氣候試驗室：新戰機的“鐵面考官”
姜子晗 陳韻宇 劉 峰
前不久，加拿大軍隊宣布将采購F-35作為下一代主力戰機，預計今年年底前敲定軍貿交易合同。
這意味着加拿大将成為世界上第15個擁有F-35戰機的國家。截至目前，F-35已經列裝英國、日本、以色列等國家，F-35的“飛行觸角”逐漸延伸到世界各地。複雜氣候環境，對F-35整體性能是極大考驗。據報道，自服役以來，F-35頻頻出現塗層脫落、電池低溫損壞等問題。戰機出現這些問題，一定程度上可歸結為“水土不服”。
衆所周知，戰機在極端環境中完成任務能力是保證飛行安全的關鍵。是以，在設計研發環節，戰機需要進入氣候試驗室，接受極限天氣的考驗，檢驗戰機的全域作戰能力。那麼，氣候試驗室是如何模拟天氣的？氣候試驗有哪些步驟？又有哪些技術難點？本文為您一一解答。
麥金利氣候試驗室對F-22戰機進行冷試驗。 資料照片
告别“看天吃飯”，試驗室模拟“一年四季”
1943年冬季的一天，喜馬拉雅山脈上空風雲突變，正在執行“駝峰”空運作動的“飛虎隊”相繼失聯——16架戰機遭遇機翼嚴重結冰而失事墜毀，機上人員全部罹難。這則新聞公布後震驚世界，人們開始關注極端天氣對戰機飛行安全的影響。
早期氣候試驗，是依靠自然環境驗證戰機的氣候适應性。然而，自然環境是不可控的，科研人員隻能“看天吃飯”——一旦錯過特定季節，将嚴重影響試驗進度。是以，打造人工環境試驗室勢在必行。
二戰後，美國在佛羅裡達州埃格林空軍基地，建立一座麥金利氣候試驗室。該試驗室綜合運用制冷、加熱、空調控制等技術，将高溫和嚴寒等自然氣候“搬”進試驗室。随着溫控技術發展，英國、瑞典、南韓等一些國家也相繼建立氣候試驗室，尤其是大型工業制冷和制熱系統的問世，使試驗室可以實作“一年四季”自由切換。
短時間内實作氣溫的自由切換，對溫控裝置的要求極高。為了模拟炎炎夏日，科研人員通過鍋爐向試驗室輸送高溫蒸汽，使室内溫度達到70℃，制造出“三溫暖天”的酷熱氣候；為營造“冰天雪地”的嚴寒氣候，試驗室内又安裝有多部制冷空調，可在24小時内将室溫降至-53℃。
此外，要想實作氣候的可控調節，試驗室的保溫與密封技術十分關鍵。門窗和通風系統的密封性與保溫性，直接影響到試驗室的能量消耗和環境模拟效果。
南韓一家氣候試驗室建造之初，曾發生過試驗室拉門氣體洩漏故障，直接影響到試驗室的建造程序。為解決這一難題，科研人員在門牆之間的縫隙處，使用熱追蹤法進行充氣式密封，并将傳統雙軌拉門設計為變軌運作、單軌排布，使得多扇大門關閉後形成同一平面，起到良好的密封保溫效果。
新戰機“鐵面考官”，模拟複雜極端環境
一款新戰機完成氣候試驗，需要耗時多久？
麥金利氣候試驗室給出答案：6個月。在這半年的試驗過程中，戰機将在高溫高壓、雨水浸泡、凍雲結冰等多種極端環境下接受性能測試。
作為新戰機的“鐵面考官”，氣候試驗室運用強大的資料模拟試驗能力，還原戰機飛行可能遇到的多種複雜極端環境。
目前，氣候試驗主要分為以下3種：
一是冷試驗。冷試驗是戰機形成初始作戰能力的一個關鍵步驟。氣候試驗室的制冷系統将超冷空氣引入試驗艙，打開凍雲結冰系統向戰機吹出時速高達190公裡的水蒸氣，形成厚度不同的“凍雲”，模拟高海拔雲層效果。
