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第16章 奠实基础重试验(1)

战斗机的研制工作是国防工业的系统工程,搞一项重点工程需要全国众多单位大力协同、共同工作,只靠哪个人或哪个单位是搞不出来的。搞重点工程更离不开基础研究和科学试验。搞飞机工程是最复杂的系统工程。离不开飞机空气动力学研究和风洞试验,李天院士就是把他全部的精力都投入到飞机气动研究和风洞试验工作中,真是“痴迷勤耕作、梦寐苦越攀”。为解决飞机研制中出现的技术难题和把先进技术用到新机的方案中去做出了卓越的贡献。

基础研究苦越攀,

风洞试验不厌烦。

学术交流长补短,

国际合作闯难关。

基础研究

李天一直保持着勤奋好学的优良作风,只有勤奋才能积累知识、增长才干;只有勤奋才能不畏艰险、创造奇迹;只有勤奋才有科学活动的生命力。“旧书不厌百回读,熟读深思子自知”。他深深地懂得“不积细流,无以成江海”,他更知道“业精于勤荒于嬉”,“有志者事竟成”。他一直坚持理论联系实际,结合设计工作实际来研究基础理论,一定要在本学科有所创新、有所突破。

空气动力学是航空技术理论中最重要、最基础的理论之一,空气动力的基本原理是空气流过静止物体时会产生力,反之,当物体在静止的空气中运动时也会产生力,只要空气与物体有相对运动,空气在物体上就会产生力,这个力叫空气动力。空气动力除了物体和空气要有相对运动外,空气还必须有一定的密度和质量。空气动力和物体运动的速度密切相关,低速和高速有很大的不同。气流和物体之间的相对运动以及产生的空气动力,都必须遵循相对运动原理、连续性原理和伯努利定理及可压缩性原理。空气动力学是在流体力学基础上发展起来的一门学科,他是研究气体的运动规律以及他们与物体相对运动时相互作用的科学,特别是研究飞机在大气中飞行的原理。空气动力学作为一门独立的科学,诞生于19世纪末。20世纪初科学家推演出二维机翼的升力公式,使空气动力学更具有实践指导意义。1901年美国莱特兄弟建立了一座小型风洞,用天平测出升力、阻力和压力中心等数据。正是这座风洞帮助莱特兄弟实现了人类第一次有动力的飞行。后来,空气动力学又分为理论空气动力学、试验空气动力学和计算空气动力学等。李天院士毕业于清华大学工程力学数学系流体力学专业,到飞机设计研究所从事飞机总体气动设计工作,虽然他的基础好,但要想进一步做好飞机总体设计工作,还要必须加强基础理论的学习和研究。新技术不断涌现,科学技术不断发展,只有奠实基础理论、不断求索,才能跟上时代的步伐,才能有所发现、有所创新。

基础研究是以探索未知,揭示客观规律和培养高素质创新型人才为使命,基础研究的成果具有超前性,其深刻的内在价值,往往当时并不被认识,但基础研究的每一个重大突破都对提高人们认识世界和改造世界的能力,对日后高科技产业或工程项目产生深刻的影响。

通过参加摸透歼7、设计歼8的工程设计工作,李天感到,要在技术上有创新,在飞机气动布局设计中有新的突破,必须加强基础研究,尽管601所主要承担飞机设计工作,但要做好工程设计,空气动力的基础研究也不能放松。

