为新型飞机“自由”而飞的“天使”

中国一航商用飞机有限公司研制的我国新型支线飞机ARJ21，计划于2008年3月进行首飞。前不久，由中国飞行试验研究院完成了 ARJ21模型自由飞第一阶段的飞行试验。在ARJ21首飞之前，还需要进行陆地、机上的290余次试验。其中模型自由飞是一种科技量很高的试验手段，在新机研制中是必不可少的环节。目前世界上仅有美国、俄罗斯、英国和中国等少数国家具备这种试验能力。在现代航空发展中，模型自由飞试验、地面飞行仿真、风洞试验作为三种基本试验手段，有力地支持了全尺寸飞机的飞行试验，它们在飞机研制过程中各有所长，互为补充，缺一不可，形成了空地一体化的试验体系。

2007年11月29日，由中国飞行试验研究院(以下简称试飞院)进行的我国新型支线客机ARJ21飞机模型自由飞第一阶段飞行试验取得圆满成功。通过试验，获得了一些有关ARJ21飞机失速和改出的重要数据，对分析ARJ21飞机失速特性和验证风洞试验结果提供了依据，为ARJ21飞机首飞以及在不久的将来展翅高飞、自由翱翔迈出了重要的一步，也为该机第二阶段的试验、验证该机抗失速伞的最佳组合形式和改出效果奠定了基础。

说到模型自由飞，大家也许会感到很陌生。模型自由飞作为一种科技含量很高的试验手段，在当今世界仅有像美国、俄罗斯、英国和我国等少数国家具有这个专业和能力，并长期致力于新型飞机的研制和航空科技的开发。在现代航空发展中，模型自由飞试验、地面飞行仿真、风洞试验作为三种基本试验手段，有力地支持了全尺寸飞机的飞行试验，它们在飞机研制过程中各有所长，互为补充，缺一不可，形成了空地一体化试验体系。

我国早在上世纪60年代就开始进行模型自由飞的专项研究，多年来，模型自由飞广泛应用于国产军用飞机的研制试飞，几乎每一种重要的国产战机都进行过模型自由飞试验。当前，中国航空工业正处于重要的转型期，航空大集团战略的实施，“寓军于民”理念的植入，打通了我国民用飞机快速发展的通道，类似模型自由飞等高效试飞手段也开始在民机研制领域大显身手。

模型自由飞——新机研制的开路先锋

模型自由飞试验在理论预测、风洞校验和全尺寸飞机飞行试验问起着关键的作用，尤其在大迎角失速/尾旋研究中及新机研制中，发挥着重要的作用，目前也用在民机失速特性等方面的技术研究上。

我们先以ARJ21飞机为例，介绍一下模型自由飞的方法、作用及其工作原理。简单地讲，模型自由飞就是以新型飞机的全尺寸样机为标准，通过比例缩小，加工成一种外形和气动布局与其相似的模型飞机，然后由载机携带升空，在空中一定高度下进行投放，使模型飞机获得初始速度，并完成既定机动的试验，最后通过降落伞进行回收的过程。空中飞翔中的模型飞机，姿态非常轻盈飘逸，打开回收降落伞，就像从天而降的“仙子”，它不是为自己而飞，而是为新型飞机的“自由”而飞，是将航空科研工作者理想变为现实的“天使”。

有人肯定会问，模型自由飞所用的模型飞机与一般航模飞机有什么不同?其实，二者有显著的区别。首先，模型自由飞的理论基础是“相似理论”，即模型设计与实机的外形与气动布局相仿，在质量分布、运动特性等方面与实机非常相似，可以在空中得到较真实的数据。其次，用于模型自由飞的模型飞机比一般航模飞机复杂得多，其内部装有遥控、测试系统，可以通过遥测系统将空中的试验数据传输到地面。第三，模型自由飞可实现10千米以上的远距离遥控，在地面驾驶舱的仪表平显上显示飞行的信息，并通过“操控手柄”实现对自由飞模型的控制。而一般的航模飞机只能在目视范围内控制飞行，不携带复杂的测试设备。

