萬(wàn)博士的航空講堂

十五、航空器的試驗(yàn)

航空器在正式投入使用之前，必須進(jìn)行各種各樣的試驗(yàn)，有的可以在地面完成，有的需要在飛行中完成。航空器試驗(yàn)是航空航天事業(yè)發(fā)展中不可缺少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。隨著航空科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，航空器試驗(yàn)的地位越來(lái)越重要。航空器試驗(yàn)的門類眾多、科目龐雜，下面主要以飛機(jī)為對(duì)象進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)的介紹。

航空器試驗(yàn)是指航空器在其研究、研制、生產(chǎn)、部署和使用與保障期間進(jìn)行的各種試驗(yàn)、仿真、測(cè)試和相應(yīng)的分析活動(dòng)。它既是工程技術(shù)活動(dòng)的重要內(nèi)容，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，幫助研制人員及時(shí)進(jìn)行改正，并確定系統(tǒng)性能水平；也是決策過(guò)程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，為權(quán)衡分析、降低風(fēng)險(xiǎn)和細(xì)化要求提供信息，為航空器研制過(guò)程中的階段決策和設(shè)計(jì)定型提供依據(jù)。

航空器試驗(yàn)有多種不同的分類方法：按照試驗(yàn)地點(diǎn)可以分為地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)；按照航空器研制的時(shí)間順序，可分為研制試驗(yàn)、使用試驗(yàn)；按照專業(yè)主要包括空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)、壽命及可靠性試驗(yàn)、維修性與保障性試驗(yàn)等；按照分系統(tǒng)主要包括航空電子系統(tǒng)試驗(yàn)、飛行控制系統(tǒng)試驗(yàn)、機(jī)電系統(tǒng)試驗(yàn)、航空武器系統(tǒng)試驗(yàn)，以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)等。這些不同的分類方法之間存在一定的交叉。以下按照地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)的分類對(duì)航空器的試驗(yàn)做一介紹。

1.地面試驗(yàn)

（1）空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)是研究空氣與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，空氣的流動(dòng)規(guī)律及其與物體的相互作用所進(jìn)行的試驗(yàn)。其目的是設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)航空器的布局和性能。空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)可分為實(shí)物試驗(yàn)和模型試驗(yàn)。對(duì)于航空器來(lái)說(shuō)，實(shí)物試驗(yàn)可稱為空氣動(dòng)力飛行試驗(yàn)，模型試驗(yàn)則可稱為風(fēng)洞試驗(yàn)（圖1）。在地面主要進(jìn)行航空器的模型試驗(yàn)，即風(fēng)洞試驗(yàn)，所使用的模型尺寸通常比實(shí)物小，被稱為縮比模型。

（2）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)是在實(shí)際或模擬的載荷和環(huán)境下，在地面對(duì)飛機(jī)和部件進(jìn)行的機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)。目的是驗(yàn)證飛機(jī)和部件的承載能力、變形狀態(tài)、可靠性和壽命等關(guān)鍵性指標(biāo)。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)主要包括結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、熱強(qiáng)度試驗(yàn)，以及耐久性、損傷容限試驗(yàn)和地面模擬熱顫振試驗(yàn)等。

結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)又稱靜強(qiáng)度試驗(yàn)（圖2），是對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)按試驗(yàn)要求施加靜載荷并測(cè)定其承載能力和變形狀態(tài)的地面試驗(yàn)，是鑒定飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度，保證飛機(jī)飛行安全的主要手段，包括靜強(qiáng)度試驗(yàn)和剛度試驗(yàn)。

關(guān)于其它各項(xiàng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)，這里不做詳細(xì)介紹，感興趣的讀者可以參考有關(guān)專業(yè)書籍。

（3）航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)是為驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)及其部件的性能、適用性和耐久性而進(jìn)行的試驗(yàn)（圖3-圖5）。通常，將整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)稱為試車。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，按不同的技術(shù)指標(biāo)可分為性能試驗(yàn)、適用性試驗(yàn)、耐久性試驗(yàn)和環(huán)境試驗(yàn)。

性能試驗(yàn)是在地面和飛行狀態(tài)下，測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和耗油率等性能指標(biāo)以及空氣流量、壓力、溫度和各部件的性能。適用性試驗(yàn)測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性對(duì)油門進(jìn)氣流場(chǎng)條件變化的響應(yīng)，重點(diǎn)是進(jìn)氣道-發(fā)動(dòng)機(jī)-噴管的匹配。耐久性試驗(yàn)包括循環(huán)疲勞壽命、應(yīng)力斷裂或蠕變壽命、抗外來(lái)物破壞和包容能力等機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)證。

