飛機中還設有應急切斷變穩(wěn)系統(tǒng)的按鈕，一旦發(fā)生安全系統(tǒng)告警又未自動切斷，或安全系統(tǒng)未告警而飛行員發(fā)現(xiàn)有危及安全情況時，均可使用該按鈕，使飛機轉入基本飛機的正常操縱，這就進一步保證了飛行安全。舉一個簡單例子；一架由殲教六飛機改裝的變穩(wěn)飛機，飛行員在空中通過變穩(wěn)系統(tǒng)的轉換開關可將飛機變?yōu)镕-16飛機的操縱，并能夠體會到F-16飛機的飛行感覺。當飛機在空中發(fā)生問題時，飛機會向飛行員告警并自動切斷變穩(wěn)系統(tǒng)轉回到殲教六飛機的飛行狀態(tài)，如果其中再發(fā)生問題，飛行員便可用應急按鈕手動切斷系統(tǒng)，使飛機恢復到殲教六飛機的操縱。

變穩(wěn)飛機強大的"特異"功能

變穩(wěn)飛機利用其與眾不同的功能，可以為人們完成許多工作。首先，用它培訓試飛員和飛行員就是一條便捷之路。當某種新飛機進行試飛時，試飛員能正確描述他所看到和感受到的現(xiàn)象并給予一定分析是十分必要的。盡管這位試飛員可能已有了多種型號飛機的飛行經驗，但要對飛機間的那些十分微妙且又十分復雜的特性加以區(qū)別仍然是比較困難的，特別是對新試飛員來說更是如此。利用變穩(wěn)飛機就可以方便地解決這些問題，因為變穩(wěn)系統(tǒng)可以利用機載設備將這些微妙的現(xiàn)象加以放大，使其變得更明顯，這樣就可以幫助試飛員進行辨認和理解。如在一架變穩(wěn)飛機的機載電腦中加裝了蘇-27飛機的飛行參數(shù)時，這時試飛員就可感受到蘇-27飛機的操縱，如加裝的是F-16飛機的飛行參數(shù)，那么試飛員就能感受到F-16飛機的操縱。這樣，只需通過改變各種飛機的不同參數(shù)，試飛員便可在同一架飛機上體會到多種飛機的操縱特性，可以非常直觀地體會不同飛機間的差異。

同時變穩(wěn)飛機也可用來講解或教授飛行控制系統(tǒng)的設計，向試飛員演示不同系統(tǒng)參數(shù)對飛機穩(wěn)定性、機動性等方面的影響。這對于幫助試飛員熟悉飛行試驗任務和方法，保證駕駛員進行正確地評價有著重要的作用。在美、英、法等航空發(fā)達國家的試飛員學院，均擁有變穩(wěn)飛機。被廣泛應用且比較成熟的有美國空軍試飛員學院的NT-33A、C-131TIFS、X-22A等；英國皇家試飛員學院有Besset、Hawk；法國試飛員學院有"幻影"ⅢB、"隼"20等。

其次，變穩(wěn)飛機還可在新型飛機的研制中"大顯身手"。當某一種新機型在完成設計、生產后，試飛員對其特性和操縱程序等只有感性認識，而沒有親身經歷的體驗，此時如果通過變穩(wěn)飛機模擬該新機的特性飛行，就可以使試飛員在變穩(wěn)飛機上獲得一個比較真實的飛這種新機的感覺。這樣可以大大縮短試飛員對新機性能、操縱特點和操縱程序的熟悉過程，從而可保證新機首飛的安全和促進新機的研制進度。有人打過一個比方，有些運動員平常訓練很出成績，但一打比賽就表現(xiàn)不佳，所以實際檢驗很重要。同樣，在新機研制過程中，如果沒有變穩(wěn)飛機進行空中實際飛行，而只是由試飛員在地面模擬器上練習，那么很多問題就不容易暴露出來。所以要想真正發(fā)現(xiàn)新機系統(tǒng)中的問題，就必須把實驗室搬到空中去。

美國在F-16飛機的研制中有這樣一個事情；試飛員在做地面模擬試驗的過程中一切正常，在空中模擬試飛時卻發(fā)現(xiàn)飛機橫向操縱太靈活，容易出問題，于是建議改進系統(tǒng)，而這個建議沒被采納。后來F-16在愛德華空軍基地進行試驗飛行時，由于飛機橫向擺動過大，險些發(fā)生重大事故，事后美方更加認識到變穩(wěn)飛機的"特殊"作用。

