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来自座舱的五代机报告:洛马公司首席试飞员访谈

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来自座舱的五代机报告

洛-马公司首席试飞员乔·比斯利访谈

2006年12月15日,首架F-35“闪电-II”(F-35A空军CTOL型,编号AA-1)在德克萨斯州洛克希德-马丁公司的沃兹堡工厂首飞成功,完成这次首飞的是F-35首席试飞员乔·比斯利(Jon Beesley)。在随后的几个月中,比斯利与他的AA-1号将继续拓展飞行包线,并评估F-35复杂的子系统性能,为随后陆续下线的各型F-35打下基础。

美国《Code One》杂志责任编辑艾里克·赫斯于近期对比斯利进行了独家专访,比斯利在这次访谈中与读者分享了其试飞F-22与F-35的切身感受,批漏了许多过去难得见到的内容,并对后续F-35战斗机的试飞工作提出了自己的看法。

“难以想象”的首飞

赫斯:当你第一次飞F-35时,给你留下最深刻印象的是什么?

比斯利:F-135发动机的巨大推力。首次试飞的任务剖面要求F-35尽快爬升到15000英尺(4572米),起落架始终处于放下状态(防止首飞时起落架收放机构出现故障)。由于额外阻力限制了F-35飞行速度的发挥,因此在爬升过程中我将飞行速度保持在225节(417公里/时)。在爬升过程中我并没有调节发动机油门来控制速度,而是采用改变飞行姿态的方式,换句话说,我不得不抬起机头来减慢速度。在我起飞之后就开始不断的拉杆,以增加迎角,并控制不要超过原定225节的速度限制。于是我进入了相当大的仰角,大概达到25度。当时在地面观看的人群见证了这一幕:F-35在首飞中就拉出如此大的迎角,这证明了F-135发动机强大的推力,我在座舱里亲身体验到了这一点。强劲的动力令我吃惊,我当时甚至叫出声来:“哇!太难以想象了!我可怎么掌控F-135全部的推力呀?”

赫斯:那次飞行之后你觉得F-35战斗机到底怎么样?

比斯利:总体上,让我印象深刻的就是整个首飞过程是如此顺利。我启动了飞机,进行完所有地面检查,滑向跑道起点起飞。测试人员告诉我,这次我滑向跑道起点的速度要比之前F-35做地面滑跑试验时快得多。我和这架F-35都已经准备好冲上蓝天了。

在第一架F-22原型机首飞的时候,技术人员为F-22设定好了的副翼角度,结果当F-22的飞行速度超过200节时产生了结构颤振。这种有害的振动源于飞控软件的改变,保罗·迈茨(F-22首席试飞员)和我是仅有的两名经历过那种状态的飞行员。原本我以为在F-35的首飞过程中我也会经历类似的颤振,但实际上什么也没有发生。

显然,洛克希德-马丁公司的工程师们从F-22研发过程中总结了很多经验,我们的工程师是值得信赖的。实际上,参与F-35试飞项目的许多工程师都经历过F-22试飞项目的磨练,都已是驾轻就熟的老手。他们包括:负责电气系统的凯文·迈克泰格;负责飞控系统的约翰·迈格哈特;负责液压系统的保罗·索恩斯;来自于普拉特-惠特尼公司的罗依·斯库博,他负责F-135发动机的试飞工作。有着类似经历的人在我们的试飞团队中还有很多,他们已经在F-35总体设计和系统集成工作上忙碌了多年。还有一些杰出的专业人员也做出了贡献,其中就包括首次试飞的现场总指挥贝思·奥朗林。总之,我们拥有一个了不起的团队!

13次试飞,F-35表现出色

赫斯:你觉得随后的飞行任务变化如何?

比斯利:我一直对F-35的性能印象深刻。在试飞过程中伴飞的F-16战斗机所装载的燃料和载荷往往比不上F-35,但是在对比试飞中,F-35还是把轻载的F-16甩在了后面。例如,仅仅使用正常军用推力的F-35也经常迫使追击的F-16不得不打开加力。

F-35的操纵性能在整个飞行包线范围内都表现优秀。当我收起起落架后,飞机的操纵品质更是顺畅无比。起落架收放是依次进行的,前起落架先收,随后主起落架收起;而放起落架时则是相反的顺序。这样的方式在战斗机中是独一无二的。当收起落架时飞行速度总是比我预计的要快很多。大部分时间里我只使用可用推力的30-40%就足够了。这架飞机能够在不开加力的情况下轻易达到高亚音速。

