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“新舟”60遥感飞机研制侧记:高天俯瞰 山河多娇

核心提示: 国产飞机+国产遥感设备,“新舟”60遥感飞机的成功改写了中国没有自己研制的遥感飞机的历史,中科院的航空遥感系统终于有了中国飞机的身影。
3月9日,由中国航空工业集团公司与中国科学院共同研制的“新舟”60遥感飞机在西安阎良机场成功首飞。本次首飞任务的顺利完成,标志着遥感飞机的相关试飞工作向前迈出了重要的一步,也为后续功能性的研发试飞和适航型号合格审定试飞提供了理论依据和改进方向。 航空遥感,一项离我们并不遥远的现代技术,却关乎国计民生。1990年,遥感飞机在险恶的条件下完成了新疆塔克拉玛干大沙漠腹地的科研试飞,并发现了大型油气田。1998年,遥感飞机监测长江中下游百年一遇的洪水,记录了受灾最严重的洞庭湖、鄱阳湖5万平方千米洪灾区的微波成像数据。2008年,遥感飞机飞赴汶川,对地震灾区开展遥感监测和灾情评估工作,在极端困难情况下出色完成了重灾区的航空遥感应急监测,为国家抗震救灾做出了重大贡献。不久的将来,“新舟”60遥感飞机将纵跃高天,在农业、探矿、环境、交通等众多领域大显身手。 优化设计 飞机界的“变形金刚” 近年来,不受地理和政治限制、探测范围广的航天遥感技术已经广泛应用,但航空遥感技术具有高分辨率、全天时和全天候的优势,尤其是对目标区域的持续观测能力使任何遥感卫星系统都望尘莫及。因此,发展和拥有强大的航空遥感技术一直是中科院的重要目标。早在“十一五”期间,研制国产遥感飞机就已经被列为十二个重大科技基础建设项目之一,就是当时备受关注的“大科学工程”。 “新舟”60飞机各项技术的逐渐成熟,为遥感飞机国产化提供了可能。经过多方斟酌,“新舟”60飞机成为国产遥感飞机平台的最佳选择。2014年6月,中科院电子研究所与航空工业西飞正式签订2架“新舟”60遥感飞机的研制合同,西飞随即成立了项目团队展开前期的设计工作。 特种飞机的“特”在于特殊、特别,而且每一型号都各有亟待攻克的难关。作为高性能遥感平台,中科院电子研究所对“新舟”60遥感飞机提出的需求很高:要能够将30多种、100多台遥感设备以不同的组合形式安装在飞机上,而其中多种设备还在研制中,很多参数都还是未知。 虽然用“新舟”60飞机发展特种飞机已经有好几个型号取得成功,技术、适航、生产组织等方面都有很多继承性。但是每个型号还是有各自的技术难题。遥感飞机就是通过改装飞机,形成具有多种观测窗口、能够同时满足多种设备安装、工作等要求及多名操作人员工作空间要求的高性能航空遥感飞机平台。设计人员将“新舟”60遥感飞机称为“变形金刚”,可想而知,遥感飞机状态之多。设计与生产环节的问题相对好解决,难题是验证、确定每种状态和适航取证。 “新舟”60遥感飞机最终确定为基础型、增挂副油箱型和机身外挂型三种状态。每一种状态中又有两种不同状态,也就是设计一架飞机的工作量相当于设计了6架飞机。“即便是这样合并,也还需要分别完成3种状态下的首飞任务,并取得3个补充型号合格证(STC证),这就是‘一机三证三首飞’。这个过程非常复杂、艰辛,尤其是一些专业性数据的计算,是我们从没遇到过的考验。”“新舟”60遥感飞机副总设计师丁亚修说。 30多个品种、100多台遥感设备形状各异、重量不同,这些设备有难以计数的排列组合结果,作为平台,“新舟”60遥感飞机要能够将每一种组合结果都能进行安装;最艰难的是,还有相当数量的遥感设备正在研制中,甚至还有一部分设备还只是“概念”,重量、外形都不确定,可参考的只是一个大致范围。设计团队从总体结构性能上进行全方面考虑,采用了多学科综合优化设计,对每个设备、每种组合进行计算验证,无数次更改、无数次推倒重来……大量数据在专家团队夜以继日的计算中,逐一明确,保证了整个项目的研制进度。 