跨音速条件下非指令性横侧运动的历史回顾

文章论述了特定的军用飞机项目中跨音速条件下出现的非指令性横侧运动的研究结果。为NASA／海军／空军共同参与的急剧机翼失速项目研制计划提供了有用的定性资料和定量资料。由于在F／A-18E／F飞机计划研制过程中，其预生产型飞机在跨音速条件下出现了意外的、剧烈的机翼下倾运动，所以开展了急剧机翼失速程序的研究。这些非指令性横侧运动降低了飞机主要任务技术要求。虽然后来F／A-18E／F批生产型的上述问题得到了解决，但是，一个专门的高级考察小组强调，对上述现象还缺乏清醒的认识，并建议：“启动国家研究计划，以彻底、系统地研究机翼下倾现象。”由NASA／海军／空军广泛合作的急剧机翼失速项目的目的是提供所需要的技术要求。研究工作是对过去飞机研制计划中高亚音速和跨音速条件下出现的机翼下倾的历史回顾。需要特别留意的资料包括：出现非指令性运动和运动特性的特种飞机构型；飞机的几何特征；出现问题时的飞行状态；有关数据，包括风洞试验数据、计算数据和飞行试验数据；用于分析的品质因数；以及用于避免出现上述问题的方法。总结了过去经验教训，并提出了以后的研制计划。     

F／A-18E和F-16C急剧机翼失速特性的计算研究

运用静态计算流体力学（CFD）模拟，了解急剧机翼失速（AWS）现象的物理过程，确定静态品质因数（figures of merit），利用NASA兰利研究中心研制的TetrUSS模拟装置得到的纳维-斯托克斯算法是以四面非结构网格为基础的。通过在两种飞机上比较CFD模拟结果了解急剧机翼失速现象的物理过程。预生产型F／A-18E飞机构型在某些几何形状和气流状态下会出现急剧机翼失速，而F-16C飞机构型不存在这种现象。通过比较不同气流状态下两种飞机构型之间的详细流场，运用计算结果认识引起急剧机翼失速的原因。以这些方法为基础，开发了许多用来预测急剧机翼失速的静态品质因数。潜在品质因数包括升力的突然下降、翼根弯矩对迎角α的变化以及翼型升力随α的变化率。     

急剧机翼失速项目的成就

急剧机翼失速（AWS）项目解决了飞机跨音速阶段的非指令性横向运动问题，比如机翼下沉和机翼摇摆。这一项目的起源是，在19世纪90年代后期，F／A-18E预生产型飞机在机动包线的中心位置出现了机翼下沉。通过前缘襟翼运动程序的修改和在机翼折叠处增加带孔整流板，解决了F／A-18E／F飞机的问题。尽管如此，启动了AWS项目，作为对F／A-18E／F研制时技术准备不充分的亡羊补牢之举。AWS项目的目的是，找出F／A-18E／F飞机存在问题的根源、获得对引起机翼下沉的气流机理的深刻认识、找到相应的方法和分析工具，使得将来的项目在试飞之前就可以发现此类问题。文章回顾了AWS项目的目标、技术水平现状、获得的成就以及研究结果的影响等。总结了经验和教训，以利于以后的项目，在试飞之前就可以预测到飞机的横向运动。     

急剧机翼失速计划介绍

急剧机翼失速（AWS）计划已经用实验、计算和仿真工具研究了无指令跨声速的横向运动问题，比如自动倾斜问题。同时给出了制定AWS计划的背景以及计划的目标。为了了解导致预生产型F／A-18E不希望的运动的基本流动机制，从专用跨音速风洞试验和计算研究中搜集了定常和非定常流场详细数据。AWS计划也已经为跨音速流状态修改了自由滚转（FTR）风洞试验技术，该技术传统上用于低速横向动态稳定性的研究。这个FTR的能力首先在概念证明研究中被验证，然后应用于四个不同飞机结构的评定。对于两种已经被证实在全尺寸飞行状态（预生产型F／A-18E和AV-8B在极端飞行包线下）时容易发生自动倾斜的结构和两种没有表现出自动倾斜的结构（F／A-18C和F-16C）评估了静态试验和FTR试验的品质因素图形。已经从那四个飞机结构的气动力计算研究和F／A-18C与F／A-18E机翼之间的种种外形的影响计算量化中获得了正确的设计思想。最后，AWS计划在飞行之前对在模拟器中评定实验发现的横向动作对飞行性能的影响提供指导。     