ARJ21飞机，是我国目前全力推进的重要民机研制项目。作为民用飞机，飞机的安全性被作为首要环节。此次试飞院进行ARJ21飞机的模型自由飞，最重要的就是检验该机的失速特性，为下一步严格按照CCAR-25部完成适航取证试飞进行先期性的探索。近年来，因为失速而造成的事故已造成了巨大灾难，让我们看几个实例。

1993年7月26日，美国一架CRJ100支线喷气机在进行测试飞行中飞机严重失速，坠毁在美国堪萨斯州的拜尔斯。2000年10月10日，一架“挑战者”CL-604在美国堪萨斯州威奇托中陆机场起飞时失速，无法改出，飞机撞地起火。2004年11月28日，一架庞巴迪CL-601-2A12飞机在美国科罗拉多州蒙特罗斯机场起飞，由于起飞时机翼上表面结冰，引起失速后撞地，飞机随即起火。

以上事故都和飞机失速有直接关系，特别是高平尾布局的飞机(ARJ21飞机就是高平尾飞机)，这类飞机虽然具有发动机与平尾距离较远，扰流小，飞机飞行时比较平稳的优点，但也存在不利的大迎角失速特征，即飞机失速前没有自然抖动警告，失速后机头有自动上仰趋势，这是一个潜在危险。要想保证飞机的安全，就必须通过试验预测出飞机的失速特性和改出特性。然而，用实机直接进行此类试飞风险极大，而且成本很高。如果采用无人驾驶的模型自由飞进行预先探索，将达到成本低、周期短、效率高的效果。同时，也可用模型自由飞验证该机风洞的试验结果和数值计算方法。

这次，试飞院的科研人员通过近一个月的不懈努力，终于通过模型自由飞获得了ARJ21飞机重要的深失速特性数据，取得了重大阶段性成果。

可以说，模型自由飞试验是当代航空技术不可或缺的研究手段之一，从飞机设计到飞机制造和试飞，都可用模型自由飞对其不可预测或风险大的项目进行探索。

模型自由飞特点、工作原理及分类

自由飞模型与模拟的真实飞行器具有诸多相似之处，如在真实的大气中自由飞行，不像风洞试验受洞壁的影响和支架的约束，也不会出现仿真试验数据库、模型不一定完善的问题。自由飞试验用的模型飞机比例较大，飞行数据可信度高。试验高度和范围较大，试验内容和研究领域较广。同时，它的经济效益高，风险小，不存在飞行员安全问题。

模型自由飞的工作原理是用载机(我国一般为轰6或运5)携带模型以平飞状态到达既定投放点后，将模型投放。地面科研人员按任务单的内容操控模型进行试飞(过程与一般试飞程序相同)，在一定高度后模型打开降落伞，降落在指定区域进行回收。

国际上模型自由飞种类较多，主要是以飞行试验方式和模型特点来划分，下面介绍几种模型自由飞的分类。

★按动力系统分为无动力模型自由飞和带动力模型自由飞。无动力模型自由飞的飞行试验较多，优势是成本低，但飞行试验时间较短。带动力模型自由飞可实现自动飞行控制，充分发挥自由飞试验真实模拟的特点。随着小型活塞式发动机、小型喷气发动机和小型固体火箭发动机等的

发展，为带动力模型自由飞试验提供了条件，使带动力模型自由飞试验上了一个新台阶。目前，国内外都在开展带动力模型自由飞试验研究，具有广阔的应用前景。

★按升空方式分为地面滑跑起飞、助推器发射、气炮(枪)发射、运载器带飞投放等。地面滑跑起飞的自由飞模型，除了安装发动机外还安装有起落架。目前助推器发射和气炮(枪)发射的自由飞模型，除了安装发动机外还安装有滑橇和降落伞。运载器带飞投放的自由飞模型一般是无动力模型自由飞试验，也有一些是带动力的飞行器试验，一般用飞机带到一定的试验高度后投放或发射出去。

