航空发动机飞行试验

第1章绪论 　　航空发动机是航空器的“心脏”，是在高温、高压、高速和高负荷的恶劣环境下长时间反复循环运行的热力机械，为航空器提供推力/功率，对航空器的性能、安全性和可靠性等具有极其重要的作用［1］。 　　以1903年美国莱特兄弟进行**次有动力飞行为标志，一百多年来，航空发动机的发展主要经历了两个大的阶段［2，3］：**个阶段是1903年到20世纪40年代前期，活塞式内燃机占统治地位；第二个阶段是20世纪40年代后期至今，发动机迈入喷气式时代，燃气涡轮发动机取代了活塞式发动机。燃气涡轮发动机可分为涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机和桨扇发动机。燃气涡轮发动机目前占据着航空动力的主导地位，是应用*广泛的航空动力形式，而且在可预见的相当长的一段时期内，还没有任何其他动力形式可完全取代它。 　　航空发动机的研制具有费用高、周期长、难度大、风险多等特点［4］，包含设计、制造、试验、试飞等主要过程。航空发动机飞行试验是将全尺寸发动机搭载或配装在选定的飞机/直升机平台上，在真实飞行条件下对发动机进行验证和鉴定的科学试验，是发动机新技术探索和研究的有效手段，是发动机研制过程的重要环节和必经阶段。发动机飞行试验集科学性、工程性、风险性、探索性于一体，是一项复杂的系统工程。 　　1.1航空发动机飞行试验的特点 　　航空发动机飞行试验的目的是：获得发动机在飞行中的试验数据，对发动机的性能、工作特性（功能）、强度、可靠性、安全性及对飞机/直升机的适应性进行验证评估和考核，明确使用要求和限制数据，表明与设计指标、研制总要求或适航条款等的符合性，为技术验证、鉴定验收、交付使用及进一步修改完善设计、改进改型发展提供依据。 　　地面台架试验、高空模拟试验（高空台试验）和飞行试验是发动机全尺寸整机试验的三大手段，在发动机研制中发挥着不同的作用。航空发动机飞行试验有其自身鲜明的特点。 　　1.1.1工作条件的真实性 　　地面台架试验主要考核发动机在地面大气条件下的工作状况，包括航空发动机新技术验证，性能、匹配性、可靠性、耐久性、环境适应性、吞咽能力等鉴定试验，以及发动机故障排除验证试验等，试验涉及项目多，可监测参数种类多、数量大［5］，是发动机全尺寸整机试验的重要和关键试验手段。但相对于发动机宽广的高度速度使用包线来讲，地面台架试验仅是对发动机一个试验点的试验。高空台试验是将发动机安装于高空试验舱内，在地面通过供/抽气、增/降温等手段控制试验舱进气条件和环境压力、温度等，以模拟发动机工作时的飞行高度、速度及吸入的高空空气条件［6］，在整个（或绝大部分）飞行包线范围内对发动机开展的试验。试验模拟的逼真度、准确度与试验设备、模拟方法的发展水平息息相关，且直接影响试验结果的有效性和精度。 　　飞行试验是在完全真实的飞行条件下对发动机进行的试验和研究。发动机工作的进口和环境条件受飞机/直升机飞行状态、飞行姿态、外界大气紊流、机动/过载条件、短舱内流等的影响，只有在实际飞行过程中才会遇到如此真实的条件。工作条件的真实性是飞行试验独有的优势。在真实工作条件下开展的发动机试验和研究，其结果*准确、可信、有效。 　　1.1.2装机环境的真实性 　　发动机*终是要安装在航空器上并为航空器提供动力。安装后，必然涉及与进气道的气动相容性、与机体的结构相容性、与飞机/直升机系统（如操纵系统、飞控系统、用户功率提取系统、电源系统等）相容性等问题。这些相容性问题是否设计合理、匹配良好、满足需求，只有经过装机后的飞行试验才能得到验证。 　　例如，美国TF30发动机装在F111A飞机后动态压力畸变造成的发动机喘振［7］；英国RB199发动机装在狂风战斗机后旋流畸变造成的发动机喘振甚至空中停车［8］；某发动机装机后暴露的发动机排气与尾部天线罩气动干涉问题；ARJ21700飞机滑跑过程中右发油门杆在正慢车位置时发动机反推力意外打开问题；某飞机引气功率提取状态下发动机减速过程中停车问题；某飞机飞行中暴露的因机上设备干扰导致发动机控制器报故问题。这些问题都是在真实的装机环境下才暴露的，也是在装机环境下解决的。 　　1.1.3试验的风险性 　　发动机是航空器的动力来源，用于产生飞行所需的推力或功率，并通过传动附件，为航空器提供液压、引气及电源等。一旦出现故障，势必危及飞行安全，尤其是以单台发动机作为动力的载机更是如此。另外，处于飞行试验阶段的发动机，其技术状态尚未完全固化、技术成熟度尚不高、关键系统和关键技术尚需进一步验证和优化、故障率仍处于较高水平。因此，发动机飞行试验历来都具有较高的风险性。 　　美国F404GE400发动机在全尺寸发展阶段试飞中，发生了低压涡轮盘故障，该故障导致损失了一架F/A18试验机［9］。1987年4月，俄罗斯РД33发动机配装于米格29飞机上，在进行航炮发射飞行试验时，航炮产生的废气被吸入发动机，引起发动机空中停车，导致飞机失去动力坠毁［10］。美国F101DFE发动机在F16战斗机上进行研制试飞时，发动机铝制燃油接头断裂，导致空中停车，出现险情［11］。某发动机配装飞机开展研制试飞，发动机在高空喘振，连续执行切油程序后超温、停车，后转子卡滞，无法起动，飞机单发着陆。某单发飞机起飞后不久，发动机轴承失效，低压涡轮轴断裂，发动机空中停车，试飞员、地面指挥员协同工作、冷静处置，迫降成功，飞机局部受损。