穿過“凍雲”的戰機，會瞬間被凍成“冰棍”。通過觀察戰機結冰過程，可以找出戰機哪些部位容易結冰、哪些部位可能受損，科研人員進而改進戰機防冰系統，提升極寒環境下作戰能力。2013年，歐洲新一代軍用運輸機A400M曾在瑞典飛機氣候試驗室進行了嚴苛的極寒氣候試驗，經過上百小時的“冰封”試驗合格後，才能拿到執行北極飛行任務的“許可證”。
二是熱試驗。冰雪融化後，戰機将進入熱試驗環節，試驗室内100多盞高能太陽燈會根據時段變換日照狀态。每盞太陽燈是單獨可控的，根據戰機傳感器發來的信号，自行調節溫度，確定戰機受熱均勻。
F-22戰機研制過程中，為真實還原熱帶地區戰機飛行情況，不僅戰機要接受“烈日”考驗，飛行員也要同步進入座艙，以檢驗戰機發動機高溫啟動狀态和座艙環境控制系統。
三是雨試驗。在經曆冷/熱試驗後，戰機将迎來淋雨與風暴試驗。科研人員會為試驗室加裝巨型“花灑”，制造出每小時350毫米的人工降雨，随後科研人員會啟動大型工業風扇，産生71公裡/小時的飽和風，模拟暴風雨等極端氣候。
此外，一些艦載機在試驗後期還會被送到海洋試驗室，置于10多米深海水中，接受海浪和鹽霧腐蝕等多重考驗。
高科技賦能，多種試驗實作精準“瘦身”
五代機作戰領域拓寬，氣候試驗耗費也随之水漲船高。國外相關資料顯示，五代機進入氣候試驗室後，一天試驗費用在20萬美元左右。
如何縮減戰機氣候試驗開支，科研人員進行了一系列有益探索，實作氣候試驗精準“瘦身”。
近年來，一些國家科研機構将計算機仿真、智能算法等技術引入氣候試驗室，推動氣候試驗不斷疊代更新。以F-22戰機為例，隻需經過3個月的氣候試驗即可獲得完備的環境測試資料，相比三代機動辄半年以上的氣候試驗，縮短了近一半時間。那麼，五代機氣候試驗有哪些步驟呢？
第一步是仿真計算。科研人員發現，很多故障問題往往在氣候試驗後期暴露，導緻試驗效率不高。通過仿真技術模拟極端氣候下戰機發生故障，科研人員可以預知各部件的承受力上限，為合理規劃戰機氣候試驗提供參考。
上世紀90年代初，美國國防部有關部門将仿真模組化研究寫入戰機發展計劃，研發出一整套仿真計算軟體，可快速找到氣候試驗中戰機的薄弱部件，大大提高了戰機氣候試驗效率。
第二步是分解試驗。如果整機氣候試驗失敗，科研人員将重新設計戰機，這可能會帶來一系列全新難題。是以，在整機氣候試驗前，對所有元件、子系統進行分解試驗非常重要。
目前，國際上普遍采用“積木式”驗證方法對戰機進行分解試驗，俄、英等國在上世紀90年代制訂了嚴格的操作規範，形成較為成熟的流程标準。科研人員将各小型部件放置在試驗箱内開展環境試驗，以提升整機試驗的成功率。
第三步是複合試驗。自然界中氣候環境複雜多變，而一座試驗室往往隻能模拟一到兩種氣候特征，消耗了大量的人力和時間。為提高氣候試驗效率，科研人員要對多個環境試驗進行整合。
近年來，麥金利氣候試驗室斥資打造了水溫、海上風浪等可自行調節的智能試驗室。該試驗室可以模拟多種複雜海上環境，加快戰機的腐蝕速度，幫助科研人員快速找到戰機設計缺陷。
室内項目完成後，戰機還要移到室外接受真實環境測試。試飛員将駕駛戰機飛往世界各地，在各種極端環境中完成多項飛行任務測試。當戰機通過全部測試環節後，才能最終傳遞部隊使用。
來源： 中國軍網-解放軍報