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控制律存设计缺陷:“歼-11BS”飞行事故猜测分析

(2012-04-17 10:55:03)
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杂谈

  近日中央电视台报道,沈阳军区空军某航空兵旅特技飞行员副旅长刘允和飞行大队长耿雨笋在不久之前驾驶某新型战机实弹训练时面对突发空中特情沉着冷静,在26秒内成功处置了了险情,安全返航。该消息在各大军事网站和军事论坛上引发了热烈的讨论,公众对于我国作战飞机安全性、此次事故原因等话题非常关注。笔者也凑个热闹,基于新闻公开的事故过程并且参考手头的公开学术资料,挖掘出一些有教益观点和结论。

控制律存设计缺陷:“歼-11BS”飞行事故猜测分析

  事故机型透露出的信息

  根据新闻公开的画面来看,此次事故机型总体设计和气动外形与苏-27系列战斗机非常相似。因而,我们可以认定该型飞机可能是我国引进的苏-27原装飞机或者是测绘仿制改进型号。该飞机采用纵列双座设计,新闻中可以看到显然是衍射平视显示器的绿色反光,飞机故障后平显的提示文字为中文“危险”,机内故障提示音也为中文女声,根据飞机喷管来看飞机采用的是自研“太行”涡扇发动机。基于以上事实,该型飞机应该是我国在引进俄罗斯苏-27UBK同型教练机基础上进行测绘仿制和大幅度改进的国产型号。该型飞机在军事网站和论坛被称为“歼十一BS”,意为苏-27飞机测绘仿制型号“歼十一B”基础上改进的双座机型。本文出于便于读者阅读的原因,也姑且称该型飞机为“歼十一BS”。据称,“歼十一B”型战斗机于2007年完成技术鉴定并且开始装备部队。如果此事实成立,那么考虑到单座改双座和技术鉴定的时间,“歼十一BS”正好是在最近两年批量装备,也就是说作战部队处于接收新装备和进行换装飞行的阶段。此次事故也侧面说明我国正在批量装备可以完全立足国内,而且技术性能水平比俄罗斯原装进口苏-27系列飞机更好的“歼十一B”系列作战飞机。

  新闻中,驾驶“歼十一BS”的两名飞行员刘允强和耿丽笋分别是特级飞行员副旅长和飞行大队长。这个事实也与“歼十一BS”正处于换装试飞的阶段是吻合的,因为一般作战部队接收新装备之后,会由该部队最好的尖子飞行员首先进行试飞,并且总结和分析新装备的特性,从而积累使用经验,降低新装备的训练作战风险,有利于新装备尽快形成战斗力。此次事故也证明,我国空军尖子飞行员首先进行换装试飞的传统是具有实际价值的,尖子飞行员在面对突发事故时的心理素质和飞行技术更为优秀和可靠。

  事故过程梳理

  根据央视新闻对于两位优秀飞行员的采访,我们可以大概搞清楚此次事故的发生过程和飞行员的处理手段。事故过程的第一阶段是:两名飞行员驾驶“歼十一BS”顺利完成射击训练后准备驾机返航,飞机突然剧烈上仰,失去控制,平显给出电传故障信息并且提示“极限迎角、极限过载、极限速度”。此时,飞机已经处于飞行包线的边缘,濒临失速状态。据耿丽笋大队长介绍,飞机突然上仰之后的过载达到了9。36G,这已经是优秀飞行员能够承受的持续过载的极限了。由于飞机姿态出现急剧变化,两位飞行员始料未及,在身体承受极限过载的情况下,飞机操纵杆脱手,飞机处于失控状态。第二阶段是:两名飞行员驾驶杆脱手后,飞机在俯仰姿态剧烈变化,继第一阶段的猛烈上仰之后,飞机突然低头,两位飞行员在刚刚承受极限正过载之后,又承受了很大的负过载。由于负过载较大,两位飞行员处于严重失重状态,头盔猛烈的撞击在座舱盖上并且划出较深的痕迹。此后飞机不断在俯仰轴摆动,两位飞行员交替承受较大的正过载和负过载,期间出现了“灰视”。由于飞机机动非常猛烈无常,飞行员无法抓住操纵杆,因而操纵杆在座舱内随着飞机机动而反复摇摆。第三阶段是:两位飞行员在反复承受极限载荷的情况下,从事故刚刚发生的无心理准备的状态恢复过来。前舱特级飞行员刘允强克服了过载带来的生理反应成功的抓住了摇摆不定的操纵杆。刘允强抓住驾驶杆之后的处理并未在新闻中介绍,有可能是飞机在他控制下逐渐稳定下来,也有可能是将飞机的数字电传飞控切换到模拟备份通道。飞机恢复稳定状态时,距离地面已经只有380米左右的高度,应该说刘允强的应急处理操作再晚一点,很有可能这就是一次机毁人亡的飞行事故。从出现险情至成功控制的时间间隔为26秒。两名飞行员在这26秒内,为了保住飞机和故障数据所做出的努力和勇气以及他们冷静娴熟的应急操作技术极为令人钦佩。