環(huán)境試驗(yàn)是檢驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)及其附件在不同環(huán)境條件下的工作適應(yīng)性以及環(huán)境對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)影響的試驗(yàn)，包括：惡劣大氣條件試驗(yàn)（如高低溫、潮濕、霉菌、電磁、核輻射等方面的試驗(yàn)）、吞咽試驗(yàn)（如吞煙、烏、冰、水、沙、塵、機(jī)械硬件等物體的試驗(yàn)）、噪聲試驗(yàn)、排氣試驗(yàn)、特征信號(hào)（紅外信號(hào)和雷達(dá)截面積）試驗(yàn)。環(huán)境試驗(yàn)可以在地面設(shè)備、模擬高空試驗(yàn)設(shè)備或?qū)ｉT的戶外試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行。

（4）飛行控制系統(tǒng)試驗(yàn)

飛行控制系統(tǒng)試驗(yàn)是對(duì)飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)的性能、可靠性進(jìn)行的試驗(yàn)，包括地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)。飛行控制地面試驗(yàn)一般在“鐵鳥(niǎo)”臺(tái)上進(jìn)行（圖6）?！拌F鳥(niǎo)”臺(tái)的飛行控制系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)與飛機(jī)上的一致，但試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)比真實(shí)飛機(jī)要?jiǎng)傆驳枚?，用于支撐操縱系統(tǒng)和舵面的結(jié)構(gòu)以及外形與真實(shí)飛機(jī)也不一樣。

（5）飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)試驗(yàn)

飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)試驗(yàn)主要包括電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、起落架收放系統(tǒng)（圖7）、機(jī)輪剎車系統(tǒng)（圖8）、防冰系統(tǒng)、生命保障系統(tǒng)、救生系統(tǒng)（圖9）、環(huán)境控制系統(tǒng)等各類飛行系統(tǒng)的試驗(yàn)。

（6）航空電子系統(tǒng)試驗(yàn)

航空電子系統(tǒng)試驗(yàn)是保證飛機(jī)完成預(yù)定任務(wù)，達(dá)到規(guī)定的各項(xiàng)性能所需開(kāi)展的各種電子設(shè)備的試驗(yàn)（圖10）。

（7）航空武器系統(tǒng)試驗(yàn)

航空武器系統(tǒng)試驗(yàn)是指為鑒定武器系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)性能指標(biāo)和可靠性所做的試驗(yàn)。主要包括：機(jī)載武器地面靜態(tài)試驗(yàn)、機(jī)載武器地面發(fā)射試驗(yàn)、火控系統(tǒng)地面試驗(yàn)。

（8）環(huán)境試驗(yàn)

環(huán)境試驗(yàn)是將航空器暴露于自然或人為的環(huán)境中，以確定這些環(huán)境對(duì)產(chǎn)品影響的規(guī)律。目的是弄清航空器在惡劣的自然環(huán)境條件下性能的變化，提高可靠性。航空產(chǎn)品的環(huán)境試驗(yàn)一般包括低溫試驗(yàn)、溫度循環(huán)試驗(yàn)（外界溫度從低到高再到低反復(fù)變化）、溫度沖擊試驗(yàn)（外界溫度突然變化）、低氣壓試驗(yàn)、日曬試驗(yàn)、淋雨試驗(yàn)、沙塵試驗(yàn)、腐蝕試驗(yàn)、雷電模擬試驗(yàn)、結(jié)冰試驗(yàn)（圖11）、電磁兼容性試驗(yàn)（檢查通信、控制等電子系統(tǒng)是否相互干擾）等。

（9）壽命及可靠性、維修性與保障性試驗(yàn)

壽命試驗(yàn)是為了證實(shí)受試的產(chǎn)品在一定的工作、使用、儲(chǔ)存等條件下的壽命而進(jìn)行的試驗(yàn)。

可靠性、維修性與保障性試驗(yàn)是指為了了解、分析、提高和評(píng)估航空器的可靠性、維修性和保障性而進(jìn)行的試驗(yàn)和評(píng)估的總稱。

2.飛行試驗(yàn)