飞机气动布局设计离不开气动特性的计算,20世纪70年代初,国内计算流体力学(ComputationalFluidDynamics,CFD)还刚刚起步。而飞机气动特性计算仅仅靠“列别提夫法”是远远不能满足要求的,在顾总及“7210”办公室的支持下,从1973年下半年开始,李天积极参加了《航空气动力手册》纵航向部分的编写工作,以引进的“datecom”方法为基础,编出适于中国设计飞机用的气动力计算手册。手册由秦丕钊(与航天孙家栋院士同期留苏,1963年前曾任601所气动室副主任,后调到中国航空研究院任气动强度处处长)任主编,集中了北航(赵世诚教授和冯亚太老师)、西工大(乔志德老师)、29基地(杨其德等)、603所(赵学训)、601所(李天)搞气动计算的专家,分章编写。李天负责全机纵航向气动特性及平尾下洗特性的编写,是飞机各部件气动特性的综合计算。要求给出完整的计算方法,并提供算例进行验证。由于当时所里型号任务比较繁重,编手册属于计划外任务,李天只能利用晚上和周日时间进行翻译文献,分析各种参考资料,并进行大量计算工作。虽然编手册有一定的难度,还要花费大量休息时间,但他感到这是空气动力计算的一项基础研究和基本建设工作,这不仅可为飞机的气动力计算提供快速可靠的方法,也可使新来参加工作的气动专业大学生较快地胜任设计工作,同时也是对李天过去在导数计算方面工作的拓展及深化,因此他以极大的热情和积极性投入到该项工作中,比较出色地完成了所承担的任务,接着又参加了横航向气动力手册的编写。该手册属于国内首创,被评为国家科技进步二等奖。

1974年底与北航合作完成了边条翼布局的机理研究,但由于经费有限,风洞尺寸小,研究得还不够深入,李天注意到第三代战斗机都采用了边条或近耦合鸭式布局,采用了涡控制技术,这是先进布局方向,应该进一步地开展涡控制技术的基础研究。他于1980年初向三机部科技局申请开展《涡控制技术的基础研究》项目,科技局同意在“六五”预研规划中立项,从1981—1985年以《边条翼布局研究》为题下达给601所,所里让李天牵头开展研究,他编写了课题任务书及研究计划,提出通过对边条翼及近距耦合鸭式布局的流动机理及气动特性研究,掌握两种布局的特点,摸清边条及前翼对气动特性的影响规律,为气动布局设计提供有价值的参考资料。这也是601所开展的第一个正式预研课题。

前面已提到,边条翼布局是边条产生的脱体涡控制基本翼的分离流动(基本翼后掠角小于45度,不能产生脱体涡),称为混合流型,而近耦合鸭式布局也称为短间距前翼加机翼布局,即在基本翼(也称主翼)前加前翼,两者前缘后掠角都在50度以上,大迎角时可产生脱体涡,由于前翼与机翼间距短,两个脱体涡可产生相互有利的耦合干扰,产生较大的涡升力,所以称为脱体涡流型。其缺点是无平尾,要保证大迎角的俯仰控制难度较大。欧洲第三代战斗机都采用近耦合鸭式布局方案。

李天当时已是气动室的副主任,他亲自制定了五年的详细研究规划,研究内容及研究方案。提出要系统地研究边条翼布局中边条的参数,包括边条前缘半径、后掠角、平面形状及相对机翼面积的影响及流动机理、涡的控制方法等,同时研究近耦合鸭式布局前翼的平面形状、面积大小,以及前翼与机翼的上下、前后位置的影响及流动机理、涡的控制方法等,在选平面参数时先进行大量的理论计算,从中选较优秀的方案进行低速模型设计和加工,然后在低速风洞进行流态观察试验、机理分析及测力试验研究,再优选出几种性能好的方案在高速风洞中进行校核试验,五年中做了五期低速试验,两期高速试验。每次试验李天都亲自带队,和大家一起画出曲线、分析数据,有时受试验启发,临时加工新的边条,经常变更试验计划,尽管这样给试验单位带来不利,但大家认识到这是研究性的试验,经常要选择对比、淘汰或增加新的方案,带来麻烦是可以理解的,大家互相配合,试验任务完成得很好。他亲自写课题总结报告和亲自向验收组汇报课题进展情况。对该项研究,他撰写一篇《边条翼与近耦合前翼布局的气动特性研究》论文,由航空工业部的中国航空科技文献(HJB870532)收录出版。

