“万能标尺”精测战机“五脏六腑”

  

  前不久，国外一家公司宣布，计划在一款五代机上投入到正常的使用中一种自主式装配计量和无损检测系统，用以精确测量战机构件的尺寸，并将检验测试的数据与设计模型作比较，供设计人员参考。该企业介绍，如果这款系统得到推广应用，将大幅度的提高新战机的研发生产效率。

  在航空装备制造领域，计量技术是战机研发的重要基础。无论是数字设计、精密制造还是维修保障，都需要计量技术的支持，它就像一把“万能标尺”，丈量着战机各系统技术指标，确保战机飞行安全。可以说，航空计量技术水平的高低，直接决定着航空装备制造质量。

  自战机诞生以来，世界航空强国就将航空计量作为重点领域进行科研攻关，助力战机不断追求极限性能。那么，航空计量技术如何伴随战机迭代发展？航空计量又有哪些技术难点？本期，我们邀请空军某装备修理厂计量检验测试中心高级工程师王莉为您解读。

  2018年10月29日，一架从印尼首都雅加达飞往邦加槟港的波音737客机在太平洋上空失联坠海。印尼国家运输安全委员会调查事故后发现，机务人员在修理迎角传感器时违规操作，导致迎角测量数据产生误差，最终酿成大祸。此事件一出，各家新闻媒体纷纷跟进解读，其中“航空计量”这个名词被屡屡提及，受到很多航空专家的高度关注。

  追溯历史，早在100多年前，莱特公司在第一条飞机生产线上，制订了整条产业链量值一致、测量过程受控、测量结果准确可靠的安全生产规定，该规定成为航空计量的“雏形”。

  两次世界大战后，螺旋桨战机被喷气式战机取代，复杂精密的飞机系统助推了航空计量的快速发展。

  然而，既要追求战机的高性能，又要精确测量战机性能数据并不是一件容易事。现代战机是一个复杂的热力机械系统，在战机研发生产的全部过程中，航空计量要集中解决3道难题：

  一是耐高温。涡扇发动机工作时，涡前温度可达到1500℃，温度传感器必须经得起高温炙烤，还要确保测量结果准确可靠。早期，航空设计师会通过水冷和气冷两种方式为传感器降温，但收效甚微。

  20世纪80年代，国外一家公司选用耐高温的铱铑材料为传感器打造“金钟罩”，使其在非水冷条件下经得起1700℃的高温烘烤；英、法等国军工企业还发明了光纤测温、波谱测量等技术，对航空发动机进行“隔空诊脉”，从而获得真实可靠数据。

  二是抗振动。众所周知，振动是战机承力部件的“头号杀手”。在战机研发阶段，除了肉眼不难发现的裂纹，不少构件故障极具隐蔽性，通过强拆手段查找设计缺陷效率低下，且数据结果并不准确。

  此路不通，必须另辟蹊径。一些设计师巧妙地研究材料内部结构异常而引起的热、声、光等反应变化，成功研发出内部缺陷检验测试设备。国外某公司使用高度敏感的红外摄像机来检测飞行器复合材料，通过计量热量差异，识别蒙皮下的断层区域。这种检测设备如同一副“”，让问题隐患“无处遁形”。

  三是数据多。战机进入生产环节，精确处理海量数据能力决定着精密制造水平。以航空发动机叶片制造为例，叶片测量参数多，自动化生产的全部过程中数据采集速度达到每秒上万个，数据处理能力关系到战机的生产质量和效率。

  为提高对整体叶盘叶片的检测效率，英国雷尼绍公司开发了一种高速扫描系统，每秒可以采集上千个3D数据点。与传统的机内测量技术相比，高速扫描系统不但可以缩短测量时间，还能够对叶片前边缘进行精准测量，叶片成品率持续攀升。

  事实上，战机的关键零部件生产总装是一个串联过程，任何一个环节出现一些明显的异常问题都会导致产品质量不合格。近年来，数字化测量被大范围的应用于工装制造、零件检验、战机组件扫描分析和逆向建模等航空制造领域，为战机打造“钢筋铁骨”。

