中国第一架无人驾驶飞机——文传源

发布时间:2014-10-24

前言

1957年9月,北航新建206教研室 (1958年过渡为605教研室,即:导弹控制教研室),由文传源任主任,成员有冯毓江、张林昌、张明廉、宋子善,还有苏联列宁格勒机械学院老专家尼吉也果(讲师)在教研室讲授自动控制与遥控元件,秦德荣任翻译。中共第八次全国代表大会(1956年9月15至27)明确指出:国内主要矛盾已经不是无产阶级与资产阶级的矛盾,而是人民对于经济文化迅速发展的需要同当前经济文化不能满足人民需要状况之间的矛盾。……要坚持民主集中制和集体领导制度,反对个人崇拜,发展党内民主和人民民主。中共第八次代表大会第二次会议(1958年5月5)通过“鼓足干劲,力争上游,多快好省地建设社会主义”的总路线。并把调动一切积极因素,正确处理人民内部矛盾,逐步实现技术革命和文化革命等规定为这条总路线的基本点。在当时党的这些指示的引导下,以及爱国主义、勇攀科学高峰思潮的激励下,教研室开始考虑研制无人驾驶飞机。曾征求对我国非常友好并热心帮助的尼吉也果专家的意见,尼吉也果专家认为“无人驾驶飞机技术难度特别大,自动着陆问题特别是在陆地跑道自动着陆问题非常困难,中国同志当前不可能解决这类复杂的科技问题”。我们也曾征求过201教研室(航空仪表与自动器教研室)诚心帮助我们的自动驾驶仪专家扎伊采夫副教授的意见,他认为:“中国同仁研制无人驾驶飞机是根本不可能实现的,我是自动驾驶仪方面的专家,对无人驾驶飞机不了解,不可能提供任何意见或建议。”虽然两位好心的专家诚挚劝阻,在当时又找不到任何无人驾驶飞机资料的困难情况下,我们并未改变初衷,由文传源继续研究和草拟技术方案。大约在1958年元旦前后,武光院长传达周恩来总理同意北航研制无人驾驶飞机的指示,使我们师出有名,信心备增。19583月正式提出无人驾驶飞机初步方案和试制计划。同年4月,邀请第五研究院(航天器研究院)的蔡京涛等数位专家讨论我们的方案。他们完全赞同我们的方案,并对无线电遥控信道的差频考虑等提出了有益的建议。此后,我们加紧完善方案和做好研制准备工作。同年629,在飞机设备系(当时二系)范围内(并有其它系的教师参加)成立北航五号(后根据北京市的建议改名为北京五号)指挥部,文传源任指挥,并承担总设计师工作,徐学贤为支部书记,开始集中教职工近100人后陆续增加到281(含学生)人,并增补唐邑为副指挥。其中有教授和年龄较大的教师如:林士谔、文中奇、宋丽川、张桂联、赵震炎、佘德星、黄俊卿、刘燕谋等;年青教师如:冯毓江、张林昌、刘惠彬、王玉麟、周启光、丁子明、王行仁、以光衢、张明廉、宋子善、孟宪仲、周士炎等。宋子善在第二阶段(1958101以后至19592)还担任机场试飞技术负责人;第一阶段试飞技术工作由文传源兼管。年龄较大的工人有路永诚、王大卫、崔宝玮、赵连义、陈洪才、陈祥龙、张平祥、王尔诚等;还有1958年和1959年毕业的本科生参加了研制工作。五院还派来擅长无线电技术的吴宝初和擅长滤波技术的吴宝翼、武萍参加研制工作。此外,还从民航调来一名飞行员张立森参加过一段无人驾驶飞机的试飞工作。后来由空军派来有经验的飞行员参加试飞和地面遥控无人机,最后进行地面遥控飞行和起动自动起飞等工作。在研制过程中,空军慷慨而且主动无偿调拔给飞机以及所需的航空元器件和器材设备,五院最后支援了60万元的研制费。我们还得到了校内外有关单位和首都东郊机场的大力支持和帮助,特别是首都机场提供了很好的试飞场地和试飞人员的生活及食宿条件达半年之久。