F／A-18E模型机翼急剧失速的跨音速实验观察

为了研究失速期间翼面上的流动原理，一个8％的F／A-18E模型在NASA兰利中心16英尺跨音速风洞中进行了跨音速风洞试验。使用的技术方法集中在力、力矩、压力以及压力敏感测量相关的静态（或时间平均）和不稳定风洞数据与不稳定风洞失速事件上。文章集中在F／A-18E飞机的试制批构型在M数0．90时获得的数据上。通过天平随时间的变化过程和压力测量以及通过对大量仪表信号的均方根（rms）计算，获得了机翼在失速过程中发生在机翼上的动态不稳定性。其次是概括了整个有关影响机翼失速过程的压力透视。通过分离迅速前移触发的不稳定事件观察8％F／A-18E模型感受的机翼急剧失速，在一个非常小的攻角增量范围内就能迅速地使分离从后缘前移到前缘襟翼铰链线。发生分离的攻角因试验而不同，攻角增量大于1。。使用压力敏感涂料观察了同时发生在两个翼段或不对称翼段上的机翼急剧失速。在深入了解发生在机翼上表面的流动结构和这些结构可能的不对称时，压力敏感涂料数据和机翼根部弯矩数据是必不可少的。8项静态数据试验进行的重复性分析为机翼急剧失速不稳定气动特性提供了一种快速、价廉的检验。重复性分析结果与用不稳定测量技术捕获的数据非常符合，该方法必将用于确定用专用仪表测量的、更复杂的不稳定数据的试验环境。     

F／A-18E／F机翼突然失速问题能调查经过和解决方案

在F／A-18E／F的试飞中暴露出来的“掉翼尖”（机翼突然失速）问题，一度使得F／A-18E／F项目发展陷于停顿。为此，美国军方协调多方研究力量对F／A-18E／F的机翼突然失速问题进行了详细的调查，并最终在实际试飞过程中找出了最佳解决方案。     

评估先进飞机跨音速急剧机翼失速的综合方法

跨音速条件下的急剧机翼失速会引起非控制的滚转运动，往往会降低飞行品质、影响任务性能、降低飞行安全。最近，美国政府的一项研究项目——急剧机翼失速项目——推动了通过计算流体力学、试验空气动力学和飞行力学来探测急剧机翼失速的技术水平。因此，重要的是，将这些工具合并成一个综合的方法，不但可以识别急剧机翼失速，更可以评估急剧机翼失速引起的飞行特性，降低飞机项目的风险。评估跨音速机翼急剧失速对飞行品质的影响的主要方法是建立飞机的数学模型，精确表现飞机对急剧失速的动态响应。降低项目风险的主要方法是在采购计划中包括自由滚转风洞试验。就跨音速急剧机翼失速的评估，向飞机设计人员和项目管理人员提出了一些建议。     

横向不稳定性的试飞评估

在研发F／A-18E／F“超级大黄蜂”的一次飞行试验过程中，当进行跨音速机动时飞机遇到了非指令滚转运动。被称为“翼下冲”的急剧大幅度横向不稳定现象削弱了飞行员在此飞行条件下有效执行空一空跟踪任务的能力。对前缘襟翼的一系列修改和在机翼折叠区域增加透气量解决了该问题。然而，由于缺乏与计算流体力学、风洞和试飞分析有关的确认品质因数，获得该答案是缓慢的。目前已经开发了一种利用试飞数据评估横向不稳定性的方法。横向不稳定性评估包括定性和定量两个方面的评价。飞行员进行定性评价，而定量评价是基于对滚转速度、滚转加速度、横向驾驶杆位置和倾斜角的分析。这项技术提供一种根据飞行试验可靠评估横向不稳定性程度的途径。在飞行员定性评价和定量的试飞数据评估之间取得了极好的相关性。     

