“燒烤”F-35,“冰凍”F-22,看看戰機世界氣候測試實驗室的老大

“無論變幻無常雨雪和酷熱,還是漫漫長夜帶來的黑暗,都無法阻止這些信使迅速地完成他們的任務”,古希臘歷史學家希羅多德這句名言多年來一直被美國郵政奉為圭臬。

但是除了“黑夜”以外,這句話也可能概括了美國弗羅裡達一個“獨一無二”的測試中心發生的一切。

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圖1:美國麥金利氣候實驗室主測試室門口標示最低/最高測試溫度(華氏度)

美國創立氣候測試實驗室的背景

氣候環境長久以來對於人類的影響是無處不在的,這一點在二戰時期深刻作用在武器裝備上。1942-1943年的冬季,極寒氣溫(0℃以下就會受影響)造成德國空軍的飛機無法起飛,而美國陸軍航空隊的飛機在阿拉斯加也遭受著同樣的困擾,這讓美軍清楚的意識到寒冷測試在武器裝備(尤其是航空裝備)研製過程中是十分必要的,必須探索並找到可靠的測試方法。

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1958年,17架洛克希德YF-104戰鬥機進行氣候測試,這是其中一架

1943年9月9日,低溫測試項目研究任務被正式下達給陸軍航空隊試驗場司令部,該司令部位於埃格林機場,並撥款550萬美元用於場地建設。當時阿什利·麥金利陸軍中校認為建造一個環境溫度受控的實驗室進行測試,要比在寒冷地區野外測試取得的效果會好得多,就像為飛機建造一個巨型冰櫃那樣。項目進展的很快,1944年5月氣候實驗室建造完工。隨後,美軍所屬的 B-29、P51、P38 等飛機相繼在麥金利實驗室進行低溫測試,獲得巨大成功。由於麥金利在實驗室的設計和建設過程發揮了重大作用,在1970年氣候實驗室改名為“麥金利氣候實驗室”。

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1956年,一架C-130A戰術運輸機即將進入氣候測試實驗室接受檢測

麥金利氣候實驗室最重要的設施就是主實驗室了。當時,主實驗室的建造標準是能夠同時測試兩架轟炸機。到了1960年以後,主實驗室的規模已經不能滿足大型飛機的測試了,於是主實驗室就開始進行擴建以滿足大型飛機的測試需求。1997年,實驗室再次進行全面翻新,主實驗室的溫度可以控制在-65~+165華氏度(約-53~+74℃),幾乎可以模擬武器裝備可能遇到各種極端氣候溫度條件

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進行結冰測試的B-1戰略轟炸機

製冷方面,由主實驗室的三臺大型製冷機控制,每臺各有高、低兩級離心式壓縮機,分別由 1250 馬力和1000 馬力電機帶動,總製冷能力為 12000 冷噸,可在 24 小時內將主實驗室的溫度從外界溫度降至零下53℃。加熱方面,調控室可通過兩臺鍋爐提升溫度,每臺鍋爐每小時能產生 25000 磅蒸汽。主實驗室從外界環境溫度上升至74℃,最長只需約8 小時。

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麥金利實驗室的控制觀察室,窗外是一架測試中的戰略運輸機

主實驗室機庫外有巨大的溫度計來顯示內部的實際溫度,但是由於實驗室的牆壁和天花板使用了大量隔熱材料,即使機庫內的試驗溫度低於零下40℃,也不會對機庫外面或者其他控制室產生影響。美國任何主要武器設備都需要運載埃格林空軍基地的麥金利實驗室來進行環境測試,F-35隱身戰機也在這裡接受了結冰、高溫、浸水、除雪、吹風、噴霧、加溼等各種嚴苛測試

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2002年,F-22“猛禽”隱身戰鬥機在麥金利氣候實驗室經受了極端天氣的考驗,照片為溼度測試

