走进变稳飞机的魔幻世界 超时空飞机稳吗

　　提到飞机的种类，人们自然而然地会想到歼击机、轰炸机、运输机及直升机等。人们不仅了解这些飞机的外形，也知道其功用。然而对于飞机家族中的另一成员――变稳飞机，却很少有人知道，甚至闻所未闻。现在就请大家一起走进变稳飞机的魔幻世界。
　　今年11月4日至7日，在中国珠海举办的第四届国际航展中，一架由国产K-8改装而成的变稳飞机模型出现在显著的位置上，受到中外观众的瞩目。其实，在1998年第二届珠海航展上，K-8变稳飞机就曾引起了中外航空界人士的极大关注。西方的一位记者说；"这是他在此最感兴趣的一架飞机"。
　　那么什么是变稳飞机呢？简单地说，变稳飞机就是一种空中飞行模拟试验机，任何飞机的参数只要输入到它的机载电脑中，它就可以模拟出该飞机的空中特性，因而它被誉为"空中魔术师"。人们也称它为综合空中飞行模拟试验机(IFSTA，即INFLIGHTSIMULATIONTESTAIRCRAFT的缩写)。
　　变稳飞机的功用主要有四个；一是用于新型飞机的空中模拟；二是用于对飞行品质与飞行控制技术的研究；三是用于对飞机驾驶舱人机界面的研究；四是用于训练试飞工程师和飞行员。由于变稳飞机能够实现新机设计理论的空中验证，可以"诊断"出飞机设计上存在的缺陷，所以它有一个绰号叫"空中诊断师"。此外，还因为变稳飞机要经常模拟一些危险情况，而又必须有效地规避风险，它也被称作"避险专家"。
　　
　　研制背景和现状
　　
　　在变稳飞机问世之前，新型飞机设计理论的验证和飞行员的培训，通常是在地面模拟器上完成的。早在1929年，美国人林克制造了一台地面飞行模拟器，它就是后来很有"名气"，并被广泛应用的"林克机"。它的外型好象是个儿童玩具，由机械和简单的电气设备进行控制。1935年，美国军方购买了第一批生产型的林克模拟器，它曾在第二次世界大战中为美国训练了不少飞行员。二战后，随着电子技术和计算机的迅猛发展，地面飞行模拟器也得到了快速的发展，已经比较接近于实际飞行了。然而地面模拟器和真实飞机之间毕竟存在着一定的差距，如发生偏差和错误操纵、运动感的不真实性等，尤其致命的是不能进行试飞员和飞行员心理素质的锻炼。这些都可能直接导致驾驶员对新飞机的评价不准确、不全面，甚至不能发现某些设计缺陷，从而影响飞机驾驶员的培训和新飞机的研制周期。为了能够成功地模拟飞机在空中的运动情况，经过科学家长期不懈的努力，一种在真实状态下的飞行模拟器--变稳飞机诞生了。
　　20世纪40年代末期，美国研制出了世界上第一架变稳飞机。之后，俄罗斯、英国、法国也相继研制出了变稳飞机。变稳飞机的诞生大大缩短了新机的设计预研周期和试飞员的培训周期，极大地提高了发现各种新机设计缺陷的能力，开辟了飞行品质研究的新纪元。世界著名的试飞员库珀、哈珀及尼尔・史密斯等，都对变稳飞机的发展做出过重要贡献。
　　20世纪末期，美国的YF-22和JAS-39等飞机先后出现了事故，美国人便用变稳飞机模拟事故状态，最终解决了问题，从此他们更加重视对变稳飞机的研究，其代表产品NT-33变稳飞机几乎成功地模拟了所有的军用飞机。近年来，美国又研制成功了Learjet变稳飞机，现已用于对空军和海军飞行员的训练，同时也对英、法、德等国的飞行员进行了培训。除此之外，美国还要求所有战机在首飞前，飞行员必须经过变稳飞机的训练，甚至连航天飞机的机长在首飞前也要在变稳飞机上进行1300次之多的训练。俄罗斯也认为，在飞机的研制过程中空中飞行模拟是必不可少的环节，如图-154M、雅克-130、米格RT，不但是俄罗斯采用变稳飞机的"得意"之作，而且其优异的性能也受到了航空界的关注。随着变稳技术的不断发展，应用范围不断扩大，近年来美国又对F-16进行了变稳飞机的改装，俄罗斯也再次对图-154进行了变稳飞机的改装，以满足研制新一代飞机的需要。我国的变稳飞机技术在起步较晚的情况下发展的速度非常快，最新研制的由K-8飞机改装成的三轴变稳飞机--K-8V，配有先进的电传控制系统，其综合模拟能力已达到了世界先进水平。
