“萬能標(biāo)尺”精測戰(zhàn)機(jī)“五臟六腑”

海軍航空大學(xué)某大隊(duì)機(jī)務(wù)人員維修保障戰(zhàn)機(jī)。 趙鳳權(quán)攝

　　前不久，國外一家企業(yè)宣布，計(jì)劃在一款五代機(jī)上投入使用一種自主式裝配計(jì)量和無損檢測系統(tǒng)，用以精確測量戰(zhàn)機(jī)構(gòu)件的尺寸，并將檢測數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行比較，供設(shè)計(jì)人員參考。該企業(yè)介紹，如果這款系統(tǒng)得到推廣應(yīng)用，將大幅提升新戰(zhàn)機(jī)的研發(fā)生產(chǎn)效率。

　　在航空裝備制造領(lǐng)域，計(jì)量技術(shù)是戰(zhàn)機(jī)研發(fā)的重要基礎(chǔ)。無論是數(shù)字設(shè)計(jì)、精密制造還是維修保障，都需要計(jì)量技術(shù)的支持，它就像一把“萬能標(biāo)尺”，丈量著戰(zhàn)機(jī)各系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)，確保戰(zhàn)機(jī)飛行安全?？梢哉f，航空計(jì)量技術(shù)水平的高低，直接決定著航空裝備制造質(zhì)量。

　　自戰(zhàn)機(jī)誕生以來，世界航空強(qiáng)國就將航空計(jì)量作為重點(diǎn)領(lǐng)域進(jìn)行科研攻關(guān)，助力戰(zhàn)機(jī)不斷追求極限性能。那么，航空計(jì)量技術(shù)如何伴隨戰(zhàn)機(jī)迭代發(fā)展?航空計(jì)量又有哪些技術(shù)難點(diǎn)?本期，我們邀請(qǐng)空軍某裝備修理廠計(jì)量檢測中心高級(jí)工程師王莉?yàn)槟庾x。

　　航空計(jì)量，為戰(zhàn)機(jī)打造“鋼筋鐵骨”

　　2018年10月29日，一架從印尼首都雅加達(dá)飛往邦加檳港的波音737客機(jī)在太平洋上空失聯(lián)墜海。印尼國家運(yùn)輸安全委員會(huì)調(diào)查事故后發(fā)現(xiàn)，機(jī)務(wù)人員在修理迎角傳感器時(shí)違規(guī)操作，導(dǎo)致迎角測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差，最終釀成大禍。此事件一出，各家新聞媒體紛紛跟進(jìn)解讀，其中“航空計(jì)量”這個(gè)名詞被屢屢提及，受到很多航空專家的高度關(guān)注。

　　追溯歷史，早在100多年前，萊特公司在第一條飛機(jī)生產(chǎn)線上，制訂了整條產(chǎn)業(yè)鏈量值一致、測量過程受控、測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠的安全生產(chǎn)規(guī)定，該規(guī)定成為航空計(jì)量的“雛形”。

　　兩次世界大戰(zhàn)后，螺旋槳戰(zhàn)機(jī)被噴氣式戰(zhàn)機(jī)取代，復(fù)雜精密的飛機(jī)系統(tǒng)助推了航空計(jì)量的快速發(fā)展。

　　然而，既要追求戰(zhàn)機(jī)的高性能，又要精確測量戰(zhàn)機(jī)性能數(shù)據(jù)并不是一件容易事?，F(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的熱力機(jī)械系統(tǒng)，在戰(zhàn)機(jī)研發(fā)生產(chǎn)過程中，航空計(jì)量要集中解決3道難題：

　　一是耐高溫。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，渦前溫度可達(dá)到1500℃，溫度傳感器必須經(jīng)得起高溫炙烤，還要確保測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。早期，航空設(shè)計(jì)師會(huì)通過水冷和氣冷兩種方式為傳感器降溫，但收效甚微。

　　20世紀(jì)80年代，國外一家公司選用耐高溫的銥銠材料為傳感器打造“金鐘罩”，使其在非水冷條件下經(jīng)得起1700℃的高溫烘烤;英、法等國軍工企業(yè)還發(fā)明了光纖測溫、波譜測量等技術(shù)，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行“隔空診脈”，從而獲得真實(shí)可靠數(shù)據(jù)。

　　二是抗振動(dòng)。眾所周知，振動(dòng)是戰(zhàn)機(jī)承力部件的“頭號(hào)殺手”。在戰(zhàn)機(jī)研發(fā)階段，除了肉眼可以發(fā)現(xiàn)的裂紋，不少構(gòu)件故障極具隱蔽性，通過強(qiáng)拆手段查找設(shè)計(jì)缺陷效率低下，且數(shù)據(jù)結(jié)果并不準(zhǔn)確。