创新突破 跨越普通飞机到特种飞机的距离 研制遥感飞机,是我国从无到有的一次“质变”。30多年间,穿行在中国领空、遥遥俯瞰中国每一寸领土的只有两架美制遥感飞机。随着中国航天技术的日渐强大,每年发射遥感高分卫星已经成为常态,但航空遥感有着航天遥感不可取代的作用。中国需要发展自己的航空遥感技术,需要由国产飞机作为平台、装载国产高性能遥感设备。 2013年,中科院正式启动的航空遥感系统中,两架“新舟”60遥感飞机是其中重要的组成部分。按照预期,“新舟60”遥感飞机上要加装十几种先进光学遥感、微波遥感和环境大气遥感设备,并装有高精度稳定平台、姿态和位置测量系统以及作业管理系统,还要拥有先进的机载卫星通信系统,结合高性能地面数据处理系统。“新舟”60遥感飞机为核心的“航空遥感系统”建成后,将成为我国最先进的航空遥感系统。 在“新舟”60遥感飞机关键技术中,照相舱门和大型多频段氰酸脂天线罩及其温控系统的研制则是关键中的关键。遥感机新装任务系统需要研制三型雷达天线罩,每型安装位置都不同。这些天线罩不仅需要整流及保护雷达天线,同时还要满足强度、鸟撞、雷击、电性能等要求,对材料、结构、强度等各方面都有极高要求。 技术团队从材料工艺性能、工装结构优化设计、预浸蜂窝芯成型、多步固化方案设计、成型质量控制等方面入手,对大型氰酸酯天线罩零件制造技术进行了全面的研究及验证,确定面层采用氰酸酯预浸料,夹芯材料采用预固化的NH-1芳纶纸蜂窝芯的方案。这种材料以及结构形式在西飞都是首次使用;同时,在天线罩内安装温控系统,改变此前常规的在雷达罩内部安装引气导管,从空调系统或者直接从发动机引气,为雷达罩内部进行加温的方法,解决了进入天线罩的空调引气无法循环利用,造成发动机引气代偿损失的问题,为天线设备提供相对稳定的温度,保证天线设备的正常工作。 舱门设计技术一直是结构强度设计领域的关键技术,涉及飞机总体、结构、强度、人机工程设计和结构力学、材料力学、计算机应用等领域的先进技术。遥感机技术团队首创三组联动分段式折叠舱门的同步运动形式,大大降低了机构装配调整的难度;舱门设计还突破了大长径比螺旋稳定传动的关键技术,使舱门系统的动力源不承受负载,降低了电动机构失效的风险;照相舱门的设计全新引入了结构强度仿真分析、机构多体动力学分析等CAE仿真技术,大大降低了舱门的研制风险;同时,运用先进的CAE优化技术,在保证舱门结构强度的前提下,利用材料的合理分布,有效控制了结构的重量与变形量。 照相舱门和大型多频段氰酸酯天线罩及其温控系统的成功研制,突破了遥感飞机研制的技术瓶颈,极大地提升了遥感飞机的实用性能,同时使技术团队掌握了一整套设计方法、工艺规范和制造流程,解决了一系列飞机设计的前沿问题,提升了新舟系列飞机的品牌形象和市场竞争力,对进一步占有国内外市场份额具有很大的推动作用。 截至2017年4月7日,“新舟”60遥感飞机基本型,增挂副油箱型与机身外挂综合型分别成功首飞。至此,“一机三型三首飞”取得阶段性胜利,所有研发试飞科目全部按节点圆满完成,这为后续适航型号合格审定试飞提供了理论依据和改进方向。 国产飞机+国产遥感设备,“新舟”60遥感飞机的成功改写了中国没有自己研制的遥感飞机的历史,中科院的航空遥感系统终于有了中国飞机的身影。完成试飞定型取证之后,“新舟”60遥感飞机将正式服役,执行科学实验和国家航空遥感基础数据获取的任务,以获取资料范围大、速度快、周期短、受限少等航空遥感优势,服务于农林资料调查,地质矿产勘测;水文、环境监测评价以及对抗自然灾害、测绘制图等领域诸多领域。
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责任编辑:李美静