由于李天具有较强的探索和创新能力,总装备部和航空工业部领导把有关飞机空气动力的预研项目交给他来负责。李天从“七五”规划开始,他连续20年担任总装备部的《先进气动布局》课题负责人,领导601所及航空工业部有关研究所及三院校开展前沿的先进的飞机气动布局的基础研究及应用研究,使我国有关军用飞机气动布局研究赶上了世界先进水平,为开展新一代飞机的气动布局设计开创了道路,打下了坚实的基础。

风洞试验

李天不仅废寝忘食,刻苦钻研基础理论,他更注重科学试验。他从事飞机气动力研究离不开风洞试验。他深入实际,一丝不苟,忘我工作,把很大一部分时间和精力都投入到风洞试验中去。

纵观一百多年空气动力学的发展史,可以发现,作为空气动力学研究三大手段之一的风洞试验,与试飞及计算流体力学另外两种手段相比,仍然占据主要地位。长期以来,风洞试验是提供气动力数据、获得新的气动力现象及概念的主要手段。尽管近年来计算流体力学发展很快,在飞机设计中的作用不断在增加,但风洞试验作为对飞机流场的直接物理模拟,其作用是计算流体力学所无法取代的。

所谓风洞,是指在按一定要求设计的管道(可圆形或方形)内,产生人工可控制的气流,以模拟飞行器或物体周围气体的流场,并可测量气流对物体的作用以及观察物理现象的、供空气动力学研究的试验设备和工具。主要用于研究空气动力学的基本规律,通过风洞试验确定飞行器的气动布局和评估其气动特性。风洞试验是飞行器研制工作中不可缺少的重要手段。风洞按速度范围分为低速风洞(Ma≤0.3),亚跨声速风洞(0.3<ma≤1.4),超声速风洞(1.4<ma≤3.0),高超声速风洞(3.0<ma<12)。按用途分为:常规风洞和特种风洞(如尾旋风洞、结冰风洞等)。

1871年,英国航空理论家维纳姆自行研制成功世界上第一座开路式小型风洞。该风洞为木箱结构,尺寸是0.475米×0.45米×3.05米。1884年英国人菲利普又改制出第二座小型风洞,风洞的出现使飞机的气动设计与计算有了比较科学的试验工具。1901年,美国莱特兄弟建造了一座小型风洞,他们先后试验了200多种翼型,研究了双翼机和三翼机的布局,为他们发明“飞行者1号”发挥了重要作用。

飞机在研制过程中要做大量的试验,其目的是设计和评价飞行器的布局和性能,其中首先要进行的是模型试验,称之为风洞试验。飞机设计最常用的是风洞测力试验,即在吹风状态下用天平测量出作用在静止模型上的空气动力试验。它是飞行器模型的最基本和最重要的试验项目。无论在飞行器的选型,定型还是改型阶段,都要进行各种测力试验。试验目的是测出飞行器模型在各个马赫数,以及迎角、侧滑角下的升力,阻力,俯仰力矩,侧力,偏航力矩和滚转力矩;测量舵面效率及飞行器各部件如机翼、机身、平尾及垂尾,外挂物等对气动特性的影响。

从20世纪60年代到90年代,由于我国计算流体力学手段比较落后,60年代初期,设计气动计算基本采用工程估算及手册方法,精度不够,只能做初选布局方案作对比用,70年代开始发展了有限元的面元法,可以计算线性范围的气动特性,到90年代开始采用欧拉方程计算方法,目前已发展到使用N-S方程计算了。在方案初步设计阶段已得到广泛应用,但到评审设计阶段飞机布局的气动特性的确定还是要靠风洞试验。因此,对我国来说,风洞试验是气动力设计不可缺少的重要试验手段和方法。

李天从1963年9月来601所至今近50年从事飞机气动力设计和气动布局研究工作,与风洞试验结下了不解之缘,参加风洞试验成了他科研工作的重要内容之一。

</ma≤1.4),超声速风洞(1.4<ma≤3.0),高超声速风洞(3.0<ma<12)。按用途分为:常规风洞和特种风洞(如尾旋风洞、结冰风洞等)。

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