　　
　　变稳飞机的"魔力"
　　
　　在认识变稳飞机的功能之前，我们先要了解"飞行品质"的概念，因为研制变稳飞机的目的与飞行品质的研究是息息相关的。飞机的飞行品质是指能够保证飞机飞行安全、完成飞行任务的能力。飞机的飞行品质就如同人的品质一样，如果说一个人的品质好，那么他就是一个优秀的人，同样，如果说一架飞机的飞行品质不错，那么，该飞机的飞行特性就是良好的。飞行品质研究一直是空中飞行模拟器的主要功能和任务，而变稳飞机是研究飞行品质最主要的工具，对于飞行的主体试飞员和飞行员来说，飞行品质研究既是出发点，也是归宿点。
　　在现代变稳飞机的实际操纵中，试飞员能在仅仅5分钟左右的时间内，体会到在同一飞行状态下4种以上不同飞行品质的操纵感觉，这是常规飞机无法实现的。试飞员通过亲自操纵可以体验到很坏的飞行品质，如诱发振荡，也能体验到非常理想的操纵品质，这是研究飞行控制技术和培训试飞员的极佳方法。
　　那么变稳飞机是如何实现模拟其它飞机的特性，"诊断飞机病情"，而又能有效地规避风险的呢？
　　首先，变稳飞机的前身是一架双座且飞行性能比较好的飞机。它是将该机的一个驾驶舱保持原机状态，把另一个驾驶舱进行改装而成的。这个需要进行改装的座舱主要是改操纵系统，如对飞机的操纵杆、脚蹬进行改装后，使其特性能模拟或满足被研究飞机的人感特性要求。有时还需要对座舱重新改装，如某些机载设备的更换，显示系统的更换等，其目的是根据不同任务的要求进行不同设备的配备，使其尽可能具有和被模拟飞机相同的座舱环境及外界视野。
　　变稳飞机主要由仪表显示系统、驾驶员、控制系统和飞机特征四部分构成。在实际飞行操纵中，这四个部分形成有机的人机回路，除驾驶员外，其它三个部分加入变稳系统后(即向机载电脑输入其它飞机的参数)，飞机就可实现原机以外的飞机状态，转换过程是通过驾驶员操纵杆上的转换按钮来控制飞机转换离合器完成的。以我国新型三轴变稳飞机--K-8V为例，该机以国产K-8飞机为原型机，前舱去掉原机械操纵系统，加装了多功能显示系统等新的设备。后舱为安全驾驶舱，保留了原机全套操纵系统。在实际空中模拟过程中，由前、后舱驾驶员通过操纵杆上的转换按钮进行各种飞机特性的转换。位于前驾驶舱右侧的辅助操纵杆，可以在紧急情况下代替主操纵杆使用。
　　变稳飞机不但可以模拟其它飞机的各种状态，还可以发现其它飞机自身设计上的缺陷，这对新型飞机的研制具有十分重要的意义。其原理是通过将其它飞机发生问题时的各种技术参数输入到变稳飞机的机载计算机中，使变稳飞机在空中模拟出同样的状态，再由变稳飞机的机载设备记录下来并进行数据整理，再将数据带回地面进行详细的分析研究，直至找到问题的原因。美国在F-16首飞前曾用变稳飞机发现并排除了进场着陆时严重的横向振荡问题，还同时解决了F-18飞机的相同问题。相反，JAS-39飞机在首飞前未经过变稳飞机空中飞行模拟，当该机出现事故后不得不重新进行空中模拟飞行试验，最后通过变稳飞机NT-33A的试验，才找出了造成事故的原因。