飛行試驗(yàn)是指飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)載設(shè)備及機(jī)上各系統(tǒng)在真實(shí)的飛行條件下進(jìn)行的各種試驗(yàn)，簡(jiǎn)稱試飛（圖12-圖15）。通過(guò)試飛可以獲得實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)，探索未知的飛行現(xiàn)象，驗(yàn)證航空新技術(shù)、方案和原理，鑒定航空產(chǎn)品是否滿足規(guī)定的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求或適航標(biāo)準(zhǔn)。飛行試驗(yàn)按其性質(zhì)可分為研究性飛行試驗(yàn)和型號(hào)飛行試驗(yàn)。

研究性飛行試驗(yàn)是探索未知領(lǐng)域、研究新技術(shù)、檢驗(yàn)新的理論和為研制新飛機(jī)提供數(shù)據(jù)的飛行試驗(yàn)。研究性飛行試驗(yàn)一般不以某一具體型號(hào)為研究對(duì)象，而側(cè)重于基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)的探索、驗(yàn)證；有時(shí)也針對(duì)某新一代型號(hào)要求進(jìn)行特定的專門技術(shù)的研究。研究性飛行試驗(yàn)通常用專門研制的研究機(jī)或用現(xiàn)役飛機(jī)改裝的專用飛機(jī)進(jìn)行。歷史上有不少重大航空技術(shù)都是由專用的試驗(yàn)機(jī)或研究機(jī)的研究性飛行試驗(yàn)突破的。世界上一些航空技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家還專門設(shè)置有研究性試飛機(jī)構(gòu)，如美國(guó)NASA戴頓飛行研究中心、英國(guó)皇家航空研究院的飛行試驗(yàn)部等。

型號(hào)飛行試驗(yàn)是以型號(hào)產(chǎn)品（飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)載設(shè)備和機(jī)上各系統(tǒng)）為試驗(yàn)研究對(duì)象，側(cè)重于其性能和可靠性的試驗(yàn)與鑒定。型號(hào)飛行試驗(yàn)按其任務(wù)、時(shí)機(jī)不同，又可分為：首飛、調(diào)整試飛、鑒定試飛、使用試飛、出廠試飛、驗(yàn)收試飛。

新研制型號(hào)的原型機(jī)首次升空的飛行稱為首飛。調(diào)整試飛又稱發(fā)展試飛，是首飛后、鑒定試飛前，為調(diào)整飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)及機(jī)上各系統(tǒng)、機(jī)載設(shè)備，使其符合鑒定試飛飛機(jī)移交狀態(tài)而進(jìn)行的飛行試驗(yàn)。調(diào)整試飛的基本目的是暴露設(shè)計(jì)和制造的缺陷，排除故障，使新機(jī)達(dá)到設(shè)計(jì)的基本要求或達(dá)到預(yù)定的性能，為型號(hào)鑒定試飛做準(zhǔn)備。關(guān)于型號(hào)飛行試驗(yàn)的其他項(xiàng)目，這里不作詳細(xì)介紹，感興趣的讀者可以參閱相關(guān)資料。

逐夢(mèng)飛翔——作者的話

與《航空模型》編輯的長(zhǎng)期工作接觸中了解到，不少航模愛(ài)好者對(duì)于航空模型的理論知識(shí)以及航空模型里所蘊(yùn)涵的航空知識(shí)了解較少，市面上也非常缺乏能夠深入淺出且較為系統(tǒng)地介紹這些知識(shí)的資料。不少讀者經(jīng)常致信《航空模型》，希望能組織專家撰寫一些相關(guān)文章來(lái)滿足他們的需求。2009年底，應(yīng)《航空模型》主編俞敏的正式約稿，我開(kāi)始著手編寫相關(guān)內(nèi)容。2012年4月，《航空模型》雜志開(kāi)始連載《萬(wàn)博士的航空講堂》；歷時(shí)4年，共刊登入門篇20期、共45問(wèn)（2012年第4期-2013年第11期），提高篇10期、共20問(wèn)（2014年第1期-2014年第10期），深入篇13期、共15問(wèn)（2015年第7期-2016年第7期）。

《講堂》中的內(nèi)容結(jié)合了本人近三十年參加航?；顒?dòng)、組織航模活動(dòng)、從事航空教學(xué)與科研工作的經(jīng)歷，較為通俗易懂、深入淺出、圖文并茂地介紹了航空、航天與航模的基礎(chǔ)知識(shí)。介紹中尤其注意到充分體現(xiàn)航模與航空、航天的聯(lián)系，以期吸引更多的航模愛(ài)好者積極關(guān)心和投入到祖國(guó)的航空航天事業(yè)中。自欄目開(kāi)設(shè)以來(lái)，得到了《航空模型》編輯部的高度重視，俞敏主編和前編輯部主任黃東冬先后擔(dān)任了責(zé)任編輯。