★按测量方式分为仪器测量和目视观察。目视观察的模型一般不装机载测试设备，只做定性分析。模型内安装测量设备的称为内部测量，通过模型外部的测量设备获得测量参数的称为外部测量。

★按回收方式分为降落伞回收、气囊或滑橇回收、撞网回收、地面滑跑降落等。自由飞模型和设备贵重，需重复试验的就要回收模型。

模型自由飞试验按试验场地分成空中、地面或水面。地面或水面主要用于飞行器的起飞和降落，空中主要用于飞行器的飞行试验。

模型自由飞在飞行试验和新机研制中的巨大作用

经国内外长期的模型自由飞飞行试验表明，采用模型自由飞的试验结果能反映全尺寸飞机的真实飞行特性，试验结果是可信的、可靠的。可以真实地模拟到实际的飞行情况，有效解决在飞行试验和新机研制中的问题。我国在教8模型自由飞进行失速/尾旋试验时，出现了一个“怪模态”——落叶式振荡尾旋。而在进行风洞吹风试验时，并没有出现过这种尾旋状态。有关单位根据模型自由飞的结果又补充了风洞试验，结果出现了这种尾旋模式，后来在飞机尾旋试飞中也出现了这种现象。这也说明了模型自由飞比风洞试验出现的状态要更加真实和全面。

国外资深飞行员非常信任模型自由飞的数据，俄罗斯试飞员在进行我国教8飞机失速/尾旋试飞时，首先仔细观看了该教练飞机模型自由飞的飞行试验结果，并对数据进行了认真分析研究。果不其然，在实际飞行中，该教练飞机模型自由飞预测的尾旋现象，在实际飞行中也一一复现。

虽然模型自由飞对新机研制具有非常重要的意义，但也有个别忽视了这个环节，造成了严重后果的例案。如美国在立式风洞对F/A-18飞机进行大迎角尾旋试验后，认为F/A-18飞机具有良好的大迎角抗尾旋特性，不需要再进行模型自由飞试验了，结果在飞机定型试飞中却因进入尾旋而摔了一架飞机。亡羊补牢，美方急忙进行了动力相似的模型自由飞失速/尾旋试验，并最终找到了飞机摔毁的原因。美国人得到的教训是，由于太相信风洞试验结果，导致损失一架F/A-18飞机，并走了一大段弯路。

总体来说，模型自由飞的主要作用一是在开展概念机和新技术研究时，首先用它进行试验研究，如美国用X-29模型开展前掠翼气动布局研究，用X-36模型开展无尾飞机气动布局研究，用X-43模型开展新原理发动机技术研究等，掌握了新概念和新技术后才应用到型号研制中；二是利用模型自由飞对了解和分析全尺寸飞机的大迎角特性很有帮助，对飞机的抗尾旋模态和控制律验证很有帮助，同时还可用来修正地面模拟舱的数学模型和数据库，为大迎角飞行品质评定和飞行员培训有很大的帮助；三是利用模型自由飞试验结果来指导全尺寸飞机的飞行试验和编写飞行动作，可降低全尺寸飞机的飞行试验风险，避免盲目性。

国外模型自由飞的现状与发展

国外模型自由飞的飞行试验研究始于20世纪40年代，早期主要用于解决跨声速、超声速的机理问题；各种外挂、副油箱、导弹及炸弹的机、弹干扰问题等。20世纪60～70年代，模型自由飞飞行试验有了较大发展，这时期主要是研究型号飞机的失速、尾旋特性及其改出方法，也用于建模和气动布局研究。为了提高试验逼真度，自由飞模型的比例一般为真实飞机的1/8以上。由于飞机设计越来越复杂，动力相似模型的功能越来越全，要加装的设备越来越多，模型尺寸也越做越大，重量也越来越重。试验方式也很多，如火箭助推发射、直升机、固定翼飞机携带投放、或者自主起飞着陆等方式。