　　我国也利用变稳飞机解决了许多在新机研制中的问题。国产歼教七飞机自研制以来，一直存在着在空中某个状态经常发生"飘摆"现象。1990年，中国空军某试飞团试飞员汤连刚、李存宝，驾驶国产BW-1型变稳飞机对歼教七的飘摆问题进行了模拟试验。经过数次空中模拟试验后，终于找到了飘摆的原因和排除措施。之后，国产变稳飞机还对数种新机的试飞员进行了培训，并在飞行力学、飞行试验技术的研究等方面发挥了重要作用。
　　由于变稳飞机是一种空中模拟机，有时需要模拟一些比较危险的情况，因此每一种变稳飞机都设置有安全保障系统。该系统的主要功能是随时监测变稳系统的工作情况，当监测到有危及飞行安全的情况时，该系统就会发出警告，同时切断变稳系统的工作，自动转入基本飞机的正常操纵。除此之外，变稳飞机中还设有应急切断变稳系统的按钮，一旦发生安全系统告警又未自动切断，或安全系统未告警而飞行员发现有危及安全情况时，均可使用该按钮，使飞机转入基本飞机的正常操纵，这就进一步保证了飞行安全。举一个简单例子；一架由歼教六飞机改装的变稳飞机，飞行员在空中通过变稳系统的转换开关可将飞机变为F-16飞机的操纵，并能够体会到F-16飞机的飞行感觉。当飞机在空中发生问题时，飞机会向飞行员告警并自动切断变稳系统转回到歼教六飞机的飞行状态，如果其中再发生问题，飞行员便可用应急按钮手动切断系统，使飞机恢复到歼教六飞机的操纵。
　　
　　变稳飞机强大的"特异"功能
　　
　　变稳飞机利用其与众不同的功能，可以为人们完成许多工作。首先，用它培训试飞员和飞行员就是一条便捷之路。当某种新飞机进行试飞时，试飞员能正确描述他所看到和感受到的现象并给予一定分析是十分必要的。尽管这位试飞员可能已有了多种型号飞机的飞行经验，但要对飞机间的那些十分微妙且又十分复杂的特性加以区别仍然是比较困难的，特别是对新试飞员来说更是如此。利用变稳飞机就可以方便地解决这些问题，因为变稳系统可以利用机载设备将这些微妙的现象加以放大，使其变得更明显，这样就可以帮助试飞员进行辨认和理解。如在一架变稳飞机的机载电脑中加装了苏-27飞机的飞行参数时，这时试飞员就可感受到苏-27飞机的操纵，如加装的是F-16飞机的飞行参数，那么试飞员就能感受到F-16飞机的操纵。这样，只需通过改变各种飞机的不同参数，试飞员便可在同一架飞机上体会到多种飞机的操纵特性，可以非常直观地体会不同飞机间的差异。
　　同时变稳飞机也可用来讲解或教授飞行控制系统的设计，向试飞员演示不同系统参数对飞机稳定性、机动性等方面的影响。这对于帮助试飞员熟悉飞行试验任务和方法，保证驾驶员进行正确地评价有着重要的作用。在美、英、法等航空发达国家的试飞员学院，均拥有变稳飞机。被广泛应用且比较成熟的有美国空军试飞员学院的NT-33A、C-131TIFS、X-22A等；英国皇家试飞员学院有Besset、Hawk；法国试飞员学院有"幻影"ⅢB、"隼"20等。
　　其次，变稳飞机还可在新型飞机的研制中"大显身手"。当某一种新机型在完成设计、生产后，试飞员对其特性和操纵程序等只有感性认识，而没有亲身经历的体验，此时如果通过变稳飞机模拟该新机的特性飞行，就可以使试飞员在变稳飞机上获得一个比较真实的飞这种新机的感觉。这样可以大大缩短试飞员对新机性能、操纵特点和操纵程序的熟悉过程，从而可保证新机首飞的安全和促进新机的研制进度。有人打过一个比方，有些运动员平常训练很出成绩，但一打比赛就表现不佳，所以实际检验很重要。同样，在新机研制过程中，如果没有变稳飞机进行空中实际飞行，而只是由试飞员在地面模拟器上练习，那么很多问题就不容易暴露出来。所以要想真正发现新机系统中的问题，就必须把实验室搬到空中去。