入門篇：該部分內(nèi)容都是航空、航天與航模最基本的知識(shí)。從萊特兄弟實(shí)現(xiàn)人類首次有動(dòng)力飛行開(kāi)始（人類的航空壯舉），引出有動(dòng)力飛行所需要具備的3要素，并穿插介紹飛機(jī)能夠有多大，飛機(jī)能飛多遠(yuǎn)，飛機(jī)能飛多快，以讓讀者對(duì)于航空的由來(lái)與大致情況有所了解。而后，分別介紹了翱翔天空的航空器、遨游天宇的航天器、多姿多彩的航模、飛機(jī)的分類、大氣的特性、奇妙的升力、翼型、飛機(jī)和航空模型的組成部件及功用、舵面及其功用、飛機(jī)的氣動(dòng)布局形式及其特點(diǎn)、尾翼的布局形式及其特點(diǎn)、機(jī)翼的平面形狀及其特點(diǎn)、發(fā)動(dòng)機(jī)的布置形式及其特點(diǎn)、飛機(jī)的起降裝置、飛機(jī)的飛行性能、飛機(jī)的飛行速度、影響升力的因素及失速、阻力及其減阻方式、升阻比、直升機(jī)的工作原理、直升機(jī)的飛行性能與發(fā)展歷程、直升機(jī)的主要部件及其功能、直升機(jī)的操縱等。

提高篇：這部分主要介紹飛機(jī)的飛行參數(shù)、飛機(jī)與模型飛機(jī)的三軸操縱性與穩(wěn)定性、翼載荷及其對(duì)飛行性能的影響、上反角/后掠角/安裝角及其對(duì)飛行性能的影響、展弦比/根梢比/長(zhǎng)細(xì)比及其對(duì)飛行性能的影響、不同平面形狀機(jī)翼的氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)、上單翼/中單翼/下單翼的各自特點(diǎn)、噴氣式飛機(jī)進(jìn)氣道的布局形式、螺旋槳的關(guān)鍵參數(shù)及選取、螺旋槳?jiǎng)恿ρb置的右拉/下拉、遙控設(shè)備/發(fā)動(dòng)機(jī)的使用注意事項(xiàng)、模型飛機(jī)飛行前的必要準(zhǔn)備及飛行注意事項(xiàng)、模型飛機(jī)飛行前的必要檢查、模擬舵機(jī)和數(shù)字舵機(jī)的異同、常用的模型粘合劑和涂料、模型制作的常用工具、航模常用材料等。

深入篇：這部分主介紹飛機(jī)和模型飛機(jī)的外載荷與結(jié)構(gòu)內(nèi)力、飛機(jī)和模型飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性、機(jī)翼/機(jī)身結(jié)構(gòu)的構(gòu)成與構(gòu)造形式、飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造要求、飛行器的常用材料、直升機(jī)的機(jī)動(dòng)性、直升機(jī)旋翼的槳葉、直升機(jī)和模型直升機(jī)的旋翼槳轂、直升機(jī)與模型直升機(jī)的機(jī)體構(gòu)造、直升機(jī)的起飛/爬升/下降與著陸、衡量動(dòng)力裝置性能的主要參數(shù)、飛行器的導(dǎo)航系統(tǒng)、飛行器的測(cè)量/探測(cè)與顯示系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、航空器的試驗(yàn)等。

在本欄目連載期間，本人還應(yīng)化學(xué)工業(yè)出版社邀請(qǐng)，正式編撰出版了《認(rèn)識(shí)航空》、《飛機(jī)為什么會(huì)飛》兩本科普?qǐng)D書。其中的大部分內(nèi)容來(lái)自《萬(wàn)博士的航空講堂》?！墩J(rèn)識(shí)航空》比較適合高中及以上的航空愛(ài)好者；《飛機(jī)為什么會(huì)飛》則主要面向初中和高中的航空愛(ài)好者。兩本書都比較受讀者歡迎。

至2016年7月，《萬(wàn)博士的航空講堂》全部?jī)?nèi)容已經(jīng)刊登完畢，期待讀者對(duì)于本欄目提出更多好的意見(jiàn)和建議，以使本人不斷改進(jìn)提高，為讀者獻(xiàn)上新的文章和書籍。同時(shí)，也希望這些內(nèi)容的刊出能激勵(lì)更多的青少年航空/航模愛(ài)好者長(zhǎng)大后投身于祖國(guó)的航空航天事業(yè)。（全文完）