用计算流体力学解读急剧机翼失速

文章描述了在为期4年的急剧机翼失速（AWS）国家研究计划中用计算流体动力学所做的工作及获得的经验；详细论述了在跨音速机动状态现代美国战斗机和强击机遭遇到的跨音速流的复杂特性，内容包括针对这种高度复杂、有激波诱导的大分离粘性流动的网格处理、计算存储器和处理器要求、湍流模型、定常和非定常计算以及高度复杂的雷诺平均NS方程解与脱体涡模拟方法的比较。对F／A-18C飞机、AV-8B飞机、预生产F／A-18E飞机和F-16C飞机的跨音速机动状态进行了CFD模拟。模拟了各种襟翼位置，并将计算结果与大规模的风洞数据进行了比较；将结构与非结构网格获得的结果进行了对比；通过对模型在风洞中获得的表面油流和压敏涂层（psp）试验结果的定性比较以及有试验结果的详细定量压力系数数据来评估不同CFD方程式的适用性和计算精度。对比了这些计算软件和在这次研究中涉及的每种飞机的试验数据之间的静升力系数。     

自由滚转跨音速试验能力的发展状况

作为NASA／海军急剧机翼失速项目的一部分，开发了一套相对廉价的、迅速使用的自由滚转试验装置。在这套装置上，可使用传统的高强度风洞实验模型进入风洞中一次就可以评估跨音速性能和机翼下垂／摇摆行为。总体目标是验证自由滚转试验技术的两个作用，即在地面试验期间鉴定重大的无指令横向行为的区域的作用，以及在跨音速状态洞察军用飞机机翼下垂／摇摆行为的作用。描述了试验硬设备和实验程序。已经成功地使用自由滚转试验装置评估了4种不同构型的静态和动态特性，两种在空中表现出无指令横向运动（预生产型F／A-18E和AV-8B），而另两种没有（F／A-18C，G-16C）。对于这些构型所获得的可用数据，自由滚转实验结果和实际飞行情况非常的一致。     

美国对F-35C跨声速非定常气动特性的研究

有些翼展较大并采用薄翼型的现代战斗机，在跨声速机动飞行时有可能会发生一侧机翼突然失速（AWS）的非定常气动现象，即所谓“掉翼尖”，严重影响飞行安全。F／A-18E／F就曾一度受困于这一问题。目前，技术人员担心采用了更大机翼的F-35C可能会面临同样的问题。由于现有的计算机流体动力学（CFD）和风洞试验技术手段很难精确模拟和预测“掉翼尖”现象，还需要通过实际的飞行试验进行验证。     

军用航空

波音公司和美国海军正在试验用于解决F/A-18E/F试飞中遇到的机翼下垂问题的三种途径.现在美海军深信,耗巨资重新设计机翼将不再需要.F/A-18E/F在高亚音速机动飞行过程中,机翼下垂达30度,造成驾驶员在空对空机炮作战过程中难以跟踪目标.流过机翼折叠处铰链整流罩的气流被认为是引起机翼不对称失速从而导致机翼下垂的罪魁祸首.     

F-35解决跨声速机翼突然失速问题

美国国防部曾协调动员各方研究力量和资源组成“国家队”来研究F／A-18E／F的跨声速机翼突然失速（AWS）问题，研究了一整套预测、模拟和解决战斗机跨声速AWS问题的重要方法和工具，这项研究成果，对预测和解决F-35的跨声速AWS问题发挥了重要作用。     

F/A- 18E/F机翼突然失速研究

美国空军发起的机翼突然失速(AWS)研究项目,动用了CFD计算、风洞试验、地面模拟和飞行试验多种手段,对战斗机在跨声速飞行时遇到的非指令横向运动进行了系统的研究,希望在以后的新飞机研制中,能在飞行试验之前就能预测出这类跨声速非定常特性.     