北京五号的研制概况

北京五号指挥部成立后,立即集中教职工约100人,成立了设计组(含方案机构、自动驾驶仪、操纵台、自动起飞、空气动力、发动机自动控制、自动着陆、无线电操纵、检测仪表、气压式小高度表、无线电小高速表等各分系统等分组);生产组(含加工、安装分组);检测组(含地面、机载系统、部件检测、加工质量检测分组);办公室(资料管理与供应、器材供应、对外联系分组);试飞组(含飞行员与操纵手的培训,机场管理与维护)

研制步骤

   1)讨论修改总体方案与研制计划;

   2)选定并紧急调用现成飞机及其所装发动机作为主要设备之一;

   3)制订调用飞机试飞(收集数据) 以及各分系统研制调试计划;

   4)进行研制及元部件、材料调集与贮备;

   5)元部件测试、分系统与多个分系统调试与空中调试;

   6)地面、空中联调;

   7)空中人—机联调;

   8)空中有人监控、无线电遥控着陆试飞;

   9)无人驾驶自动着陆试飞。

工作方式

由于要求国庆献礼,十一上天,所有研制设备9月中以前必须装机,进度极为紧急,只能按倒排计划、顺排措施安排,如果措施不到位,势必延误进度。且各个分系统及其相关系统的设计、生产、测试、地面调试、空中联调等各个环节及各个环节之间,都采用重叠、交叉与相互协调的工作方式,也就是目前流行的“并行工程”的工作方法。

研制简况

各个分系统都很复杂,难度大,分析、设计、计算、测试工作量很大,由于大家公而忘私、情绪高昂、严格要求、知难而进、严把质量关、夜以继日地干,都能按质按量按计划完成任务。其中自动着陆系统中所用小高度表要求精度很高,为0.3m,为保险起见,三个方案同时进行,所研制的气压式小高度表,看来较简易,但由于精度高因而灵敏度很高,稍有振动,就将淹灭有用信号,只得放弃;另一方案为接地撬杆,需强劲的弹簧和接地杆,收放不易,且不稳定,也只好作罢;所研制的无线电小高度表,难度很大,技术复杂,调试工作量特别大,但研制工作获得成功,解决了自动着陆系统的重要关键之一。所采用的安—2飞机由于缺乏动态飞行数据,须作大量试飞,每次试飞所获得测试数据,由于当时测量仪器精度不够,造成分析整理试飞数据的困难,须作大量分析工作,才有可能获得有用数据。每次试飞除了因过于困倦,偶尔打个盹外,为赶进度得连续三天不停地连着干,才能整完试飞数据。类似情况,其它各分组也累见不鲜。

试验、调试、空中调试与空地联调

各部件和各分系统在研制过程中,除了必须严格进行规定的测试并保证绝对可靠外,还须进行地面调试,地面无线电遥控、遥测系统仿真试验,用安—2飞机、直升机在空中对无线电小高度表进行测试,以及在安—2飞机上进行空中分系统调试、联调、空中—地面总联调。显然,空中、空中—地面联调,有一定危险,但技术负责人和有关工作同志都认为必需、应该而且都主动和乐于去参加这项空中、空—地联调。

有人监控、无线电遥控着陆试飞与无人驾驶自动着陆试飞

空中有人监控无线电遥控着陆试飞

19589月上旬基本完成对安—2飞机内部的改装,加装了经过改装的A—5自动驾驶仪,便于与遥控和自控相衔接,在发动机上加装了所研制的油门、汽缸头温度、滑油温度控制系统,安装了机载遥控、遥测、方案控制机构(包括自动起飞、自动着陆的信息分配、处理和接口)……等系统与无线电小高度表等设备。地面配置了遥控发送与接收设备、地面飞行指挥台等设备。用安—2飞机和直升机对无线电小高度表进行了性能测试。19589月中旬开始进行北京五号的空中调试试飞(此时飞机上有飞行员和调试人员进行试飞和调试记录,以便进行机上的可能修改和地面上的各种参数修改以及设计和工艺修改)1958101日前,除调试试飞基本完成外,主要进行无线电遥控着陆飞行(在飞机上有人监控情况下),证明北京五号的方案是可行的,但要作到机上无人全盘自动化飞行还须作大量试飞调试,甚至作必要的修改调整工作。

