中國山鷹高教機100%克服失速尾旋 打破戰機禁區

在抗美援朝戰場上，一天，朝鮮臨津江上空炮聲隆隆，中國人民志願軍空軍與美國空軍激戰正酣，雙方戰機互相纏鬥追逐。突然，我空軍一架米格-15戰鬥機咬住了敵人的F-84飛機，我軍飛行員鎖定目標後，一串炮彈射向敵機，敵機冒着黑煙栽進了滔滔的江水中。然而就在這時，我們的這架飛機也因迎角太大，突然失速，很快進入尾旋狀態。飛行員反推杆幾次毫無反應。飛機一邊旋轉，一邊往下掉。千鈞一髮之際，我軍飛行員按下彈射鈕，棄機逃生了。本來是一次漂亮的空中戰役，可惜的是由於當時我們不懂得尾旋，也不知道如何改出尾旋而白白丟了一架飛機。直到抗美援朝戰爭結束後，我軍才逐漸開始認識這特殊的航空現象。可以説，在我國航空發展史上，失速尾旋長期以來被國產戰機視為禁區，困擾着我軍航空兵部隊訓練水平的提高和飛機性能的發揮，嚴重影響着飛行安全，不少部隊飛行員由於沒有處置失速尾旋的經驗，從而導致嚴重的飛行事故。

破解“死亡陷阱”玄機

失速和尾旋是兩個概念，但又相互聯繫。我們先説失速，形象地講就是飛機失去了保持正常飛行的最低速度。公路上的汽車沒有速度可以停下來，而空中飛行的飛機卻不行，沒有了速度就會像鐵疙瘩一樣向下掉。從航空理論上分析，飛機的機翼能夠產生升力是因為機翼上下存在着壓力差，但這是有前提條件的，就是要保證機翼上翼面的氣流不分離。當機翼的迎角較小時，在相同的時間裏氣流繞過上翼面所通過的路程比流過下翼面的路程長，所以上翼面的氣流速度比下翼面的快，由於氣流的速度越快壓力就越低，因而產生了上下翼面的壓力差。但如果飛機因為氣流的干擾或其他原因，突然上仰並超過了臨界迎角，靠近機翼翼面附近的氣流在繞過上翼面時，由於自身粘性的作用，流速會減慢，甚至減慢到零，而上游尚未減速的氣流仍然源源不斷地流過來，減速了的氣流就成了阻礙，最後氣流就不可能再沿着機翼表面流動了，它將從表面抬起進入外層的繞流，這就叫作邊界層分離，這種分離現象可能引起飛機升力突然減小、阻力增大、飛機操縱性和穩定性變差、發動機性能降低等問題，邊界層分離如果發生在機翼上將產生很嚴重的後果，那就是失速。飛機失速之後的機翼氣動效率極低，已經不能夠產生足夠的有效升力。多年來，世界各國航空科技人員為了克服邊界層分離所做的努力，貫穿了近代航空的發展歷程，始終是推進航空科技發展的重要動力之一。

再説尾旋，飛機失速後，會導致缺少足夠的升力，無法保持正常的飛行狀態，如不能及時改出，飛機會在超過臨界迎角後繞其自身的三根軸自轉，同時重心會沿着陡的螺旋線航跡急劇下降，形成可怕的、難以控制的自轉，這種危險的飛行狀態就是失速尾旋，也稱螺旋。而實際上的尾旋要比這種描述還要複雜得多，一架飛機在多次尾旋中可能具有完全不同的運動狀態。飛機一旦進入失速尾旋狀態，就會像進入了一個巨大的磁場，並呈麻花狀態加速墜落。這種現象，過去常常導致機毀人亡，僅美國和俄羅斯在失速尾旋項目的試飛中，就損失過幾十架飛機，數十名試飛員因此付出了寶貴的生命，失速尾旋因而被世界航空屆稱為“死亡陷阱”。也正因為如此，失速尾旋也是一個倍受世界航空界關注的問題，各國一直在進行探索和研究。當今，除專門用於科學試驗外，都要求在臨界迎角以下一定範圍內飛行，不允許靠近更不允許超過，以免發生尾旋等危險。