　　此路不通，必須另辟蹊徑。一些設(shè)計(jì)師巧妙地研究材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常而引起的熱、聲、光等反應(yīng)變化，成功研發(fā)出內(nèi)部缺陷檢測設(shè)備。國外某公司使用高度敏感的紅外攝像機(jī)來檢測飛行器復(fù)合材料，通過計(jì)量熱量差異，識(shí)別蒙皮下的斷層區(qū)域。這種檢測設(shè)備如同一副“透視眼鏡”，讓問題隱患“無處遁形”。

　　三是數(shù)據(jù)多。戰(zhàn)機(jī)進(jìn)入生產(chǎn)環(huán)節(jié)，精確處理海量數(shù)據(jù)能力決定著精密制造水平。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造為例，葉片測量參數(shù)多，自動(dòng)化生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)采集速度達(dá)到每秒上萬個(gè)，數(shù)據(jù)處理能力關(guān)系到戰(zhàn)機(jī)的生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

　　為提高對(duì)整體葉盤葉片的檢測效率，英國雷尼紹公司開發(fā)了一種高速掃描系統(tǒng)，每秒可以采集上千個(gè)3D數(shù)據(jù)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的機(jī)內(nèi)測量技術(shù)相比，高速掃描系統(tǒng)不僅可以縮短測量時(shí)間，還能夠?qū)θ~片前邊緣進(jìn)行精準(zhǔn)測量，葉片成品率持續(xù)攀升。

　　事實(shí)上，戰(zhàn)機(jī)的關(guān)鍵零部件生產(chǎn)總裝是一個(gè)串聯(lián)過程，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不合格。近年來，數(shù)字化測量被廣泛應(yīng)用于工裝制造、零件檢驗(yàn)、戰(zhàn)機(jī)組件掃描分析和逆向建模等航空制造領(lǐng)域，為戰(zhàn)機(jī)打造“鋼筋鐵骨”。

　　檢查診斷，守護(hù)戰(zhàn)機(jī)健康的“數(shù)據(jù)醫(yī)生”

　　一款新型戰(zhàn)機(jī)的研發(fā)技術(shù)再先進(jìn)、設(shè)計(jì)圖紙?jiān)偻昝?、試?yàn)再成功，能不能持續(xù)發(fā)揮出戰(zhàn)斗力，還要看戰(zhàn)機(jī)的維修保障技術(shù)能力。

　　以印度空軍為例：過去40年墜毀戰(zhàn)機(jī)高達(dá)上千架。其中一個(gè)重要原因是印度空軍后勤保障能力不足，很多機(jī)型設(shè)備缺乏配套的計(jì)量檢測儀器，戰(zhàn)機(jī)常?！皫Р　憋w行，導(dǎo)致故障率居高不下。

　　20世紀(jì)90年代，隨著戰(zhàn)機(jī)向著多用途方向發(fā)展，機(jī)載電子設(shè)備數(shù)量成倍增加，但戰(zhàn)機(jī)的可靠性反而降低。電子操縱系統(tǒng)時(shí)常會(huì)出現(xiàn)誤判等錯(cuò)情，因此更加依賴數(shù)據(jù)監(jiān)測的準(zhǔn)確可靠。

　　為此，航空計(jì)量作為戰(zhàn)機(jī)的“數(shù)據(jù)醫(yī)生”，采取了一系列措施來保證戰(zhàn)機(jī)的可靠性——

　　為維修設(shè)備繪制“心電圖”。要想維修一架戰(zhàn)機(jī)，首先需要有一套完好的維修設(shè)備，而航空計(jì)量是保證維修設(shè)備精準(zhǔn)有效的關(guān)鍵。針對(duì)電子測試設(shè)備，工程師通常會(huì)輸入模擬信號(hào)、計(jì)量設(shè)備的反饋信號(hào)，就可以繪制出受檢設(shè)備的“心電圖”，設(shè)備的健康狀況一目了然。

　　用“聽診器”發(fā)現(xiàn)故障征候。任何故障發(fā)生前，都是有跡可循的，越早發(fā)現(xiàn)故障越有利于戰(zhàn)機(jī)飛行安全。維修人員除了觀察戰(zhàn)機(jī)的各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)外，還會(huì)通過振動(dòng)、溫度等參數(shù)變化剖析故障問題，甚至將計(jì)量檢測系統(tǒng)搭載到戰(zhàn)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)試車平臺(tái)上，像“聽診器”一樣對(duì)戰(zhàn)機(jī)“心臟”進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，反饋異常信號(hào)。