北京五号无人驾驶自动着陆试飞

1958年101日后,由于民航来的飞行员,感到对这类复杂而带有危险性的试飞任务很不适应,要求调回民航,所以另外从空军调来三名飞行员,继续对北京五号进行试飞和调试。直到1959 2月,北京五号在成功地实现了无人驾驶飞行后,进行了一次空军、北京市、一机部(重工业机械部)、航空工业局领导参加的北京五号鉴定飞行,由空军副司令员检查北京五号机内确实无人,即将飞机舱门加锁,所有人员撤离跑道,随后空军副司令员下令起飞。北京五号即按指令徐徐滑跑和起飞,升人蓝空,作了爬升、下降、盘旋各种飞行模式演示后,遥控台飞行员遥控北京五号于指定位置和高度进入下滑道,准确

地按自动着陆方案安全接地,滑跑并稳妥地停在跑道上。副司令员到跑道打开飞机舱门的锁,并检查飞机和机舱内的情况,深感满意和赞赏。此时,参加鉴定飞行的领导、工作人员和苏联专家尼吉也果等都无限欢欣。尼吉也果专家诚挚地紧握文传源的手,并作了热情发言,对过去按常规认为中国同志在当时情况下不可能成功地研制出无人驾驶飞机表示估计有误,深表歉意,并衷心祝贺北京五号研制成功的惊人成就。文传源作了简要汇报,有关领导作了讲话,对北京五号研制成功表示祝贺和表彰,当时参加北京五号研制的师生员工,都感到无限欢欣鼓舞,其心情可谓:

   梅花二月迎新春,

岁寒三友见真情;

大鹏劲搏凌霄志,

红日高处飘彩云。

在这次鉴定飞行后,又进行了一次北京五号的无人驾驶的成功飞行。不久,空军司令员刘亚楼与有关单位领导举行宴庆对北京五号研制成功进行表彰。北京五号研制成果还参加了国防部的科研成果展览。

北京五号的关键技术与试飞结果

   1)北京五号采用了合理的控制方案,如下滑时利用仪表着陆等讯号区的信息控制下滑轨迹。应用油门杆保持V=const,并加上自动驾驶仪、水平仪的与Ⅱuk的的稳定讯号,使飞机能正常下滑。在30m(20m15m8m)以下采用高度方案机构,油门杆固定在300350mmHg,以保证在没有下滑标时能作正常下滑。而在着陆时采用合理的遥控,开关速率陀螺的与Ⅱuk的刹车讯号,点刹与死刹相配合,以保证飞机的正确滑跑方向。

   2)选用音频组合脉冲调宽的无线电遥控指令及分配无线电通道的电子开关,使飞机的遥控系统抗干扰性能较好,同时飞机的快慢、左右、上下三个动作能协调进行。

   3)合理选用并改装了A∏一5自动驾驶仪,在所应用的命令机构中,采用了给定的交流信号,使极化继电器振荡,从而提高了系统的灵敏度。

   4)研制出精度很高的(0.3m)无线电小高度表,从而使30m以下的高度下滑、拉平的接地方案顺利实现。

   5)对如何应用继电器、电位计以及积分电机于控制系统中取得了一定经验。

   6)在各个自动器中采用了新的元件,如在发动机、滑油温度调节器中,研制了半导体热敏电阻;在汽缸头温度表中研制了盘形镍丝作为灵感元件都是新的尝试。一般说来质量还是好的。

   7)试飞结果,经过百余次的试飞与改进,北京五号终于在无人操纵下作正常起飞、爬升、下滑、转弯、快、慢飞行,而且成功地完成自动着陆的困难任务。

显然,无人驾驶飞机的机内有人试飞调试和机内无人飞行、自动着陆特别是在首都试飞和飞行是有一定风险的,但我们在安全可靠方面作了缜密的考虑和采取了周密的措施。首先我们尽可能地对设计、试制、元部件筛选测试、环境试验、系统调试方面进行严格检验、专人负责,以保证研制的产品和系统可靠性高。在试飞调试中,采用自

动、遥控与手动操纵的及时切换。当发现遥测信号不正常,及时遥控无人机到空旷地区着陆……等一系列安全措施。同时,主要设计技术人员必须参加试飞,及时发现和解决安全可靠问题。在试飞调试阶段,有时遇到过一些风险,但在调试好以后的几次无人飞行,并未发生意外事故,获得圆满成功。在没有、或缺少可参考的资料和经验的情况下,解决上述关键技术,进行无人驾驶飞机的风险性试飞,特别是