不僅如此，變穩(wěn)飛機還有其它許多用途；如進行飛行控制技術研究、飛機駕駛艙人與飛機界面的研究、人機工效研究、綜合電子系統(tǒng)研究等等。除此之外，變穩(wěn)飛機還可模擬出許多高難度的飛機戰(zhàn)術機動動作，如"眼鏡蛇機動"、"鉤式機動"等。

中國目前的K-8V變穩(wěn)飛機也是一種實用型的多功能空中模擬平臺，它可同時裝定8組參數(shù)，即8種不同飛機的模型，如F-16、殲八、"幻影"2000、蘇-27等都可以裝進去。當選擇蘇-27的轉換按鍵時，飛機在整個控制系統(tǒng)的作用下表現(xiàn)出來的就是蘇-27的飛行特性，而并非K-8的飛行特性。通過試飛結論來看，真正駕駛蘇-27飛機的飛行感覺和用K-8變穩(wěn)飛機模擬蘇-27的飛行感覺非常相似，就連進行飛行的試飛員都認為十分神奇。

現(xiàn)在，在變穩(wěn)飛機上加裝GPS(全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng))后，可在機載顯示器上進行模擬對空、地目標瞄準、攻擊，這樣變穩(wěn)飛機又具有了模擬空戰(zhàn)的能力。

中國變穩(wěn)飛機的研制道路

我國于70年代末期開始研制變穩(wěn)飛機，該項目由中國飛行試驗研究院(以下簡稱試飛院)承擔。由于變穩(wěn)飛機的研制在我國是一個全新的領域，尤其是飛行控制計算機系統(tǒng)及軟件的開發(fā)，更是前進路上的一道"攔路虎"。為此，試飛院與中國航空計算機技術研究所和中國航空附件研究所進行了聯(lián)合攻關，試飛院還專門指派航空試飛界知名專家周自全、呂杰等組成了課題組。1980年，我國第一臺變穩(wěn)系統(tǒng)"問世"了，試飛院的科研人員把它裝在國產殲教六飛機上開始了空中試驗。

1984年12月4日，空軍某試飛團試飛員楊步進、胡朝德駕駛裝有變穩(wěn)系統(tǒng)的殲教六飛機在高度3000米進行該系統(tǒng)試飛時，突然飛機機頭向上抬起達60～70度，飛機瞬間向上竄出400多米，緊接著出現(xiàn)飛機倒扣并向右滾轉著向地面墜去，試飛員在座艙里左右搖晃，眼睛在瞬間進入"黑視"之后又恢復了正常。"不好!飛機進入了可怕的螺旋狀態(tài)"。楊步進努力使身體向前，右手使勁伸向切斷變穩(wěn)系統(tǒng)的轉換按鈕，可是按鈕在他的右上方，加上飛機劇烈的晃動，很難夠著。胡朝德則雙手使勁穩(wěn)住駕駛桿，盡力使飛機改出螺旋狀態(tài)。由于飛機距地面太低，當飛機改出螺旋時已沒有高度了，這兩位試飛員忍痛按下了救生傘的彈射按鈕。事后查明原因是由于變穩(wěn)系統(tǒng)技術不成熟，當飛機在空中出現(xiàn)問題時，前、后艙的離合器未拉開，沒能恢復到原機的狀態(tài)，所以導致飛機無法操縱。事故發(fā)生后，科研人員們經過反復研究討論，將最初的設計方案推翻了。中國首臺變穩(wěn)系統(tǒng)因此宣告"流產"。

在發(fā)展變穩(wěn)飛機的過程中遇到前所未有的困難時，我們的科研人員并沒有因此而退縮，我們的試飛員更沒有因此而畏懼。他們在認真吸取前面的經驗教訓之后，不斷探索總結，并派專人到西方國家進行學習、調研。經過近5年的努力，終于在1989年成功研制出了我國第一架變穩(wěn)飛機，該機代號為BW-1。這是一架由國產殲教六飛機改裝而成的變穩(wěn)飛機，因為它只能沿縱軸模擬飛機的俯仰動作，因而被稱為單軸變穩(wěn)飛機。改裝后的飛機前駕駛艙為模擬試驗駕駛員座，加裝了純數(shù)字式電傳操縱系統(tǒng)。后駕駛艙為安全駕駛員座，保留了原機的操縱系統(tǒng)，當飛機遇到危及飛行安全的情況，可切斷變穩(wěn)系統(tǒng)的工作，轉入原機正常的操縱系統(tǒng)。當要進行飛行試驗時，就接通電傳系統(tǒng)，同時斷開原機的操縱系統(tǒng)。當試驗結束時則斷開電傳系統(tǒng)，接通原機操縱系統(tǒng)后，飛機即可恢復到原殲教六飛機的操縱系統(tǒng)。