大迎角飛行試驗與失速尾旋

從航空發展初期至今，失速和尾旋一直是影響飛行安全的一種飛行狀態，它的動力學特性以及進入和改出的操縱方法都與使用飛行包線範圍內的飛行狀態有着本質區別。因此，大迎角動力學研究和飛行試驗驗證工作一直是飛行試驗的重要內容。

通常，飛機失速進入尾旋都是因飛機迎角過大，超過了特定的臨界角度，約20度至70度，極端情況下會超過90度。俄羅斯試飛員普加喬夫在用蘇-27作大迎角飛行試驗時，有意關閉了飛機的迎角限制器，使他驚奇的是，當他拉桿使飛機迎角達到60~70度時，飛機仍能穩定飛行。驚訝之餘，他拉住駕駛杆不放，飛機的迎角居然達到了不可思議的115度，隨後自動恢復，由於這一動作酷似眼鏡蛇高高昂起蛇頭窺敵待擊，故這個動作被稱為“普加喬夫眼鏡蛇機動”。當然，這個動作在當時俄方《飛行手冊》裏是沒有的，也是飛行條令不允許的，這更多的是從飛行試驗的角度和歷史的機緣。

現實中，尾旋狀態下的螺旋半徑很小，甚至只有幾米，旋轉角速度高可達每秒幾弧度，下沉速度大，甚至達每秒百米。同時，尾旋作為一種極端複雜的機動，除了非常大的迎角外，還會有很大的側滑角，並具有俯仰、滾轉和偏航速率。失速尾旋不是飛機的正常飛行狀態，一般是因為飛行員操作不當造成或遇到不穩定氣流而發生的。由於尾旋的不可控性，極易造成飛機的墜毀，正常情況下應該儘量避免進入尾旋。但為了訓練飛行員遇到尾旋時的處理能力及研究尾旋的改出方法，某些機動性較高的飛機，如殲擊機、教練機，允許有意進入尾旋並改出。機動性較差的飛機，如轟炸機、運輸機及民用客機則嚴禁進入尾旋。

尾旋的複雜還表現在不但每一型飛機因外形佈局不同，尾旋的特徵不同，甚至對於同一型飛機的每一架單機尾旋特性也不盡相同。對於現代高機動性飛機的設計師、試飛工程師和駕駛員來説，瞭解和掌握這一飛行範圍的機理知識和防範措施就顯得極為重要。可以説，失速尾旋伴隨着飛機的誕生而存在，也伴隨着飛機的發展而變化，從早期的飛行品質規範到今天的指導新型機研製與試飛驗證的《有人駕駛飛機飛行品質》的大迎角要求也發生了重大變化，當今更是引進了偏離、過失速旋轉等許多新的概念，失速尾旋的神秘面紗也逐漸被剝開。

隨着現代航空技術的迅猛發展，為有效解決飛機因迎角過大而進入失速尾旋的情況發生，世界航空發達國家已廣泛採用迎角限制器技術，這種系統可以做到無論飛行員在空中做什麼動作，迎角限制器都可以把飛機的迎角限制在某一個最大值以內，以避免飛行員操縱過量，造成迎角過大，使飛機進入不安全狀態。從這個意義上講，現代飛機真正可以實現“無憂慮”操縱。

尾旋雖危險但可以征服

一般來説，尾旋有正尾旋和倒飛尾旋之分。正尾旋是在正飛情況下，飛機的迎角最大時開始失速，飛機進入的尾旋狀態。倒飛尾旋是飛機在倒飛狀態下進入尾旋狀態。在飛失速尾旋時，試飛員要承擔極大的正負過載，正過載將人向下壓，造成眼球鼓脹。負過載是將人向上提，使人脱離座椅。在飛倒飛尾旋時，試飛員甚至會頭頂艙蓋，倒掛在座艙中。