在当时能在陆地跑道正确地自动下滑、拉平、着陆滑跑和停机,毋容讳言,是一项国际创新和大胆尝试。

北京五号研制成功的主要因素

1957年9月前后,206教研室开始正式考虑研制无人驾驶飞机。1958629日正式组成无人驾驶飞机研制指挥部,组织教职工和学生研制北京五号。19592月试飞成功。在短短的不到一年半时间内,研制这样复杂的项目,不但在当时看来是惊人的成就,从现在看来也是惊人的成就。

北京五号在如此短的时间内获得成功,下列因素起着重要作用:

   1)解放思想,勇攀高峰,无私奉献,团结合作的高尚精神境界,以及爱国主义思潮的激励。当时大家都开动脑筋,群策群力,不分昼夜地干,在紧张的时候,甚至两三天不睡觉。以文传源为例,当时体重就从53kg掉到大约44kg,大家当时都是这样拼命干。搞科研并不是经常能悠着点干,在关键时工作者深感为难。

   2)设计思想正确、技术途径对路,对总体方案、分系统方案,以至元部件设计方案的拟定、修改和定案,都秉着开拓思路,严密构思、自由讨论、集思广益、并当机立断、及时决策的原则,及时处理疑难关键技术问题,而且在实践中不断作必要的改进。对研制难度大的关键部件,采取多种方案同时进行,及时收网,择优录用一种可实现而又符合要求的方案,正式研制样机。例如自动着陆系统的关键设备之一是高度测量部件。开始时将重点放在弹簧和接地杆,以及气压式高精度小高度表上,认为它们简单且易于实现,但进一步分析计算并实验认为:弹簧与接地杆方案,在弹簧与接地杆接地时冲击力大,要求

弹簧及接地杆强度很大,因而体积大、笨重、工作又不稳定,无实际意义。而气压式小高度表方案,对气压式高度表灵敏度要求特别高,抗干扰能力很差,人稍有走动或轻微振动,气压式小高度表就反应过于明显,将淹没有用信号,自然也没有实用价值。而通常认为难度特别大,而且很难实现的无线电小高度表却研制成功,成为自动着陆系统中应用效果很好的关键部件。

  3)狠抓科学试验,严格评审方案,严格进行部件测试、系统测试和仿真试验,严格对元件进行环境测试和筛选,严格进行工艺审查,保证设计、加工、装配和安装质量。

4)尽可能采用现成元件或部件,组成所设计和研制的系统。在没有元部件的情况下,坚决并及时研制。如发动机控制系统热敏电阻的研制,自动着陆系统中的无线电小高度表等。

  5)严把安全关。北京五号是在京郊首都机场试飞,安全问题,尤为重要。所以,除保证元部件、各分系统和整个系统以及机载和地面设备均具有很高的可靠性而外,采取了在有人试飞时人工与自控及遥控模式的切换,为避免因无线电盲区效应而使无线电系统失效,采用多台地面遥控台合理分布与及时切换等。

   6)在组织管理工作方面,采用:集中领导、分层负责、及时协调、责任到人,严格检查,领导深入到基层,及时协商解决疑难问题。

上述因素对北京五号的研制成功,确实起到了决定性作用。

北京五号与教学改革

北京五号的研制工作和当时的教学改革也是密切结合的。58年毕业班的部分同学的毕业设计就是结合北京五号研制任务进行的。58年、59年毕业的学生大都参加了研制的部分工作。参加研制工作的同学都感到这种理论密切联系实际的教学方式效果很好。

北京五号研制工作中的不足之处

但北京五号的研制过程也有不足之处。例如,由于进度过紧,难于作到对有关理论作进一步深入研究;由于当时飞行测试仪器的精度不够,增大了试飞负担;资料未能及时细致整理,给进行技术总结造成困难;在北京五号研制成功后,曾集中一部分教师进行全面总结,写了约数十万字的技术总结,几经转手,现在下落不明,甚为可惜;科研、教学结合研制工作,因时间紧迫,安排得也不够细致。追溯这些经验和教训,可能是有益的。

 

 

 

(摘自《北航学人》 2010年第3期)