某双发飞机试飞中，在高空超声速状态下，因双发高压可调导叶卡滞导致双发同时喘振、超温，飞行员被迫拉停双发，后经多次空中起动尝试，双发起动成功，飞机才安全着陆。 　　1.1.4测试的困难性 　　通过测试获取飞行试验中发动机工作的定性及定量信息和数据，可以实现对发动机性能、特性、强度等的准确评估和考核。为此，开展飞行试验前必须进行大量的测试改装。测试的参数包括飞行参数、发动机的温度/压力/位移/转速/燃油流量等参数、表征发动机状态和故障的开关量参数等。一般来说，一台新发动机的试飞测试参数达数千个，其中，需在发动机及短舱内加装测试受感部、传感器等，多则数百个，少则一百多个。 　　对于工作在高温、高压、高速环境下的航空发动机的测试，尤其是对其流道参数的测试，从来都不是容易的事情。在受到飞机及发动机结构、空间严格限制的条件下，受感部及传感器的设计、加工和安装必须兼顾准确性与安全性的要求，测试系统还不应该对原机的正常工作造成影响，这就对发动机的测试提出了很高的要求。例如，采用目前较为先进和可靠的无线电近距遥测技术进行发动机转子叶片动应力测量中，需在发动机转子叶片不同位置上粘贴数十个应变片，数据信号经加装的遥测盘、转/静子天线、射频信号放大器、接收机等一系列设备传输处理，*终由采集记录器采集存储。其中，应变片、遥测盘、转子天线等在发动机装配期间实施改装，均安装于发动机转子上，并需完成相关的动平衡试验、旋转试验和防护胶黏接力试验等，以保证装机试验的可靠性和安全性。 　　总之，工作条件、装机环境的真实性决定了发动机飞行试验是其他任何试验手段都无法代替的。尽管测试改装复杂困难，又具有较高的风险性，但在发动机研制中，飞行试验始终都是*重要的试验手段。只有经过飞行试验的验证，发动机上采用的新技术才能逐步成熟并进入实用阶段，只有通过飞行试验的考核，新型发动机才能交付使用。 　　1.2航空发动机飞行试验的作用 　　飞行试验在航空发动机的研制中起着非常重要的作用，世界各国在发动机的研制和发展中都十分重视飞行试验环节。航空发动机飞行试验的作用主要体现在以下方面。 　　1.2.1飞行试验是新型军用发动机鉴定（定型）必不可少的环节 　　某型军用发动机能否通过鉴定并投入使用，除了按照规范要求完成大量的零部件试验、成附件试验、系统试验、地面台架试验、高空台试验，还必须开展飞行试验验证和考核，这点在世界各国的发动机研制规范中都有明确的规定。 　　1951年美国就针对航空发动机的研制颁布了MILE5007A《航空发动机通用规范》，之后随着发动机设计、试验技术的进步，发动机型号不断增多，规范的版本不断更新。从MILE5007系列到MILE87231系列再到JSSG2007Joint Service Specification Guide： Engines， Aircraft， Turbine系列，通过规定的高空试验都是发动机研制试验阶段完成的重要标志，而飞行试验作为重要的验证手段始终贯穿于航空发动机的整个研制周期。 　　从MILE5007D《航空发动机通用规范》开始将发动机研制试验划分为初始飞行规定试验（preliminary flight rating test， PFRT）和鉴定试验（qulification test， QT），并在PFRT和QT中对高空试验（altitude test）做出了详细要求。高空试验可以在高空台、飞行台或原型飞机上完成。MILE87231《航空涡喷涡扇发动机军用规范》将航空发动机研制试验划分为4个阶段： 初始飞行许可（initial flight release， IFR）、全面飞行许可（full flight release， FFR）、初始使用许可（initial service release， ISR）、工作能力许可（operational capability release， OCR）。这4个阶段均包括两类试验： 耐久性试验和高空试验。MILE87231中关于4个阶段研制试验的定义见表1.1。 　　*新的JSSG2007A《航空发动机联合使用规范指南》中，继续沿用了4个研制阶段的划分方式，并对发动机飞行试验项目做出了详细要求。需要开展飞行试验的主要项目见表1.2。 　　俄罗斯发动机的研制过程的试验包括调整试验和国家试验，试验在地面台架、高空台、飞行台及确定安装此发动机的试验飞机上开展［12］。俄罗斯试飞指南《飞机和直升机燃气涡轮发动机的飞行试验》规定： 新研制的航空发动机的飞行试验包括五个阶段，即飞行台试飞、工厂试飞（飞行台和试验飞机同步开展）、国家试飞、使用试飞和改进改型试飞，如图1.1所示。其中，飞行台试飞和工厂试飞属于发动机调整试验，其余属于国家试验。 　　飞行台试飞是整个飞行试验的**阶段，与地面台架试验平行进行，其基本任务是对发动机进行飞行调整，一般不等首台发动机台架调整试验结束，就从**批试验发动机中安排一台发动机在飞行台上飞行调整，并且要限制寿命，以及限制*大推力、转速、燃气温度等参数；目的是尽早暴露问题，确保试验飞机首飞安全，以及发动机在试验飞机试飞中有足够的工作能力、可靠性和使用寿命。 　　飞行试验的第二阶段是工厂试飞，包括在飞行台和试验飞机同时进行的两部分试飞。试验飞机试飞的任务是在各种飞行状态，包括大迎角和侧滑角、大过载和其他对发动机来说*严重的飞行条件下，试验发动机的所有特性。此时，飞行台试飞的任务是借助该试验设施和手段，专门解决需要飞行调整和改善飞行特性的*复杂的发动机问题。