世界航空界通過多年的理論研究與探索實踐，得出了一般失速尾旋的應對方法。對於正尾旋，飛行員要往相反旋轉方向打滿舵，在反方向側壓駕駛杆的同時前推駕駛杆，油門加到最大，直至改出俯衝，輕拉機頭恢復水平。對於倒飛尾旋，須反方向打滿舵，在反方向側壓桿同時後拉駕駛杆，油門加到最大，直至改出俯衝，恢復水平。實際上，不同的飛機有着不同的尾旋特性，雖然改出操作大同小異，但力度、節奏卻要飛行員自己體會。一般來説，飛機在1000米以上進入穩定或臨界穩定尾旋的飛機都能改出，過了1000米還不穩定的，就要跳傘了，但輕機型的飛機900米也可改出。

完成失速尾旋試飛，除了理論上的突破外，還有一個重要的因素，就是試飛員的判斷能力、駕駛水平和緊急情況下的心理素質。沒有經過專門培訓的飛行員在失速進入尾旋後會產生強烈的恐懼心理，動作盲目，以至造成各種誤操縱，如抱杆不松，雙腳用力蹬舵等，從而加劇尾旋的變化。如果在慌亂中喪失了有效高度，甚至連跳傘逃生的機會都沒有。更重要的是，每一種飛機改出尾旋的響應時間是不同的，如國產殲教7飛機試飛員做完改出動作後，飛機一般在5秒左右改出尾旋，“山鷹”飛機的改出時間約為2秒左右。而有些飛機會達到10秒，甚至更長，這就需要飛行員具有良好的心理素質，敢於在尾旋中“多堅持一秒”，因為尾旋中的每一秒都會因人的生理恐懼而感覺非常漫長。

中國當代試飛英雄李中華曾專門赴俄羅斯進行失速尾旋專項培訓。在這次培訓中，李中華以優異的成績獲得了由俄方頒發的失速尾旋試飛證書，他也是首次獲得這一殊榮的中國人。回國後，李中華通過多年的飛行實踐認為，失速尾旋雖然風險很大，但並不可怕。作為一名合格的飛行員和試飛員，必須有能力應付這種複雜的情況，更要有信心突破這一禁區。

失速尾旋試飛的關鍵保障設施

無論是民機還是軍機，進行失速試飛都具有極大的風險性，即便是經驗相當豐富的優秀試飛員，也會因失速狀態的極端複雜性而發生改不出來的情況。因此，“失速反尾旋傘”等相關保障設施必須配套發展。

失速反尾旋傘有何神奇之處？簡單地講，如果飛機失速進入尾旋時，飛機的速度相對較慢，飛機的運動是以旋轉為主，飛機自身改變狀態的能力較小。但是，飛機要改出尾旋卻需要相當大的力。飛機裝備了反尾旋傘系統後，當飛行員採取改出動作無法正常從尾旋中改出時，可以通過發射按鈕使飛機啓動反尾旋傘系統。此時，裝在飛機尾部的失速反尾旋傘會被射傘火箭帶出，巨大的反尾旋傘張開後，其阻力將形成一個繞重心的反尾旋偏航力矩和俯仰力矩，在這兩個力矩的作用下，會產生很大的牽引力，幫助改變飛機的空中姿態，使尾旋被迫停止。可以形象地視為有一隻無形的手，直接將飛機從尾旋中拉出。飛行員控制將傘拋掉後，飛機會進入正常的俯衝狀態，從而退出尾旋。

失速反尾旋傘對於新機研製、試飛技術發展、試飛員培養等都具有極為更重要的作用。研發安全有效的失速反尾旋傘系統是國際公認的高難課題，中航工業試飛中心經過17年潛心研究，終於在2007年研製成功了中國新一代反尾旋傘系統。2009年12月，試飛中心副主任趙鵬親任機長，試飛員趙明禹任副駕駛員，駕駛ARJ21-700飛機101架機分別在動、靜態狀態下完成了新支線失速改出傘系統拋傘試驗。本次試驗也是我國在民機領域首次進行的失速改出傘系統項目試驗，試驗的成功，使我國在高難風險試飛領域又邁出了關鍵的一步，相關技術達到了國際先進水平。