  新闻中飞行员的叙述,大概为我们理清了事故发生过程。

  事故原因分析和猜测

  根据《飞机设计手册》,战斗机的四大要素为:结构、飞控、气动和动力。结构损坏一般是由于武器毁伤、外物撞击、结构设计缺陷或者部件质量缺陷导致的,事故特征往往是存在猛烈的撞击和伴随剧烈的震动,这与事故过程中的描述并不吻合。气动方面的问题也可以排除,因为“歼十一BS”飞机所采用的气动布局基本与苏-27UBK没有什么区别,而苏-27UBK的气动布局经过二十年左右的使用经验判断,是非常成熟可靠的。事故过程也没有提到飞机失去动力或者有空中停车告警,因而动力问题也可以排除在事故原因之外。因而,根据上述事故过程梳理,飞机突然出现猛烈和持续的飞行状态变化可以认定为飞控以及飞控相关分系统出现了故障。苏-27基本型战斗机采用俯仰轴模拟电传、滚转轴和偏航轴机械操纵的飞控总体设计,后来在老苏-35和苏-35BM改型上使用了三轴全权数字电传飞控系统。由于“歼十一BS”与苏-27系列在技术上应当存在较为深刻的联系,我们可以认为“歼十一BS”也采用了模拟电传或者数字电传飞控。电传飞控系统是一种将航空器驾驶员的操纵输入,通过转换器转变为电信号,再结合大气传感器和大气计算机提供的大气数据以及陀螺提供的飞机姿态数据,经计算机或电子控制器处理,再通过电缆传输到伺服机构一种飞控系统。它省掉了传统操纵系统中的机械传动装置和液压管路。电传飞控的设计难点在于飞控计算机用于解算控制指令的控制律以及保证飞控系统可靠工作的余度设计。

  YF-16型号验证机的纵向控制律系统框图,电传控制律设计是电传飞机安全可靠的关键。

  我们下面按照事故发生的阶段来分析“歼十一BS”的故障原因和发生故障的分系统。第一阶段最大的故障表征就是飞机剧烈上仰。我们从苏-27的试飞记录中找到了一起非常类似的事故:1978年苏霍伊设计局制造了苏-27的第二架原型机——T-10-2,它的飞行测试由苏霍伊设计局的试飞员耶夫格尼。索诺约夫进行。1978年7月7日,索诺约夫驾驶它进行中、高空飞行项目的测试。当他在11000m和5000m飞行时,一切都很正常,但当他下降到1000m高度准备测试一下1000km/h速度下的性能时,飞机剧烈上仰,飞机的过载一下子高出他的预料。飞行员立即向前推杆试图保持飞机的平衡,这使飞机的过载立即变为8G。飞机的动能损失之快超出了飞行员的想象,飞机最终坠毁在地面上。这次事故促使苏霍伊设计局为苏-27安装了电传操纵系统。此次事故的根本原因,现在也没有公开。这说明由于未知的原因,苏-27先天设计存在严重缺陷,当某种条件达到后,飞机会无表征的出现上扬和失速。此后,苏-27采取的解决办法是将原有的机械飞控换为俯仰轴模拟电传。很有可能是在控制律设计时,将飞机出现控制问题的条件进行了屏蔽,也就是设法不让飞机达到那个控制上的发散点。“歼十一BS”有可能是在电传控制律设计上,并没有摸透苏-27先天气动机理和控制上的细节特性,“照搬”了苏-27的控制律,但是并没有弄清楚控制律是怎么屏蔽某些控制传递函数极点的。

  “歼十一BS”起初的剧烈上仰基本已经达到了飞机的极限,再略有超出,可能就是摔机的结果。

  “歼十一BS”的事故第二阶段是反复的俯仰机动,基本可以认为发生了某种耦合震荡。因为电传飞控需要飞控计算机进行复杂的解算才能得到具体的控制指令,因而相对于驾驶杆与舵面直联/助力的机械飞控会导致一定的控制延迟。当延迟与飞机震荡频率达到一定的耦合条件时,本来应该修正飞机控制误差的操作错过了修正点,反而增加了飞机的控制误差。一旦出现这种情况,飞机的俯仰动作就会发散,俯仰角速度越来越大,一直到飞机失速、解体或者这种耦合条件被打破,这种情况就被称为发生了耦合震荡。电传飞控的耦合震荡有两种:第一类耦合震荡和第二类耦合震荡。第一类耦合震荡就是大家非常熟悉的“飞行员诱导震荡”,就是飞行员的操纵由于飞控的延迟与飞机俯仰机动产生了耦合,从而导致飞机出现耦合震荡。瑞典的“鹰狮”战斗机曾经就因为飞行员诱导震荡连续坠毁两次,美国的F/A-22至少因为该原因坠毁过一次。目前,在试飞阶段没有因为电传飞控故障摔过飞机的,大概只有我国自研的歼十战斗机了。飞行员诱导震荡确实是个严重的问题,但是却不难克服。因为震荡是飞行员的修正操作与飞机俯仰机动耦合产生的,那么只要飞行员稳住驾驶杆,不进行频繁的修正操作,那耦合条件就不能达成,飞机自然会慢慢稳定下来。不过,根据“歼十一BS”的事故过程来看,飞机第一次剧烈上仰之后,两位飞行员都因为始料未及而驾驶杆脱手。因而不构成第一类诱导震荡发生的条件,事故原因很有可能是第二类耦合震荡。