1989年4月22日，中國飛機城閻良晴空萬里，機場上航空工業(yè)部、試飛院領導和科研人員的數(shù)百雙眼睛不約而同地投向一架殲教六飛機。作為中國第一架變穩(wěn)飛機，今天，它就要從這里首次升空了。擔任這架飛機的首席試飛員是空軍某試飛團特級試飛員湯連剛和李存寶。只見兩名試飛員全身披掛整齊，氣宇軒昂地向戰(zhàn)鷹走去。"嘭"的一聲，隨著一發(fā)綠色信號彈劃破天空，中國首架變穩(wěn)飛機似離弦之箭沖向藍天。"飛機操縱性能良好，機載設備工作正常......"湯連剛不斷地向地面報告著。10分鐘后，飛機平穩(wěn)地降落在跑道上。首飛成功了!機場上，人們情不自禁地歡呼起來。

首飛成功后，科研人員和試飛員又經過4年多的艱辛工作，終于在1993年完成了我國第一代單軸變穩(wěn)飛機的設計定型試飛。該機的研制成功不僅填補了我國空中模擬試驗機的空白，還使我國成為繼美、英、法、俄等國之后第五個擁有此項技術的國家。1991年，BW-1型變穩(wěn)飛機還榮獲了國家科技進步一等獎。

成功的背后是幾代科研人員和試飛員所付出的巨大努力，在試飛中好幾次都險些發(fā)生機毀人亡的事故。如1990年8月，試飛員湯連剛和李存寶在駕駛變穩(wěn)飛機進行試飛時，當飛機到達8000米高度后，突然飛機的離合器不聽"使喚"，前后駕駛艙的駕駛桿雙雙失靈。轉眼間飛機像脫韁的野馬一樣無規(guī)則地曲線下沉，他倆的心一下子劇烈顫抖起來。8000米、7000米、6000米......不到6秒鐘，飛機帶著慣性和負載，向下墜了2000多米，然而更危險的是試飛員此時出現(xiàn)了黑視，險情就要發(fā)生了!有著豐富試飛經驗的兩名試飛員并未驚慌，在經過短暫協(xié)同后，試飛員們積極配合，湯連剛在5000多米的高度成功切斷了變穩(wěn)系統(tǒng)，恢復了原機操縱，從而避免了一次嚴重飛行事故的發(fā)生。

為了加快我國航空技術的發(fā)展和新機研制進程，同時也為進一步擴大實用范圍，在第一代單軸變穩(wěn)飛機的基礎上，經過數(shù)萬名航空工作者近8年的不懈努力，以國產K-8飛機為基本型的三軸(橫軸、縱軸、側軸)變穩(wěn)飛機--K-8V，于1997年6月25日由空軍試飛團試飛員李存寶和史同洲首飛成功。K-8V變穩(wěn)飛機是我國第二代變穩(wěn)飛機，它不但可以實現(xiàn)三個自由度(俯仰、滾轉、偏航)變穩(wěn)能力，而且還能完成包括起飛、著陸在內的多種飛行任務的空中模擬試飛等專項課題研究。該機在機艙內增加了先進的電傳操縱系統(tǒng)和駕駛艙顯示儀表，與國產第一代單軸變穩(wěn)飛機相比，具有操縱更簡單、安全性更高、經濟性更好等優(yōu)點。2001年2月，K-8V變穩(wěn)飛機榮獲國家科技進步二等獎。

現(xiàn)任空軍試飛團團長，空軍特級試飛員，試飛專家湯連剛在駕駛K-8V變穩(wěn)飛機后曾發(fā)表專門評論；"我一直參與國產變穩(wěn)飛機的研制工作，不但在國內飛過，而且也在國外飛過，如英國、俄羅斯等。與西方先進的變穩(wěn)飛機相比，我們的變穩(wěn)飛機可靠性是比較不錯的，不但能夠完成變穩(wěn)飛機的所有功能，而且能夠模擬各種飛行器的性能和品質，特別對培訓飛行員有著重要的作用。它必將對我國的航空航天發(fā)展起到巨大的推進作用。"

隨著世界航空技術的迅猛發(fā)展，變穩(wěn)飛機必將顯現(xiàn)出更大的作用，在變穩(wěn)飛機這個前沿科學技術上，我國趕超世界航空先進水平的愿望已不再是一個口號。時不我待，抓住機遇、迎接挑戰(zhàn)，是每一個關心中國航空事業(yè)發(fā)展有志之士的當務之急。

責任編輯；京勉■