　　美国在F-16飞机的研制中有这样一个事情；试飞员在做地面模拟试验的过程中一切正常，在空中模拟试飞时却发现飞机横向操纵太灵活，容易出问题，于是建议改进系统，而这个建议没被采纳。后来F-16在爱德华空军基地进行试验飞行时，由于飞机横向摆动过大，险些发生重大事故，事后美方更加认识到变稳飞机的"特殊"作用。
　　不仅如此，变稳飞机还有其它许多用途；如进行飞行控制技术研究、飞机驾驶舱人与飞机界面的研究、人机工效研究、综合电子系统研究等等。除此之外，变稳飞机还可模拟出许多高难度的飞机战术机动动作，如"眼镜蛇机动"、"钩式机动"等。
　　中国目前的K-8V变稳飞机也是一种实用型的多功能空中模拟平台，它可同时装定8组参数，即8种不同飞机的模型，如F-16、歼八、"幻影"2000、苏-27等都可以装进去。当选择苏-27的转换按键时，飞机在整个控制系统的作用下表现出来的就是苏-27的飞行特性，而并非K-8的飞行特性。通过试飞结论来看，真正驾驶苏-27飞机的飞行感觉和用K-8变稳飞机模拟苏-27的飞行感觉非常相似，就连进行飞行的试飞员都认为十分神奇。
　　现在，在变稳飞机上加装GPS(全球卫星导航定位系统)后，可在机载显示器上进行模拟对空、地目标瞄准、攻击，这样变稳飞机又具有了模拟空战的能力。
　　
　　中国变稳飞机的研制道路
　　
　　我国于70年代末期开始研制变稳飞机，该项目由中国飞行试验研究院(以下简称试飞院)承担。由于变稳飞机的研制在我国是一个全新的领域，尤其是飞行控制计算机系统及软件的开发，更是前进路上的一道"拦路虎"。为此，试飞院与中国航空计算机技术研究所和中国航空附件研究所进行了联合攻关，试飞院还专门指派航空试飞界知名专家周自全、吕杰等组成了课题组。1980年，我国第一台变稳系统"问世"了，试飞院的科研人员把它装在国产歼教六飞机上开始了空中试验。
　　1984年12月4日，空军某试飞团试飞员杨步进、胡朝德驾驶装有变稳系统的歼教六飞机在高度3000米进行该系统试飞时，突然飞机机头向上抬起达60～70度，飞机瞬间向上窜出400多米，紧接着出现飞机倒扣并向右滚转着向地面坠去，试飞员在座舱里左右摇晃，眼睛在瞬间进入"黑视"之后又恢复了正常。"不好!飞机进入了可怕的螺旋状态"。杨步进努力使身体向前，右手使劲伸向切断变稳系统的转换按钮，可是按钮在他的右上方，加上飞机剧烈的晃动，很难够着。胡朝德则双手使劲稳住驾驶杆，尽力使飞机改出螺旋状态。由于飞机距地面太低，当飞机改出螺旋时已没有高度了，这两位试飞员忍痛按下了救生伞的弹射按钮。事后查明原因是由于变稳系统技术不成熟，当飞机在空中出现问题时，前、后舱的离合器未拉开，没能恢复到原机的状态，所以导致飞机无法操纵。事故发生后，科研人员们经过反复研究讨论，将最初的设计方案推翻了。中国首台变稳系统因此宣告"流产"。
　　在发展变稳飞机的过程中遇到前所未有的困难时，我们的科研人员并没有因此而退缩，我们的试飞员更没有因此而畏惧。他们在认真吸取前面的经验教训之后，不断探索总结，并派专人到西方国家进行学习、调研。经过近5年的努力，终于在1989年成功研制出了我国第一架变稳飞机，该机代号为BW-1。这是一架由国产歼教六飞机改装而成的变稳飞机，因为它只能沿纵轴模拟飞机的俯仰动作，因而被称为单轴变稳飞机。改装后的飞机前驾驶舱为模拟试验驾驶员座，加装了纯数字式电传操纵系统。后驾驶舱为安全驾驶员座，保留了原机的操纵系统，当飞机遇到危及飞行安全的情况，可切断变稳系统的工作，转入原机正常的操纵系统。当要进行飞行试验时，就接通电传系统，同时断开原机的操纵系统。当试验结束时则断开电传系统，接通原机操纵系统后，飞机即可恢复到原歼教六飞机的操纵系统。
