JAXA公布超音速試驗機試飛失敗原因

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作為“低音爆設計概念實証”（D-SEND）項目（后述）的一項內容，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）於2013年8月16日實施了超音速試驗機（S3CM：Silent SuperSonic Concept Model）的下落飛行試驗，結果試飛失敗。2月25日，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）公布了調查結果（圖1）。試飛失敗的原因有兩點：（1）飛行控制程序的穩定余量較小，容易導致機身不穩定﹔（2）飛行控制程序使用的機身模型的部分空氣動力特性嚴重偏離實機值，甚至超出了穩定余量。

圖1：關於在2013年8月16日進行的超音速飛機試驗機下落飛行試驗的失敗，JAXA航空本部業務推進部長大貫武發布了失敗原因調查結果

音爆是飛機以超音速飛行時，機身產生的沖擊波引起的。沖擊波壓縮著空氣在大氣中傳播，在地面會伴有爆音並引起壓力急據上升，這就是音爆。由於音爆會引發噪聲問題，因此，降低音爆是實現新一代超音速飛機時面臨的一大課題。

從原理上來說，降低音爆會使機身的空氣動力性能下降。例如，使超音速飛機前端形狀更圓潤就可以降低音爆，但這樣會增大空氣阻力。因此，致力於推進“低噪聲超音速飛機技術研發”的JAXA一直在努力，確立既能實現低音爆，又能擁有低空阻的機身設計概念並進行實驗評估。文章開頭提到的“低音爆設計概念實証”（D-SEND）項目就是對以音爆減半為目標的先進設計概念和方法進行實際驗証與評估的項目。

利用超音速試驗機進行的下落飛行試驗的主要目的，是驗証基於上述概念設計的機身（無發動機）的設計效果。由於採用的是沒有發動機的超音速試驗機，因此加速到超音速是用氣球使機身從大約30km的高度自由下落（機頭朝下）而實現的。並且，要在下落過程中改變試驗機的方向，拉起機頭，使其自動朝地面的音爆測量系統飛行，在該測量系統上空以水平向下50度的角度俯沖，並自動降落在實驗場內。

然而，2013年8月16日實施的下落飛行試驗未能按計劃成功進行。因試驗機與氣球分離37秒后開始的拉起機頭動作，機身發生了滾轉（機翼左右傾斜）和偏航（機身前端左右晃動）。分離62秒后，試驗機的姿態失控，飛行陷入混亂狀態。雖然在分離170秒后，機體姿態恢復可控，但最終還是在距離音爆測量點還有大約8km處手動著陸，沒有達到試驗目的。

JAXA的調查結果顯示，拉起機頭時機身之所以發生滾轉震動，是因為飛行控制程序的穩定余量少，而且機身模型的部分空氣動力特性大大偏離了實機值。那麼，為何穩定裕度會變少呢？原因是，使試驗機機頭朝下下落、加速、然后拉起機頭的下落試驗需要機身具有很高的運動性。然而，穩定性高換言之就是運動性差，穩定性和運動性一般呈此消彼長的關系。由於過於要求提高運動性，就導致了穩定性的降低。

而機身模型的部分空氣動力特性嚴重偏離實機值，是因為對風洞試驗測量值的修正不恰當。風洞試驗需要對模型給予一定的支撐，使其在風洞中處於漂浮狀態，通常是在模型后面加一個很大的支柱。因此，風洞試驗獲得的數據受到了支柱的影響，為了排除這一影響因素，必須對獲得的數據進行適當的修正。

據JAXA介紹，此次下落飛行試驗，在進行數據修正時，對主要與滾轉和偏航運動有關的空氣動力特性的修正量估計過小。此次的試驗機採用使音爆減半的設計，因此機身后部不是通常的圓筒形，而變成了扁平形（圖2）。由於對這種形狀缺乏經驗，導致了對修正量的判斷錯誤。JAXA指出，空氣動力特性有大約9萬個數據，其中大約3000個數據與實機的差異增大。（作者：富岡 恆憲，日經技術在線！供稿）

圖2：超音速試驗機模型 上面是這次的模型，下面是普通模型。可以看出這次的試驗機后部變平了。