赫斯:请描述一下F-35的试飞进展。

比斯利:在第一次起飞时,我们检测到了F-35大气数据传感器发出的一个错误警告信息,这说明大气数据系统在低空发生了一个飞行迎角测量误差错误,不过这没有对飞机的性能造成影响(洛-马后来查明了故障原因,AA-1号装配的是单开式前起落架舱门,由于舱门尺寸较大在起降阶段打开的舱门对周围流场产生了不良影响,使得飞机左右两侧的大气数据传感器探针迎角读数存在1-2度偏差——译者注)。由于在首飞中大气数据传感器位于机头两侧的气流探针探测到的不同数据的容错性被设定的非常严格,因此两侧的传感器探测到的迎角数据一旦出现偏差就报警也是很正常的事(虽然该容错问题通过其他补偿措施得到了解决,但是洛-马表示对于量产型的F-35,前起落架舱门将改为尺寸较小的双开式——译者注)。两侧的大气数据传感器探针是互为冗余的,因此我们关掉了右侧的传感器,仅依靠左边的(传感器)飞行。虽然这个警告信息使得F-35首飞时间有所缩短,但是我们依然设法完成了一些预定的机动测试内容,例如瞬态改变发动机油门、半杆、踏板输入。在这些机动中F-35表现出了优良的操纵品质,反应出奇的顺畅,滚转率超出了我的想象。

首飞成功证明了各种子系统性能优良,综合电力系统、电气系统、多功能电动静液作动器、飞控系统等在整个飞行过程中没有出现任何问题。它们良好的表现就是对试飞团队辛勤工作的最好认可。在那个大气数据传感器探针出错以后,我们更换了它。在今年(2007年)1月4号,利用AA-1号试飞的间隙,我们进行了时速为110节(204公里/时)的额外地面滑跑试验,用以校准新的传感器。在1月份随后的试飞中我们又收集到了更多的试验数据。

在第二次试飞中,我们对起落架收放进行了测试,并首次在起落架收起状态下进行了编队飞行(伴随者是一架F-16);在第三次试飞中,我们进行了军用推力起飞测试;在第四次试飞中,我们第一次考核了F-35的低空机动性;第六次试飞中,我们进行了燃料加注试验,这项在试飞早期进行的试验是为了收集真实的数据,以便技术人员为舰载型F-35C的燃料加注机械设计做出正确的决策,另外我们还测试了F-35的可控大迎角机动性能;第七次试飞评估了F-35的减速操作,F-35与F-22一样,没有专门的减速系统(减速板,即气动刹车)。比如F-22是通过飞控软件控制气动操纵面(襟、副翼)的偏转来完成(减速)的,而对于F-35A而言,我们用偏转其前/后缘机动襟翼和方向舵的方式来减速,和F-22不同的是F-35A/B型飞机并没有副翼,我发现F-35在减速时的震动非常之弱,与F-16在减速时的震动水平差不多,其减速速率也和F-16一样,试飞结果表明F-35的减速性能达到了设计要求;第八次试飞中我们试验了新的大气数据系统软件,这是为了解决第一次试飞暴露的问题,新软件让我可以驾驶F-35进行全侧杆横滚机动,在这些横滚机动中F-35的操纵品质表现出色,飞机的滚转速率也达到了预期水平,但是由于伴飞的F-16出现了机械故障,这次试飞的时间不得不被迫缩短;在第九次试飞中,F-35第一次打开发动机加力起飞,我们还进行了最长时间的试飞,F-35起飞时携带了3500磅(1.58吨)燃料(并非满油),降落时机体内仅剩余400磅(0.18吨),实际上我们用去的F-35内燃油携带量比F-16的最大内燃油携带量还要多,然而F-35依然在没有空中加油的情况下飞行了一个半小时(F-135的耗油率低也是重要原因——译者注),我们还进行了密集编队、推力转换试飞,并在20000英尺(6000米)高空进行了16度迎角试飞;在第十次试飞中,我第一次戴上了国际视景公司研制的头盔显示器,试飞科目包括:全侧杆360度滚转、瞬时加力、密集编队飞行,我们还首次在15节横风条件下着陆;第十一次试飞涉及一些低空机动测试和减速操作测试;第十二次试飞时,我的副手,第二位驾驶F-35的试飞员杰夫·罗尔斯进行了他的第一次飞行;在第十三次试飞中,我将飞机飞到了30000英尺(9144米)高空,并试验了F-35的触地复飞科目,并在17度攻角下测试了F-35的机动性,并进行了打开和关闭飞机空中加油接口舱门的操作。

随着F-35飞行包线的拓展,我们测试了F-35用最大加力使飞机从起飞开始爬升到30000英尺高空(9144米)所用的时间。我们还使飞机的最大飞行速度达到了345节,过载达到了3.5G,飞机的最大飞行迎角达到了16度,在放下起落架的状态下,迎角达到了17度。我们为AA-1号的试飞准备了三台发动机,目前我们只用了其中一台。我们打算尽最大可能来用尽它的寿命。F-35的操纵性能和更重的F-22非常相似,但是其尺寸却仅相当于F-16。总之,F-35是一种坚固且灵敏的飞机。

综合航电系统的超越

赫斯:请您把F-35的试飞项目和您以前参与过的其他型号飞机的试飞做个对比?