　　為返修戰(zhàn)機(jī)“做體檢”。維修人員作為戰(zhàn)機(jī)的“數(shù)據(jù)醫(yī)生”，會(huì)按照“一機(jī)一狀態(tài)”要求，對(duì)整機(jī)性能和狀態(tài)開展評(píng)估。檢驗(yàn)時(shí)，維修人員將健康評(píng)估模型植入監(jiān)測傳感設(shè)備，通過監(jiān)測潤滑油成分、主軸軸承噪聲等多項(xiàng)數(shù)據(jù)，為戰(zhàn)機(jī)“驗(yàn)血”“把脈”，發(fā)現(xiàn)并及時(shí)排除戰(zhàn)機(jī)故障問題。

　　計(jì)量先行，撬動(dòng)裝備研發(fā)的“杠桿”

　　計(jì)量界有這樣一句話：“只有測量出來，才能制造出來。”每款武器裝備的迭代升級(jí)，都離不開計(jì)量技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步。

　　去年，美國海軍向國會(huì)提交的2022年預(yù)算草案沒有關(guān)于電磁炮的開支。自2005年以來，這項(xiàng)開支每年都會(huì)出現(xiàn)在海軍“未來研發(fā)項(xiàng)目”的清單中。美國海軍官方表示，電磁炮項(xiàng)目將被凍結(jié)，所有研發(fā)內(nèi)容將被記錄并封存。這意味著，這個(gè)花費(fèi)5億多美元的項(xiàng)目被迫叫停。

　　其實(shí)，這樣的結(jié)局并不意外。早在之前的試制過程中，電磁炮在180公里極限射程時(shí)，誤差高達(dá)100米以上，根本無法命中目標(biāo)。高強(qiáng)度電磁脈沖的計(jì)量校準(zhǔn)技術(shù)難度很大，美國海軍不得不將這個(gè)項(xiàng)目無限期擱置。

　　“工欲善其事，必先利其器?！庇?jì)量技術(shù)是支撐武器裝備研發(fā)和作戰(zhàn)使用的重要基礎(chǔ)，被喻為技術(shù)創(chuàng)新的“種子”。航空航天、精確制導(dǎo)、電磁對(duì)抗、通信導(dǎo)航等領(lǐng)域都需要計(jì)量技術(shù)的支持。

　　俄羅斯十分重視計(jì)量技術(shù)的積累和研發(fā)，在時(shí)間計(jì)量方面多次取得技術(shù)突破，衍生出的先進(jìn)制導(dǎo)技術(shù)，擦亮了戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的“眼睛”。在打擊敘利亞“ISIS”目標(biāo)時(shí)，俄羅斯“口徑”導(dǎo)彈穿越上千公里，打擊精度在10米以內(nèi)，展現(xiàn)出優(yōu)異的精確打擊能力。

　　近年來，量子技術(shù)在計(jì)量領(lǐng)域快速興起，其單量子水平的極限探測、精準(zhǔn)操縱和極限運(yùn)用，是傳統(tǒng)物理計(jì)量精度的上百倍。由此發(fā)展而來的量子慣性導(dǎo)航，具有高精度和高靈敏度優(yōu)勢(shì)，有效解決了GPS導(dǎo)航精度隨時(shí)間推移而降低的問題。

　　2016年，英國皇家海軍在測試潛艇時(shí)發(fā)現(xiàn)，量子導(dǎo)航系統(tǒng)精度在24小時(shí)內(nèi)的定位誤差僅有1米。不僅是水下，地下和建筑群里等導(dǎo)航衛(wèi)星難以探測到的地方，量子慣性導(dǎo)航同樣可以發(fā)揮作用。通過使用量子重力儀或磁力儀對(duì)該區(qū)域的磁場進(jìn)行精確測量，導(dǎo)航精度可以精確到厘米級(jí)。有人預(yù)言，量子計(jì)量的發(fā)展將對(duì)軍事應(yīng)用帶來革命性影響。

　　此外，在聯(lián)合作戰(zhàn)方面，無人作戰(zhàn)系統(tǒng)和空天一體化作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)的建立，需要時(shí)間計(jì)量的高精度同步。世界上多個(gè)國家的研究機(jī)構(gòu)都在開展高性能計(jì)量設(shè)備的小型化、工程化研究。原子鐘、量子接收機(jī)等高精度計(jì)量設(shè)備日趨成熟，將成為衛(wèi)星、戰(zhàn)機(jī)、導(dǎo)彈、地面雷達(dá)等裝備“最強(qiáng)大腦”的重要組成部件。

　　未來，計(jì)量技術(shù)會(huì)向著系統(tǒng)化、綜合化、多參數(shù)化的方向發(fā)展，以適應(yīng)武器裝備的信息化、體系化需要?？梢灶A(yù)見，隨著裝備更新?lián)Q代速度加快，新型計(jì)量設(shè)備將不斷問世，測量范圍越來越廣，技術(shù)指標(biāo)越來越高，計(jì)量技術(shù)越來越先進(jìn)。