勇于担当
1972年,601所开始研究搞歼6后继机的问题,除了气动布局进行选型研究外,主要是选用什么发动机的问题,先提出选用英国罗·罗公司的斯贝发动机,但经过了解其高空高速性能差,不能用做歼6后继机的动力(虽然后来中央决定引进贝斯发动机)。因空军要求歼6后继机的性能要接近美国F-16战斗机的水平,后来又提出采用两台811丙发动机或一台910发动机方案,到1980年后又决定采用苏联米格-23的涡喷15发动机作为歼6后继机的动力。
1.边条翼布局原理研究
在顾总及601所有关同志与606所、空军及三机部热火朝天论证用什么发动机时,顾总在1974年底让气动室研究边条翼布局方案。所谓边条翼布局就是在中等后掠角(30度~45度)、中等展弦比(2.5~3.5)的基本机翼内侧加一个向前延伸的大后掠角(60度~70度)尖前缘的边条。这种布局较常规布局优越之处是这种大后掠尖前缘边条在较大迎角时可产生一个很强的脱体涡,除这个涡本身具有高的升力增量外,它还能控制和改善基本机翼的外翼分离流动,从而也提高了基本机翼对升力的贡献。这是一种新形气动布局形式,可使飞机在大迎角时具有高的机动性,美苏已在F-16、米格-29等飞机上应用。当时,室里决定由李天、程映雪、何辅攸等人组成课题组开展研究。此时北航流体所的刘谋佶教授、忻鼎定教授,以及邱成昊、吕志脉等人也在研究边条翼问题,经室里及顾总同意,决定与北航合作共同研究边条翼布局的流动机理、流态分析并在其低速G3风洞进行测力测压试验。李天负责方案设计,通过理论计算和分析,他选取了两种基本翼(后掠角为30度和40度),十多种边条翼方案,包括长、短、宽、窄……直线形,拱形和S形等不同面积和平面形状的边条。所里车间加工好模型后于1975年4月去北航,由于北航当时的招待所较小,气动室技术人员及车间工人去的较多,招待所安排不下,大家就住在学生宿舍。在学生食堂吃饭,条件较艰苦,但大家不计较这些,每天加班加点地工作,除了参加试验,画试验曲线分析数据,每隔两三天还与北航老师共同讨论试验中的问题,大家畅所欲言,对边条翼布局特点有了较深刻的认识。在这期间,李天曾回所向顾总汇报进展情况,并得到他的指示,他要求要细致地研究,争取得出参数影响规律,为今后型号应用提供方向。根据试验情况,又补充加工了几种新方案,使该研究做得更全面。通过近两年的研究,基本掌握了边条翼布局的特点及边条的作用,包括如何产生高的涡升力,减少配平阻力,降低抖振强度及改善横航向特性等优点,也发现了边条翼的不足及在设计中应注意的问题。为在新歼布局中选用边条翼布局打下了坚实的理论基础。
两院院士顾诵芬回忆说:“搞歼13,搞边条翼,李天在北航做了大量试验。他出了不少力,北航发表的成果论文,里面也有李天的贡献,这项研究成果开拓了我国边条翼设计的先河。”
2.新歼布局研究
新歼的方案研究始于1972年,经过发动机的选型及布局初步研究,中国人民解放军总装备部(简称总装备部)于1976年批准了空军提出的歼6后继机的战术技术要求,三机部将新歼正式取名为歼13飞机,由601所进行研制。在方案研究初期,通过计算和风洞试验比较发现,无尾布局方案很难满足高亚声速机动格斗性能及短距起落要求;可变后掠机翼布局方案虽然能解决高、低速气动特性矛盾,但由于转轴机构使结构付出的重量代价太大,机构复杂也不易采用;鸭式布局方案虽然有较好的机动性能,但机翼与前翼之间的位置关系,参数匹配需要大量的计算和风洞试验才能确定,且大迎角俯仰力矩不易控制,因此也未选用。而边条翼已经有了一定的基础研究,设计方法也初步掌握,因此所里决定选用带边条的有尾正常式布局形式作为歼13的方案。
1975—1981年,气动室在顾诵芬总师及方宝瑞副主任领导下曾对6种基本机翼,2种机翼位置,20种边条,8种前缘襟翼,5种垂尾、6种平尾(直、斜轴)及腹部与两侧两种进气形式的多种组合方案进行了计算分析及经过1万多次的高、低速风洞试验,最终选出了一种较好的边条翼布局方案。
1982年初,李天由导数组长升任气动室副主任,主管气动布局设计、性能计算、风洞试验、操纵稳定性分析及数值计算等专业,主抓歼13飞机的气动布局设计工作。根据1982年4月在北京召开的新歼“06会议”精神,他领导气动室对原歼13方案采用涡喷15发动机重新修改了气动布局,除机身按面积律修型外,又新选了2种边条,2种前缘机动襟翼及后缘襟副翼,3种座舱盖及2种腹鳍以及减速板和各种外挂物,加工了高、低模型,在高、低速风洞进行了基本气动特性及低速大迎角纵横向气动特性试验,总计吹风近1500次,使该方案更加完善,满足了空军的指标要求。
虽然601所在歼13飞机布局方案上做了很多工作,基础比较扎实,也进行过方案评审,但最后国防科工委让601所设计歼8Ⅱ。新歼由611负责。601所做的大量新歼工作进了档案室,算是技术积累和锻炼设计队伍吧。李天院士认为工作不会白做,只要努力工作就有收获。不断积累新机研制的经验教训,不断增加新机设计知识,这对他后来勇于担当多种预研课题的牵头人,为新一代战机的预研打下了牢固的基础。