戰鬥機氣候測試的準備工作

麥金利測試過“最新鮮”有人戰鬥機非F-35“閃電II”莫屬了。測試前,洛克希德·馬丁公司將F-35的測試飛機“BF-5”從馬里蘭州飛到佛羅里達州的埃格林空軍基地,為氣候室測試做準備。飛機到達後,被安置在實驗室的76米寬,61米深,21米高的主測試室

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被安置在主測試室,準備接受氣候測試的F-35戰機

為了適應F-35B戰機的三軸承偏轉發動機噴嘴和升降風扇系統,實驗室設計了一個3.8米高的約束、支撐結構,並與通風管道系統安裝在一起。該結構能夠保護F-35B,在常規和短距起飛/垂直降落(STOVL)模式下都能以高功率模式運行。

通常我們只能看到飛機覆蓋冰雪或者接受“炙烤”的靜態照片,但實際上氣候測試是高度動態的,測試時駕駛員在駕駛艙內,維護或機組人員在其他單元內,飛機的操作系統和發動機運行。麥金利是世界上為數不多的可在封閉機庫內對噴氣式飛機進行測試的實驗室,為了讓飛機發動機正常運轉,必須有管道設施保證空氣進入和廢氣排出,進排氣系統中的空氣被控制在不影響溫度測試的程度。試驗飛機發動機用的進氣空氣儲存在機庫外一個巨型儲氣罐中,可以提供23000m³/min的預先調節冷空氣或熱空氣。

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福特汽車在麥金利實驗室接收極端氣候測試

氣溫測試的過程

測試準備工作完成,飛行員和負責人將首先環視檢查飛機,然後飛行員進入座艙,啟動發動機並在實驗室模擬的各種天氣條件下操作飛機的各個系統。一般,飛機會經歷一系列極端氣候檢驗,各別試驗會從零下40℃的極低氣溫開始,讓飛機逐漸經歷低溫、冰雨、冰雨等各種結冰條件檢驗;結冰測試結束後,待冰雪融化、雨水經排水系統排出到固定廢水收集池,會進行高溫測試。

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正在進行低溫結冰測試的F-35戰機,注意機頭位置的結冰狀況

高溫測試,先從較為舒適的26℃開始,在飛機發動機運轉、機載系統運行的情況下逐漸將環境溫度升高到49℃,隨後將環境溫度降低並保持在41℃,相對溼度78%,溼度58%,開始觀察檢測飛機內部凝結水的情況。

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F-35戰機正在接收高溫測試,飛機各系統在環境不斷升高的環境中運轉

當年F-35在進行完高溫測試後,還經歷了淋雨和吹風測試,實驗室安裝一套框架噴淋系統,用來模擬降雨淋溼飛機。淋雨測試時,F-35被置於模擬30~80mm/小時的降雨中(降雨量16mm/小時,就屬於暴雨)。待飛機經歷了穩定的降雨測試後,還將依靠設置在飛機四周的噴射管,以70公里/小時的風速向飛機噴射氣流,結合降雨設施提供的暴雨,將測試飛機置於熱帶風暴環境中,以檢測飛機的各項性能指標和可靠性。

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接受冰雲測試時的F-35


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可以看到F-35測試時,製冷空氣設施噴口

綜上,我們可以看出一型飛機研製完畢後,所需經歷的各種測試並不簡單,類似麥金利氣候實驗室這樣的設施,可以被稱為寶貴的國家科研資源。同其他工程設施一樣,麥金利存在的意義也在於其實用性,如果沒有麥金利這種規模的氣候實驗室,一型飛機想要完成各種嚴苛環境測試,需要花費數年時間去取得測試數據(要等待自然天氣合適、或者到高原、沙漠、極低去測試),而同樣的事情在麥金利僅需幾個月就能完成。

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空客A350客機也在麥金利進行過氣候測試,地面寫下了測試時的溫度


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C-5M“銀河”戰略運輸機,在換裝新型發動機後於2008年重返麥金利進行氣溫測試,照片為高溫測試


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