　　1989年4月22日，中国飞机城阎良晴空万里，机场上航空工业部、试飞院领导和科研人员的数百双眼睛不约而同地投向一架歼教六飞机。作为中国第一架变稳飞机，今天，它就要从这里首次升空了。担任这架飞机的首席试飞员是空军某试飞团特级试飞员汤连刚和李存宝。只见两名试飞员全身披挂整齐，气宇轩昂地向战鹰走去。"嘭"的一声，随着一发绿色信号弹划破天空，中国首架变稳飞机似离弦之箭冲向蓝天。"飞机操纵性能良好，机载设备工作正常......"汤连刚不断地向地面报告着。10分钟后，飞机平稳地降落在跑道上。首飞成功了!机场上，人们情不自禁地欢呼起来。
　　首飞成功后，科研人员和试飞员又经过4年多的艰辛工作，终于在1993年完成了我国第一代单轴变稳飞机的设计定型试飞。该机的研制成功不仅填补了我国空中模拟试验机的空白，还使我国成为继美、英、法、俄等国之后第五个拥有此项技术的国家。1991年，BW-1型变稳飞机还荣获了国家科技进步一等奖。
　　成功的背后是几代科研人员和试飞员所付出的巨大努力，在试飞中好几次都险些发生机毁人亡的事故。如1990年8月，试飞员汤连刚和李存宝在驾驶变稳飞机进行试飞时，当飞机到达8000米高度后，突然飞机的离合器不听"使唤"，前后驾驶舱的驾驶杆双双失灵。转眼间飞机像脱缰的野马一样无规则地曲线下沉，他俩的心一下子剧烈颤抖起来。8000米、7000米、6000米......不到6秒钟，飞机带着惯性和负载，向下坠了2000多米，然而更危险的是试飞员此时出现了黑视，险情就要发生了!有着丰富试飞经验的两名试飞员并未惊慌，在经过短暂协同后，试飞员们积极配合，汤连刚在5000多米的高度成功切断了变稳系统，恢复了原机操纵，从而避免了一次严重飞行事故的发生。
　　为了加快我国航空技术的发展和新机研制进程，同时也为进一步扩大实用范围，在第一代单轴变稳飞机的基础上，经过数万名航空工作者近8年的不懈努力，以国产K-8飞机为基本型的三轴(横轴、纵轴、侧轴)变稳飞机--K-8V，于1997年6月25日由空军试飞团试飞员李存宝和史同洲首飞成功。K-8V变稳飞机是我国第二代变稳飞机，它不但可以实现三个自由度(俯仰、滚转、偏航)变稳能力，而且还能完成包括起飞、着陆在内的多种飞行任务的空中模拟试飞等专项课题研究。该机在机舱内增加了先进的电传操纵系统和驾驶舱显示仪表，与国产第一代单轴变稳飞机相比，具有操纵更简单、安全性更高、经济性更好等优点。2001年2月，K-8V变稳飞机荣获国家科技进步二等奖。
　　现任空军试飞团团长，空军特级试飞员，试飞专家汤连刚在驾驶K-8V变稳飞机后曾发表专门评论；"我一直参与国产变稳飞机的研制工作，不但在国内飞过，而且也在国外飞过，如英国、俄罗斯等。与西方先进的变稳飞机相比，我们的变稳飞机可靠性是比较不错的，不但能够完成变稳飞机的所有功能，而且能够模拟各种飞行器的性能和品质，特别对培训飞行员有着重要的作用。它必将对我国的航空航天发展起到巨大的推进作用。"
　　随着世界航空技术的迅猛发展，变稳飞机必将显现出更大的作用，在变稳飞机这个前沿科学技术上，我国赶超世界航空先进水平的愿望已不再是一个口号。时不我待，抓住机遇、迎接挑战，是每一个关心中国航空事业发展有志之士的当务之急。
　　责任编辑；京勉■