比斯利:F-35的飞行包线拓展与过去的飞机似乎没有什么太大差别,这让人感觉F-35仍然是在用传统方法试飞。其实不然,未来战机的试飞重点已经不是拓展飞行包线,而是测试机载设备性能,传统的比较忽视了F-35与老式战斗机之间在作战能力上的巨大鸿沟。

我们的客户对于F-35性能需求十分苛刻,要求具有更多的作战功能,洛-马在F-16基本型号上就加装了光电红外传感器、瞄准吊舱、夜视系统、联合头盔瞄准系统和有源相控阵雷达等,完成所有这些升级前后共花了20-30年时间。当然,在这些年的发展中,空军和洛-马公司分别对传感器系统的功能做了充分验证,现在更为先进的传感器(例如光电跟踪系统、光电分布式孔径系统、APG-81有源相控阵雷达等——译者注)将被整合到F-35上。我认为F-35的试飞和其他老式战斗机最大区别在于:由于F-35的试飞要测试更多的综合航电系统,因此试飞时间更长、成本更高。

赫斯:您上面提到的这些系统和功能哪些是F-35战斗机所独有的?

比斯利:F-35有很多独特的综合航电设备,例如头盔显示系统和综合电力系统就是两个很好的例子。我在F-35的第十次试飞中首次使用了头盔显示系统,这次试飞非常成功。新的头盔系统远远好于F-16上使用的单纯用于瞄准的联合头盔瞄准系统,它不仅支持离轴瞄准和发射导弹,还可以当作平视显示器使用。这个系统非常棒!它能显示所有的平显信息,包括飞行速度、高度、航向和航路等,并让飞行员很快忘记这些飞行数据原来是显示在平显上的。我们没有在F-35上安装平显,而且也没有打算在任何一架F-35上安装,传统的平显对于F-35来说是多余的。这么早就佩戴头盔系统试飞的确需要很大的勇气。这标志着我们对它的研究已经非常成熟,并且进入到了实用阶段。第一次使用的效果好的出乎意料,它是技术的一大飞跃!

综合电力系统是第二个例子。它是一个复杂的涡轮电力设备,在发动机的启动阶段,它可起到辅助动力系统的作用;当发动机开始运转之后,它又可作为环境控制系统工作。如果有必要,它还能在紧急模式转换状态下作为应急动力系统使用。因此,它至少替代了传统战斗机上的三个关键子系统。

为未来做准备

赫斯:第一架F-35已经体现了工程人员在减重方面所做出的巨大努力,为什么试飞团队要对一架不能代表量产型号的F-35原型机进行如此多的试验?

比斯利:在AA-1号的制造过程中,F-35的气动外形已经基本确定下来了,系统验证和研制阶段的F-35试飞机和将来量产型最大的区别在于内部结构,收集具有成熟气动外形的F-35原型机的试验数据让我们有机会评估F-35实机的真实性能,而不是仅仅凭模拟器或模型来预测。另外,在AA-1号上测试和集成我前面提到的那些新航电系统,让我们有一年多的时间来解决它们在试飞中所暴露的问题,以便这些先进的新系统能够顺利地整合到量产型号上去。除了我前面提到的,这些新系统还包括:燃油系统、多功能电动静液作动器、先进座舱系统、内置武器舱和舱门系统、冷空气引气系统等。

让我们举个座舱的例子,AA-1号的座舱和即将走下生产线的F-35B(第二架F-35)的座舱是基本一样的,只有一个开关的标识不同,在F-35B的座舱里,该开关的标识是“转换”(用于F-35B从平飞状态变为垂直降落状态的转换和衔接——译者注),而在F-35A的座舱里该开关的标识是“着陆钩”(用于F-35A尾部的着陆钩收放——译者注);另外,在F-35B平板显示器的发动机显示界面上有一个显示短距起飞/垂直降落(STOVL)模式的画面。在综合航电系统方面,F-35的三种型号是相通的。超强的通用性降低了整个JSF项目的研发成本,也简化了飞行员的训练程序。

