JAXA公布超音速试验机试飞失败原因

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作为“低音爆设计概念实证”（D-SEND）项目（后述）的一项内容，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）于2013年8月16日实施了超音速试验机（S3CM：Silent SuperSonic Concept Model）的下落飞行试验，结果试飞失败。2月25日，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）公布了调查结果（图1）。试飞失败的原因有两点：（1）飞行控制程序的稳定余量较小，容易导致机身不稳定；（2）飞行控制程序使用的机身模型的部分空气动力特性严重偏离实机值，甚至超出了稳定余量。

图1：关于在2013年8月16日进行的超音速飞机试验机下落飞行试验的失败，JAXA航空本部业务推进部长大贯武发布了失败原因调查结果

音爆是飞机以超音速飞行时，机身产生的冲击波引起的。冲击波压缩着空气在大气中传播，在地面会伴有爆音并引起压力急据上升，这就是音爆。由于音爆会引发噪声问题，因此，降低音爆是实现新一代超音速飞机时面临的一大课题。

从原理上来说，降低音爆会使机身的空气动力性能下降。例如，使超音速飞机前端形状更圆润就可以降低音爆，但这样会增大空气阻力。因此，致力于推进“低噪声超音速飞机技术研发”的JAXA一直在努力，确立既能实现低音爆，又能拥有低空阻的机身设计概念并进行实验评估。文章开头提到的“低音爆设计概念实证”（D-SEND）项目就是对以音爆减半为目标的先进设计概念和方法进行实际验证与评估的项目。

利用超音速试验机进行的下落飞行试验的主要目的，是验证基于上述概念设计的机身（无发动机）的设计效果。由于采用的是没有发动机的超音速试验机，因此加速到超音速是用气球使机身从大约30km的高度自由下落（机头朝下）而实现的。并且，要在下落过程中改变试验机的方向，拉起机头，使其自动朝地面的音爆测量系统飞行，在该测量系统上空以水平向下50度的角度俯冲，并自动降落在实验场内。

然而，2013年8月16日实施的下落飞行试验未能按计划成功进行。因试验机与气球分离37秒后开始的拉起机头动作，机身发生了滚转（机翼左右倾斜）和偏航（机身前端左右晃动）。分离62秒后，试验机的姿态失控，飞行陷入混乱状态。虽然在分离170秒后，机体姿态恢复可控，但最终还是在距离音爆测量点还有大约8km处手动着陆，没有达到试验目的。

JAXA的调查结果显示，拉起机头时机身之所以发生滚转震动，是因为飞行控制程序的稳定余量少，而且机身模型的部分空气动力特性大大偏离了实机值。那么，为何稳定裕度会变少呢？原因是，使试验机机头朝下下落、加速、然后拉起机头的下落试验需要机身具有很高的运动性。然而，稳定性高换言之就是运动性差，稳定性和运动性一般呈此消彼长的关系。由于过于要求提高运动性，就导致了稳定性的降低。

而机身模型的部分空气动力特性严重偏离实机值，是因为对风洞试验测量值的修正不恰当。风洞试验需要对模型给予一定的支撑，使其在风洞中处于漂浮状态，通常是在模型后面加一个很大的支柱。因此，风洞试验获得的数据受到了支柱的影响，为了排除这一影响因素，必须对获得的数据进行适当的修正。

据JAXA介绍，此次下落飞行试验，在进行数据修正时，对主要与滚转和偏航运动有关的空气动力特性的修正量估计过小。此次的试验机采用使音爆减半的设计，因此机身后部不是通常的圆筒形，而变成了扁平形（图2）。由于对这种形状缺乏经验，导致了对修正量的判断错误。JAXA指出，空气动力特性有大约9万个数据，其中大约3000个数据与实机的差异增大。（作者：富冈 恒宪，日经技术在线！供稿）

图2：超音速试验机模型 上面是这次的模型，下面是普通模型。可以看出这次的试验机后部变平了。