  F/A-22虽然贵为世界最先进的隐身战斗机,但是依然遭遇到了飞行员诱导震荡。图为震荡过程中坠毁在跑道上的飞机残骸。

  第二类耦合震荡也被称为带有速率限制的准线性人机系统振荡,发生机理与伺服作动器最大速率限制有关。简单粗暴的理解就是:飞机俯仰机动的频率过大,超过了翼面调整的速率,于是飞机机动与翼面偏转之间就产生了延迟,当机动频率和翼面偏转速度达到一定条件时,本来用于修正飞机控制误差的舵面动作,反而会增加飞机控制误差。换一个角度来理解就是将第一类耦合震荡里的飞行员修正动作换成舵面修正动作。第二类耦合震荡是飞机舵面偏转最大速率有限导致的,基本所有的常规布局飞机都有潜在的第二类耦合震荡点。不过第二类耦合震荡也是可预测的,因为舵面偏转最大速度是已知和给定的。一般在控制律设计的时候,会根据预测出来的耦合发生条件对飞控进行限制。一旦飞机出现第二类诱导震荡,飞控计算机会自动调整舵面偏转,故意破坏耦合条件。“歼十一BS”事故的第二阶段飞行员并没有参与飞机控制,而飞机自发的在剧烈俯仰机动,这说明是飞控计算机在试图修正飞机的控制误差,但是由于控制律对于第二类耦合震荡的考虑不足,飞机没能自动恢复平飞姿态。事故第三阶段前舱飞行员重新抓住驾驶杆之后,有可能是稳杆破坏耦合条件,也有可能是直接切换了机械/模拟备份飞控通道,从而屏蔽了控制律里的固有缺陷。

  第二类诱导震荡并不是难以预测,本图选自《某电传操纵飞机的Ⅱ型PIO预测和抑制对策研究》

  我国航空兵飞行员的勇气和不怕牺牲的精神极为令人敬佩,一句“我一定要把我的飞机飞回来”,不禁让人热泪盈眶!

  此次事故反映出“歼十一BS”的控制律存在较大的设计缺陷,这主要是总体研制单位并没有弄清楚飞机气动特性以及控制律编制方法。按照网络上的观点,苏-27系列飞机于1992年引进到我国,至今也有足足二十年了。二十年对于飞机研制周期来说应该是完全足够了,我国自研的歼十研制过程也不过是十八年。但是“歼十一BS”事故暴露了研制单位在这二十年内依然没能完全摸透三代机气动和飞控设计核心技术。非常值得一提的是,我国飞行员极强的飞行技术和心理素质,在大过载连续突发机动情况下,依然用大无畏的牺牲精神、高度的责任感和娴熟的故障处理操作保住了飞机,保住了事故分析的原始数据。不能不说,刘允强和耿丽笋两位飞行员是令人肃然起敬的飞行英雄!“歼十一BS”事故报道之后,央视又报道了我国飞行员处理歼八飞机低空单发停车的事迹。此次事故中,歼八飞机由于某种原因在起飞过程中单发停车,主电台和备份电台也因为某种原因失效,最后不得不通过低空单发同场摇摆机翼的方式来告知地面飞机出现了紧急情况。然后飞行员在单发停车以及飞机满油的情况下降落。备份电台本来就是用来防止主电台故障的备份,竟然与主电台同时失效,意味着飞机在可靠性设计和故障控制上的缺陷。此次事故中,飞行员低空单发飞行,在无地面指挥下的一系列应急操作同样体现了极高的心理素质和飞行技术水平,要知道低空停车导致机毁人亡的例子实在是并不罕见。希望“歼十一BS”和歼八飞机的研制单位能够认真调查事故原因,解决飞机存在的设计问题。飞行员为了保卫祖国的蓝天不惜牺牲最为宝贵的生命,不能让他们的鲜血白白流淌在存在事故隐患上的飞机上!

  希望研制单位能够认真分析飞机设计中存在的问题,让我国飞行员信任自己的武器装备。

 

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