美国是世界上模型自由飞搞得比较好的国家之一。在所有第三、四代飞机的研制过程中，都使用了模型自由飞对其关键技术(如控制律、推力矢量等)进行开发和演示验证。美国有专门用于自由飞研究的试验场(兰利)，有一个专用无人驾驶飞机的研究所。其试验研究内容涉及尾旋、飞行包线、阻力特性、阻尼导数、颤振、气动弹性、音爆、垂直起落与弹射救生、高超声飞行及气动加热、无人机等，非常广泛。

俄罗斯虽然没有美国那样进行系列的试验机投放飞行试验研究，但是也有自己的专用试验场地，进行了大量的空投空射试验和模型投放自由飞试验研究。在过去近30年的时间内，俄罗斯进行了300多架次模型自由飞飞行试验，如苏-27、苏-37、M-55、1.44飞机等，有的飞行重量达1200千克。并在空气动力学，飞行力学特别是大迎角飞行动力学，飞行控制，气动弹性等方面取得了众多成果，为飞行器研制以及航空航天技术的发展提供了强有力的技术支持。

目前，国外已经将模型自由飞作为空气动力学基础和相关性技术研究的重要手段，并用模型自由飞开展推力矢量的机理研究，新技术验证，新材料验证，先期演示验证，其作用非常重要。美国、俄罗斯等国已经形成专用的试验基地，有强大的实验室支持，拓展了研究领域，获得了先进的技术成果。

随着现代航空技术和电子技术的发展，模型自由飞也在不断发展，如从原来简单、单一的遥控系统发展到今天遥控遥测、飞控系统等一体化集成的小型化系统；飞行半径从原来不足3千米提高到目前10千米以上。从原来常规的失速/尾旋飞行试验研究发展到参数辨识飞行试验研究、高超声速飞行试验研究、新技术演示验证、无人机关键技术研究等，从无动力模型发展到带动力的模型飞行试验。

我国模型自由飞的发展历程和状况

我国从20世纪60年代初开始进行模型自由飞的研究工作，模型自由飞试验初期主要是外挂试验和压力测量试验，后来用于型号飞机的失速/尾旋试验、参数辨识、静不安定电传系统模型试验和模型验证机试验。

在我国，试飞院作为国家唯一的大型权威试飞机构，开展动力相似模型自由飞试验研究已经有40多年的历史，在模型设计制作、模型飞行和操稳特性研究以及遥控测试技术研究方面有着扎实的基础和较高的水平，已经形成了一体化体系。特别是上世纪90年代后在理论研究与开发利用方面取得了长足进展，先后在投放试验模型和飞行力学研究、飞行控制、遥控测试等方面取得了突破，部分项目达到了世界先进水平。完成十几种国家重点型号飞机的模型自由飞试验，为重点型号飞机提供了重要数据和技术支持。

近年来，随着静不安定模型自由飞和模型验证机课题的深入研究，试飞院建立了一套先进的遥控遥测系统，掌握了导航和飞行控制的关键技术，在遥控、遥测技术方面取得了很大进步。现在，试飞院已经完成了模型验证机的飞行试验，采用轮式起落架起飞和着陆，驾驶员处于人一机闭环回路环境之中，利用遥测信息平显及图像信息可以实现实时控制模型飞机飞行，并可遥测传输100个参数，遥控遥测作用距离可达10千米。目前正在开展新支线飞机ARJ21模型自由飞失速飞行试验，针对民机的试验技术要求，编写了技术实施方案和试飞方案，积累了技术经验和试验方法，也为今后我国进行大型飞机模型自由飞试验奠定了基础。

我们也应该看到，世界上模型自由飞技术发展迅猛。目前，国外已经将模型自由飞作为空气动力学基础和相关性技术研究的重要手段，可进行压力分布测量、流场显示、机翼层流、结冰试验、飞机升阻特性和大迎角/失速/尾旋特性等研究。另外，美国还用模型自由飞对民机的失速特性、拒绝坠毁技术和失去操纵性强行改出控制技术等进行了研究，开展了X-45原型机模拟协作攻击试验，“太阳神”号太阳能UAV试验、X-29飞机前掠翼布局试验研究等。我们必须加快发展步伐，转变观念，为实现中国航空科技的腾飞而不解追求与探索。

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