雄鹰展翅
苏-27飞机是俄罗斯苏霍伊设计局在20世纪70年代设计研制的主要用于争夺制空权的双发重型长续航能力的制空战斗机,其主要作战对象是美国当时全力以赴研制的空中优势战斗机F-15。苏-27CK飞机采用翼身融合机体,作为前缘边条的整流段使机身外侧的外翼融合成一个完整的升力面,巡航或高速飞行时,由外翼提供升力,在近距格斗时,充分利用边条涡提供高机动升力。飞机的发动机АЛ31Ф具有良好的加速性,在3~4秒内可使推力从低速平飞推力,达到最大加力推力,进气道具有较大的喘振裕度,可保证发动机在恶劣条件下正常工作。飞机采用放宽纵向静安定性的主动控制技术,允许飞机在静不安定条件下飞行。苏-27飞机优异的大迎角操稳性能和良好的发动机、进气道共同工作特性,典型地体现在“普加乔夫眼睛蛇”机动动作中,飞机快速拉到迎角为110度~
120度时,仍能保持发动机稳定工作和恢复可操作状态。飞机的续航时间可达5小时,可远离基地截击入侵敌机,也可深入敌后进行攻击。飞机装有大功率脉冲多普勒雷达,探测距离可达100千米,并能与光电雷达和头盔瞄准具,构成三位一体的目标探测系统,使飞机在远距和近距条件下实现上视上射,下视下射的全向攻击能力。全机具有10个外挂点,主要攻击武器为中距拦射弹和近距格斗弹,配有一门ГШ-30航炮,具有一定的对地攻击能力。飞机在结构设计中采用了先进的强度规范,并大量采用钛合金、高强铝合金等航空材料,工艺方面广泛应用钛合金焊接技术和各种加工成形工艺,达到加工精度和粗糙度要求,飞机具有较高的结构效率。
苏-27飞机是一种先进的第三代战斗机,它的引进和建线生产对提高我国的航空工业水平具有重大意义,使我国战斗机研制升级跨代迈出了重要的一步。
1993年初,上级决定引进苏-27飞机生产线,经过谈判,卖给中国生产图样,设计资料一概不卖,为了掌握苏-27的气动设计思想和气动特性,李天副总师组织和领导气动室的设计人员进行摸透工作。首先根据生产图样由外形反推出全机理论外形及各翼面翼型,苏-27是边条翼融合体布局,是一个升力体下吊挂两个发动机,在气动设计上堪称追求完美的典型。由于双发动机之间间距大,在高速风洞中用一个天平杆很难支撑模型。他向气动院提出加工音叉式双杆天平,难度比较大,而用单天平杆只能在后机身加大鼓舱,如何进行支架干扰修正至关重要。他领导气动室赵霞、王永恩等与气动院的同志一起研究出如何扣除加粗支架对气动影响的修正方法,这必然增加了试验工作量,但为了摸清问题,只能如此。俄罗斯做苏-27低速风洞试验时是用张线支撑模型,没有支杆干扰问题。为了完成低速试验,李天要求气动院设计加工张线天平,这在国内也是首次,气动院在郝卫东副院长的带领下,加工出了张线天平,为获得准确的苏-27气动特性做出了重要贡献。后来气动院(哈尔滨)还设计和加工了旋转天平测出苏-27的动导数。为了保证风洞试验数据的可靠,除在气动院做试验,还到29基地及国外的风洞做对比试验,对试验结果采用李天建立的从风洞试验数据修正到试飞数据的相关性方法进行修正后,与我国自己试飞苏-27测得的气动特性基本一致。从而掌握了苏-27的气动特性,为结构强度设计、操纵品质和飞行性能分析提供了可靠的气动数据。为自行设计新型号提供了设计方法。
在苏-27低速大迎角风洞试验中,李天发现迎角在40度左右飞机横航向特性出现不安定现象,这是40度~45度后掠翼的特有现象,但为什么苏-27可以做快速俯仰到120度的眼镜蛇机动呢?为了摸清这个问题,他提出请气动院研究一种可以做快速俯仰120度的动态试验机构,研究苏-27在这种运动状态时的气动特性,这在国内也是首次做出这种机构和试验,研究由气动院总师范洁川及唐敏忠博士领导的课题组完成。试验发现,当边条翼布局飞机做快速大迎角俯仰运动时,机翼产生一个很大的不定常的升力增量,使飞机运动到90度以上,当飞机向下运动时其升力增量为负值,使飞机自动低头恢复到原来状态,这个过程只有3~5秒中,这种动态过程飞机横航向是安定的。但如果把飞机慢慢拉到40度左右,这时横侧静不安定出现了,飞机会失控。因此苏-27在常规操作时,迎角限制到30度为止,不能再大了,而动态时可拉到90度~120度。摸透这个机理,对后来设计背景机有很大的参考作用。要保持飞机在60度迎角以内可控,必须保证在此迎角范围内,纵横向特性都是安定的。这就为背景机的气动布局和总体设计打下基础。
从引进苏-27飞机组装到歼11飞机的研发成功,体现了我国坚持独立自主、创新发展的基本思想,实现了我国航空工业技术发展的飞跃。雄鹰展翅,歼11研发成功壮大了我军的防卫力量,这里也记下了李天院士为航空事业所做的贡献。