跨声速自由滚转试验技术研究

采用中等展弦比、薄翼型、边条、锯齿、折叠翼等设计的先进作战飞机在跨声速易出现机翼突然失速现象，从而引起非指令性横滚运动。为研究该问题，在 FL-3风洞中研制了一套跨声速自由滚转试验装置，设计某验证性模型，选取马赫数范围0.8~0.95的典型飞行状态进行了静态测力和自由滚转验证性试验。试验结果预测了某模型不同构型的机翼突然失速敏感范围，并评估了非指令性横滚运动的严重程度，从而验证了试验机构的可靠性，建立了评估方法，实现了跨声速自由滚转试验技术。     

F/A-18E/F机翼突然失速问题的调查经过和解决方案

在F/A—18E/F的试飞中暴露出来的"掉翼尖"(机翼突然失速)问题,一度使得F/A—18E/F项目发展陷于停顿。为此,美国军方协调多方研究力量对F/A—18E/F的机翼突然失速问题进行了详细的调查,并最终在实际试飞过程中找出了最佳解决方案。     

海湾上空“杀人蜂”

F／A-18E／F“超级大黄蜂”是美国海军最新型战斗机，其中F／A-18E为单座型，F／A-18F为双座型。这种飞机可以执行侦察、对地攻击、空战等多种任务。2002年才开始部署在航母上，今年年初又随美军航母进驻海湾地区，为可能爆发的战争做准备。在美伊战争中，“超级大黄蜂”不仅首次执行了攻击任务，还在后来每天的战斗中，成为美军对伊拉克进行空中打击的必然选择。     

联合通用导弹完成F/A-18装机验证试验

洛克希德冯丁公司和 EDO 公司在加州中国湖的美国海军航空武器站,同美国海军的 F/A-18先进武器实验室专业人员一道,再次成功进行了“联合通用导弹”(JCM)与“通用双轨发射架”(JDRL)在F/A-18E/F 和 F/A-18C/D 战斗机上的装机综合验证试验。这次验证试验采用了两种挂弹方式:首先将两个通用双轨发射架分别直接挂到两侧机翼的挂点之下,每一个通用双轨发射架各挂2枚联合通用导弹,两侧机翼下总共挂4枚联合通用导弹。在完成了这种挂弹方式的综合试验之后,在两侧机翼挂点下的 BRU-55挂弹架上,各挂两个通用双轨发射架,每一个通用双轨发射架各挂2枚联合通用导弹,两侧机翼总共可挂8枚联合通用导弹。装机综合验证试验时,进行了通电、自检测、准备发射的初始化和发射程序试验,验证表明该导弹能够同F/A-18E/F 和 F/A-18C/D 战斗机平台综合,显著增强飞机执行作战任务的能力。先在武器实验室、后在实际固定翼飞机上完     

F／A-18E／F飞机的红外搜索与跟踪（IRST）系统完成试飞

美国《波音公司网站》2009年3月11日报道：波音公司F／A-18E／F“超级大黄蜂”红外搜索与跟踪（IRST）项目已成功完成了一系列风险降低试飞,验证了该IRST系统在F／A-18E／F飞机上的兼容性和效能。IRST是一个无源的、远距离传感器系统,它能够搜索并探测在其视场内的红外辐射。     

基于CFD／CSD的大展弦比机翼气动弹性分析

大展弦比飞机在飞行过程中受气动载荷影响,其大展弦比机翼产生弯曲和扭转变形,这种弹性变形严重影响飞机的飞行性能和飞行安全,不能将此种飞机机翼当作传统的刚性机翼进行气动分析。针对一大展弦比机翼,采用气动／结构耦合分析方法,利用计算流体动力学（CFD）软件CFX和计算结构动力学（CSD）软件ANSYS联合求解,研究了在不同载荷情况下大展弦比机翼静气动弹性变形对机翼气动特性的影响。结果表明,大展弦比无人机机翼受载变形后升阻比降低,升力下降明显,阻力略有上升,机翼翼尖容易失速。