对AA-1号上的多功能电动静液作动器进行试验是降低技术风险的另一个亮点。F-35是第一种采用多电技术的战斗机(它采用电动飞行控制作动器,即所谓“动力电传系统”,其技术创新包括270伏的大功率电气系统和结构紧凑的多功能电动静液作动器。优点是可取消飞机上一些复杂、笨重、维修量大而易损的液压控制系统,使飞机具有更高的机动性,并更有效地利用飞机上的动力——译者注)。在JSF概念研究阶段,我们就采用六架F-16A FTI进行了该多电系统的概念验证。我们已经在多个飞行架次中验证了其有效性,一旦系统在AA-1号上经过了充分验证,那么我们就不用在量产型号的F-35上重复试验了。

赫斯:即将生产的F-35是什么样子的?随后这些飞机将进行哪些试飞科目?

比斯利:目前F-35试飞机的生产计划是这样的:在系统验证和研制阶段,我们共计划制造15架原型机(即6架F-35A,5架F-35B和4架F-35C)。随后即将生产的是4架F-35B(海军陆战队STOVL型),紧接着要生产的是3架F-35A(空军CTOL型)和首批3架F-35C(海军CV舰载型),而1架F-35B、1架F-35C的生产将紧随其后,最后生产的两架F-35试飞机是F-35A。

接下来将要生产的AF-1和AF-2号F-35A将主要用于飞行性能测试,包括气动性能、飞行控制和飞行包线拓展。AF-3/4/5号F-35A将用于综合航电系统的试验。我们将安排3架F-35B用于飞行性能试飞,2架F-35B用于综合航电系统测试。BF-1号F-35B将用于短距起飞和垂直降落科目的试飞,而BF-1/2号F-35B则用于拓展飞行包线。我们也将安排4架F-35C用于试飞,头两架(CF-1/2)用于飞行性能试飞,第三架(CF-3)用于航母适应性试验。第四架用于综合航电系统试验。

在F-22的工程制造和研制阶段,洛-马公司共制造了9架F-22试飞机(4001-4009),其中6架用于综合航电系统试验;F-35项目至少会投入7架试飞机用于同样的试验,而F-35试飞机数量却比F-22要多很多(15比9),原因是F-35A/B/C三种型号的综合航电系统基本上都是通用的。在F-35试飞项目中,我们还将投入7架试飞机用于飞行性能测试,而F-22就只有1架试飞机专门用于飞行性能试飞。原因同样是F-35有A/B/C三种改型,并拥有众多的外挂类型组合和不同飞行任务剖面。由于F-16、F/A-18、A-10以及“鹞”式战斗机使用的大多数武器F-35都能使用,因此,F-35的6个外挂点以及内部弹舱的4个挂点挂载武器的模式非常多,对这些挂载形式逐一试验无疑需要动用大量的F-35试飞机,并进行更多的试飞架次才能完成。

挑战与风险

赫斯:您认为F-35试飞项目中的最大挑战是什么?

比斯利:在AA-1上面,我们最大的挑战是要有足够的勇气去飞出我们从未了解过的极限性能。我们也有真正的机会去了解在高速状态下先进的机载电子系统能带来什么。经过AA-1号的试飞之后,其宝贵的经验可以应用到随后的试飞科目之上,进一步确保安全性;我们最重要的目的就是排除F-35的技术风险,使得设计上的缺陷在进入量产阶段之前全部解决;此外,让15架试飞机同时在三个试飞场进行试验也是一大挑战;测试短距起飞垂直降落型的飞机对于试飞员来说从来都存在很高的风险,在试验F-35B时我们将接受考验。不过,我们不必花太多的时间去练习垂直起降科目,因为F-35B有完善地自动垂直起降软件,自动化、模式化的操作可以使试飞员节省不少时间,我们不再需要花大量时间练习整个飞行任务的头五分钟(短距起飞或垂直起飞转换为平飞)和最后五分钟(平飞到垂直降落),而可以将更多的精力投入到其他试飞科目中。

综合航电系统的试验也将是一个巨大的挑战(由于计算机技术的突飞猛进,现代军机航电系统试验所占的比例越来越大,F-22航电系统的试飞时间占到了总试飞时间的一半以上,而F-35的航电系统比F-22还要复杂——译者注)。由波音-737改装的F-35联合航电试验平台承载着F-35众多的传感器系统和辅助航电系统。另外,携带武器的数量和配置试验也不轻松,如果飞机不能携带武器,飞机就没有价值,而我们将要试验的武器种类和数量都十分巨大。F-35还要和F/A-18E/F一样能进行过失速机动,所以我们还有许多路要走。

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