  一款新型战机的研发技术再先进、设计图纸再完美、试验再成功，能不能持续发挥出战斗力，还要看战机的维修保障技术能力。

  以印度空军为例：过去40年坠毁战机高达上千架。其中一个重要原因是印度空军后勤保障能力不够，很多机型设备缺乏配套的计量检验测试仪器，战机常常“带病”飞行，导致故障率居高不下。

  20世纪90年代，随着战机向着多用途方向发展，机载电子设备数量成倍增加，但战机的可靠性反而降低。电子操纵系统时常会出现误判等错情，因此更加依赖数据监测的准确可靠。

  为此，航空计量作为战机的“数据医生”，采取了一系列措施来保证战机的可靠性——

  为维修设备绘制“心电图”。要想维修一架战机，第一步是要有一套完好的维修设备，而航空计量是保证维修设备精准有效的关键。针对电子测试设备，工程师通常会输入模拟信号、计量设备的反馈信号，就可以绘制出受检设备的“心电图”，设备的健康情况一目了然。

  用“听诊器”发现故障征候。任何故障发生前，都是有迹可循的，越早发现故障越有利于战机飞行安全。修东西的人除了观察战机的各项性能数据外，还会通过振动、温度等参数变化剖析故障问题，甚至将计量检测系统搭载到战机发动机试车平台上，像“听诊器”一样对战机“心脏”进行实时监测，反馈异常信号。

  为返修战机“做体检”。修东西的人作为战机的“数据医生”，会按照“一机一状态”要求，对整机性能和状态开展评估。检验时，修东西的人将健康评估模型植入监测传感设备，通过监测润滑油成分、主轴轴承噪声等多项数据，为战机“验血”“把脉”，发现并及时排除战机故障问题。

  计量界有这样一句话：“只有测量出来，才能制造出来。”每款武器装备的迭代升级，不能离开计量技术的发展进步。

  去年，美国海军向国会提交的2022年预算草案没有关于电磁炮的开支。自2005年以来，这项开支年年都会出现在海军“未来研发项目”的清单中。美国海军官方表示，电磁炮项目将被冻结，所有研发内容将被记录并封存。这在某种程度上预示着，这个花费5亿多美元的项目被迫叫停。

  其实，这样的结局并不意外。早在之前的试制过程中，电磁炮在180公里极限射程时，误差高达100米以上，根本没办法命中目标。高强度电磁脉冲的计量校准技术难度很大，美国海军不得不将这一个项目无限期搁置。

  “工欲善其事，必先利其器。”计量技术是支撑武器装备研发和作战使用的重要基础，被喻为技术创新的“种子”。航空航天、精确制导、电磁对抗、通信导航等领域都需要计量技术的支持。

  俄罗斯十分重视计量技术的积累和研发，在时间计量方面多次取得技术突破，衍生出的先进制导技术，擦亮了战略和战术导弹的“眼睛”。在打击叙利亚“ISIS”目标时，俄罗斯“口径”导弹穿越上千公里，打击精度在10米以内，展现出优异的精确打击能力。

  近年来，量子技术在计量领域快速兴起，其单量子水平的极限探测、精准操纵和极限运用，是传统物理计量精度的上百倍。由此发展而来的量子惯性导航，具有高精度和高灵敏度优势，有效解决了GPS导航精度随时间推移而降低的问题。

  2016年，英国皇家海军在测试潜艇时发现，量子导航系统精度在24小时内的定位误差仅有1米。不仅是水下，地下和建筑群里等导航卫星难以探测到的地方，量子惯性导航一样能发挥作用。利用量子重力仪或磁力仪对该区域的磁场进行精确测量，导航精度可以精确到厘米级。有人预言，量子计量的发展将对军事应用带来革命性影响。

  此外，在联合作战方面，无人作战系统和空天一体化作战网络的建立，需要一些时间计量的高精度同步。世界上多个国家的研究机构都在开展高性能计量设备的小型化、工程化研究。原子钟、量子接收机等高精度计量设备日趋成熟，将成为卫星、战机、导弹、地面雷达等装备“最强大脑”的重要组成部件。

  未来，计量技术会向着系统化、综合化、多参数化的方向发展，以适应武器装备的信息化、体系化需要。能预见，随着装备更新换代速度加快，新型计量设备将不断问世，测量范围越来越广，技术指标慢慢的升高，计量技术越来越先进。