中國失速尾旋研究不斷與世界接軌

失速尾旋試飛探索的是飛機的左邊界，從根本上來講, 失速尾旋試飛是一種駕駛技術和飛機操縱性能的綜合，而且隨各種飛機的性能不同而變。在我國試飛領域，失速尾旋被列為I類風險試飛科目，攻克“死亡陷阱”，可以説是我國幾代航空科研人員和試飛員的夙願。40多年來，中國空軍試飛員和試飛中心的科研人員克服重重困難，不斷研究探索失速尾旋機理和改出尾旋辦法，相繼對平直翼、後掠翼、三角翼和民用飛機等4種不同類型的飛機進行了失速尾旋研究和試飛，成功摸索出了一套套改出失速尾旋的有效方法,使我軍的尾旋失事率減少到了世界上最少的水平。

中國最早進行失速尾旋研究的是用“紅專502”(初教6)飛機進行的失速尾旋試驗。1960年11月，該機成功完成了失速尾旋試飛，試飛中不論採取“反舵推杆”標準法，還是“三中立”(即舵、杆、油門均居中)方法都可以有效地改出尾旋。這一結果，後被寫入了該型機的《飛行員手冊》。從1998年到1999年，試飛中心由李樹有和王啓負責，開始利用國產殲教7飛機進行失速尾旋研究，這是我國首次進行的三角翼飛機失速尾旋試驗。在以後的試飛中，試飛員李中華和李存寶又駕該機完成了風險更大的倒飛尾旋。國產三角翼戰機失速尾旋禁區的突破，不但填補了我國航空領域的空白，更重要的是進一步拓展了國產戰機的性能，增強了部隊飛行員處置失速尾旋的信心。進入新世紀以來，試飛中心又成功進行了新一代飛機的迎角限制器驗證試飛，並研製成功三代機尾旋試飛用的反尾旋傘系統;成功突破飛機大迎角控制律驗證技術，這對於我國大迎角特性試飛有着劃時代的意義，該技術成功應用於我國自主研製的新型飛機大迎角特性試飛，標誌着我國在新飛機大迎角控制律驗證領域逐步與國際接軌。

試飛中心近期最具代表性的失速尾旋試飛是在“山鷹”飛機上進行的，該機的失速尾旋試飛主要圍繞過失速性滾轉、失速性滾擺、陡尾旋等三種失速尾旋模態展開。試飛中，試飛員還專門對“失速後”和“尾旋中”部隊飛行員容易做出的錯誤動作進行了全面模擬，以觀察飛機的狀態反應，分析探索應急解決方案。

在“山鷹”失速尾旋試飛過程中，試飛員進入各種尾旋達30餘次，飛機負迎角最大達到50度，試飛員負過載最大達到2G，其中兩次還進入了風險巨大的倒飛尾旋。通過試飛，試飛員總結出了“三中立”的尾旋改出方法，即改出尾旋要同時做到杆、舵居中，使飛機的副翼、方向舵、平尾都處於中立位置。試飛員們還嘗試了“極端”的改出方法，就是採用“三中立”後，即使試飛員撒手，飛機也能自己改出尾旋。特別是在後幾次試飛時，飛機已拆掉了失速反尾旋保護系統，飛機是在原機狀態下完成的失速尾旋試飛，使試飛更具有代表性。自此，“山鷹”改出尾旋的成功率達到100%。試飛成功，也使我國在失速尾旋領域又向前跨進了一大步。

近年來，試飛中心失速尾旋研究工作取得長足發展，如在新型飛機大迎角控制律驗證技術試飛過程中，我國首次將虛擬試飛技術應用到大迎角特性試飛中，將真實飛行試驗與虛擬試飛相結合進行大迎角特性試飛，構建了新的大迎角特性試飛體系。試飛過程中，能實現試飛員駕駛動作通過遙測傳給GDAS(地面監控系統)，GDAS通過網絡傳輸給模擬器，模擬器根據試飛員駕駛動作進行仿真計算，並即時將仿真結果再傳回GDAS。通過試飛數據與模擬器數據對比，充分觀察和比對真實飛機與模擬器之間的差異，為模擬器的模型驗證提供依據。同時，試飛小組可以根據飛機與模擬器的相關性來即時決策是否繼續下一架次的飛行試驗，有效地提高了試飛效率、化解了試飛風險，確保了大迎角試飛安全，相關技術達到了世界先進水平。