试飞,被喻为“驾驶一辆不知性能的车在悬崖上高速行驶”,因其危险性、艰巨性,又被喻为“刀尖上的舞蹈”,是民机研制的最后一环,也是一款新机型取得型号合格证前的最重要环节。一般而言,民机试飞可以分为飞机制造商的研制试飞和适航当局的合格审定试飞两个阶段。在研制试飞中,制造商对飞机进行调整性试飞,以验证新机的各项设计性能,而在合格审定试飞中,试飞员则必须在适航当局的监控下严格按照适航规章逐条进行适航验证试飞。
设计师在设计一款新机型时,既要考虑如何采用新技术,赋予新机型以超越前人的性能,又不能把安全余量留得太大,以便减轻重量,降低生产和使用成本。因此,虽然设计师在设计中根据经验和理论进行了大量的逻辑演算、模拟试验,但一款新机型总装完成后,其性能究竟如何,有一个多大的飞行包线,设计师们也并没有十足的把握加以界定。这时,就需要试飞员上场了。
试飞的危险主要来自于两方面:一是设计有误,飞机性能达不到设计目标,使飞机在试飞中出现危险;二是为了确定安全边界,试飞必须飞到新机的飞行包线以外,而越接近安全边界,其安全余量就越小,处置时间就越短,一旦碰到问题,处置起来就越困难。正因为此,在航空技术还不是很成熟的上世纪50年代,平均一周就有一名试飞员在试飞中丧生,但60年代后,随着航空技术的成熟、地面试验水平的提升以及模拟试验的导入,试飞的危险性已大幅降低。
愈加深入的国际合作
作为民机研制的一个环节,试飞与飞机的发明几乎同时诞生。1903年12月17日,莱特兄弟驾驶他们制造的“飞行者1号”进行的人类首次持续的、有动力的、可操纵的飞行,就是一次试飞。之后,欧洲和美国的航空爱好者们制造了各式各样的飞机进行飞行。
“今天,我们能记得的是首次横跨美国大陆的飞行,首次飞越大西洋的飞行,我们记得的是那些英雄们,但实际上,有更多的飞行是失败的,飞机掉下来,飞行员受伤或丧生,同时也给地面的人或财产造成损失。”在11月10日举行的首届国际民机试飞论坛上,ARJ21-700飞机首席试飞员、试飞院副院长赵鹏坦言,在当时的环境下,人们将飞行员视为冒险爱好者,对其受伤或丧生没有太多的同情,但对地面的人员或财产损失不能容忍,于是敦促政府对新飞机进行强制性试飞验证。1910年代,一战中的英国皇家航空研究院首开试飞取证的先河,到1920年代,美国的航空咨询委员会(NACA,NASA的前身)也加入进来,并进一步推动了试飞的发展。
二战以后,波音707作为第一款取得商业成功的喷气式客机,其试飞取证工作起始于1957年12月,结束于1958年9月,共费时10个月。此后,民机研制越来越复杂,试飞条目也越来越多,花费的时间也越来越长。一般而言,在投入4~5架试验机的情况下,一款新机型的试飞都须花费10~18个月,累计飞行时间达1600~2000个小时。但是,巨无霸A380的累计试飞时间高达2900个小时,而波音787更是达到4800个小时。
中国商飞公司总飞行师钱进认为,在民机制造已经全球化的今天,民机试飞工作也应与全球伙伴携手应对,“民机试飞是一项系统工程,需要多方努力共同完成。当今世界各家航空企业都是采用合作方式,充分利用各方资源,完成型号试飞任务。”
以巨无霸A380的试飞为例,我们可以看到其试飞的足迹遍布全球。2006年1月,MSN004号A380原型机在海拔2133米的哥伦比亚麦德林市完成高海拔试验;2006年2月,这架飞机又在加拿大北部的伊基克市完成4天4夜低温环境试验;2006年7月,MSN004号原型机来到气温高达46度的阿布扎比进行高温环境试验;2006年11月,MSN004号原型机来到冰岛进行了有侧风条件下的起降试验;2007年1月,MSN002号原型机又来到伊基克,进行进一步的低温环境试验;至于全球航线飞行,MSN002号原型机在包括全球十大主要枢纽机场在内的航线上进行了300小时的试验飞行,涵盖了全球主要的地理、气候条件。
钱进认为,民机试飞作为民机研制的最后一个阶段,具有周期短、时间紧、科目复杂、技术难度高等特点,需要机场、空域、设备、设施和专业的试飞员队伍等来保障,进行民机试飞合作是更好地利用试飞资源、降低试飞风险、提高试飞效率、实现多方共赢的有效途径,“实践证明,只有深化国际合作,充分发挥各方优势,风险共担,利益共享,才能推进民机试飞事业不断发展,实现共赢。”
中国民机试飞的进展
民机制造强国在试飞中需要与全球伙伴合作,作为民机制造后起之秀的中国,在试飞中就更需要与国外的合作了。在上述论坛上,赵鹏提到哈飞就Y12飞机与美国洛克希德公司之间的合作。
Y12是哈飞研制的轻型多用途飞机,也是我国首款按照美国联邦航空局FAR23部和135部附录A的要求,通过国际合作进行型号合格审定的飞机。但是,当时中国的民机制造商和中国民航局适航司对适航规章、试飞的理解不够,于是,中方主动与洛克希德合作,把FAR23部一条一条地熟悉,并最后建立起了我们自己的CCAR25部。
在Y12之后,1987年,陕西飞机公司又与洛克希德合作,进行了Y8失速试飞和部分操作稳定性科目试飞。1991年,在洛克希德公司专家的指导下,我国试飞员和试飞工程师严格按照CCAR25部的要求,完成了Y7的失速速度和失速特性试飞。1993年,中方与俄罗斯飞行研究院合作,对Y7-H500型飞机和Y7-200B型飞机进行了型号合格审定试飞。最终,Y7-H500型飞机获得了中国民航局颁发的型号合格证。1995年,中方与美国合作,首次完成了Y7-200A型飞机颤振试飞。
赵鹏说,中国大飞机的研制始于1970年8月,起步虽然不算晚,但由于包括运10在内的诸多型号半途而废,今天与民机制造强国的差距已经很大,特别是在试飞领域,不过,通过与国外的合作,中国正在迎头赶上,“比如最近刚刚成功完成的最大刹车能量中止起飞试验,要求把刹车盘更换为磨损剩余量仅为10%的刹车盘,要求即使机轮起火,在5分钟之内也不能采取任何行动,过去,我们对这些理解不透,但是今天,这一切都是有章可寻的。从23部到25部,我们已经建立了一支可靠的队伍。”
正是在这支队伍的保障下,中国首款完全按照国际适航标准研制的涡扇喷气支线客机ARJ21-700飞机,自2008年11月28日首飞成功后,开始接受中国民用航空局(CAAC)的审查和美国联邦航空局(FAA)的“影子审查”。截至目前,试飞工作取得了重大进展,先后完成了颤振、失速、最小离地速度、自然结冰、大侧风、高原、高寒、高温高湿等关键科目试飞,累计安全试飞2700多架次,5000多个小时,积累了大量实践经验。
“787设计定型时累计试飞时间达4800小时,创造了世界纪录,现在,我们的ARJ21-700飞机铁定打破了这个纪录,你说这是好事还是坏事?要叫我说,这不是好事也不是坏事,这是必须干的事!”赵鹏说,“中国商飞公司成立才6年,我们用6年去跨越波音公司百年的技术积淀,步子迈得是有点大,步子迈大了,自然有点艰难。”