航空發(fā)動機試驗驗證體系建設

■ 黃勁東 / 中國航發(fā)研究院

（黃勁東，中國航發(fā)研究院副院長，研究員，主要從事航空發(fā)動機試驗測試、服務保障技術和發(fā)展戰(zhàn)略研究）

第二次世界大戰(zhàn)以后，世界軍、民用航空發(fā)動機全面進入噴氣時代，西方發(fā)達國家和蘇聯(lián)都相繼投入巨資開展技術研究和大量試驗驗證，由此引來一輪大規(guī)模的以試驗設施為核心的試驗驗證體系建設。

眾所周知，航空發(fā)動機內(nèi)部工作環(huán)境異常惡劣，外部運行條件復雜多變，氣動、熱力、結構、材料和控制等多學科相互交織，至今仍無法完全從理論上準確描述其多場耦合特性；而發(fā)動機的零件高達數(shù)萬之多，任何一個出問題都可能引發(fā)災難性后果。因此，在發(fā)動機正式投入使用前，必須對其性能、功能、強度以及可靠性進行充分考核，以便安全、有效、合理地使用；對一些計算分析難以精準刻畫的機理問題，只能通過大量試驗得到經(jīng)驗、半經(jīng)驗關系式來逐步逼近真實、修正計算結果。實踐證明，試驗驗證體系在航空發(fā)動機技術和產(chǎn)品發(fā)展中起著舉足輕重的作用，并不斷產(chǎn)生新的需求，將試驗測試技術推向新的高度。同時，在大量試驗數(shù)據(jù)的支撐下，其驗證設計、校核工具的能力不斷提升，對物理機理的認識不斷深化，發(fā)動機數(shù)值仿真能力逐步增強并向?qū)嵱没?、部分替代物理試驗的方向發(fā)展，最終形成地面試驗、虛擬試驗和飛行試驗互為補充、互相印證的體系格局。

NGTE鳥瞰圖

航空發(fā)動機試驗驗證體系建設的歷史發(fā)展脈絡

主要國家用30年時間基本完成大型試驗設施建設

從20世紀50年代冷戰(zhàn)開始至20世紀70年代，美英法蘇等國家投入巨資搶占航空發(fā)動機這一技術制高點，以當時的英國國家燃氣渦輪研究院（NGTE）為例，在皮斯托克基地共建成5座高空臺，基地的氣源、循環(huán)水和電力等配套能力在此期間也達到最大狀態(tài)。此后，中國、日本和韓國也加入航空發(fā)動機研發(fā)行列。

同時，GE公司、普惠公司、羅羅公司和賽峰集團等著名發(fā)動機制造商也開展了大量試驗設施建設用于研發(fā)、定型/取證和批產(chǎn)交付，包括飛行試驗臺、高空試驗臺、整機室內(nèi)/露天試驗臺、主要部件系統(tǒng)性能試驗臺和結構強度壽命試驗器等。典型的公司試驗基地有GE公司位于美國辛辛拉提的皮勃斯試驗基地，普惠公司位于美國東哈特福德的威爾古斯試驗基地（現(xiàn)已關閉），羅羅公司在英國的哈克諾（主要設施已關閉）和達比試驗基地，賽峰集團位于法國巴黎維拉羅什的裝配/試驗基地。

GE 公司露天試車臺

世界主要國家大型航空發(fā)動機試驗設施

政府主導完成試驗驗證體系建設

在噴氣發(fā)動機快速發(fā)展的20世紀60—70年代，時任英國首相哈羅德?威爾遜親自參加了NGTE第四座高空臺（Cell 4）的竣工儀式。在他看來，現(xiàn)代化的英國要在白熱化的科技創(chuàng)新中鑄就，而航空發(fā)動機將在這場技術革命中扮演至關重要的角色。

歸納起來，航空發(fā)動機技術研究和試驗驗證體系，無一例外都是在國家戰(zhàn)略的引領和政府、企業(yè)資金的長期支持下完成構建，歷經(jīng)80多年的發(fā)展，形成政府機構（包括軍方研究機構）、發(fā)動機骨干企業(yè)、院校3級組織架構，覆蓋基礎和預先研究、應用研究、產(chǎn)品研發(fā)、狀態(tài)鑒定或者適航取證、外場綜合保障全過程。

進入20世紀90年代，由于冷戰(zhàn)結束后軍備競賽減速及經(jīng)濟全球化的影響，各國政府不再大規(guī)模集中投入發(fā)動機試驗驗證設施建設，但仍安排專項計劃統(tǒng)籌支持設備翻新和技術升級，如美國國家航空航天局（NASA）的航空試驗計劃（ATP）支持噴氣推進實驗室（JPL）改造了可模擬高空冰晶的結冰試驗器；美國空軍阿諾德工程發(fā)展中心（AEDC）擴建了世界上最大的高空試驗臺。

歐美還成立各類委員會協(xié)調(diào)不同部門和不同國家之間的試驗設施，統(tǒng)一標準、補充完善試驗驗證體系，并推動地方政府以增加就業(yè)機會的名義資助各大公司的關鍵設備設施建設。

NASA與美國國防部試驗資源管理中心（TRMC）聯(lián)合建立國家航空試驗合作委員會（NPAT），站在國家戰(zhàn)略的高度協(xié)調(diào)政府與軍方在各自管理的航空試驗設施方面的合作。美國國家科學技術委員會（NTSC）航空科學技術分會（ASTS）組建了一個由NASA、TRMC、美國聯(lián)邦航空局（FAA）等機構參與的跨組織基礎設施工作小組，分別研究制訂地面試驗、飛行試驗、仿真、高端計算設施和網(wǎng)絡基礎設施建設規(guī)劃。

歐盟86臺戰(zhàn)略和關鍵設施分類占比

歐盟通過歐洲運輸聯(lián)合會(AirTN)組織專家專題研究航空行業(yè)（含發(fā)動機）基礎設施建設，制定先進性、獨特性等系列判定準則，把歐盟現(xiàn)有的大型風洞、推進系統(tǒng)（含部件）、結構強度、大型仿真能力、飛行平臺和空管等6個領域的設備設施分為戰(zhàn)略、關鍵和普通3類，強化對前兩類設備的升級改造投入，以繼續(xù)保持其世界領先水平，并在全歐盟統(tǒng)籌使用，目的是讓這些基礎設施在實現(xiàn)歐盟“航跡2050”（FlightPath 2050）計劃目標中發(fā)揮關鍵作用。

航空發(fā)動機試驗驗證體系的主要特征

試驗驗證體系內(nèi)涵

技術成熟度與試驗驗證體系高度關聯(lián)

試驗驗證體系由試驗器、試驗件、試驗工藝、測試系統(tǒng)、試驗數(shù)據(jù)處理分析以及試驗結果的數(shù)值分析組成，并由配套水、電、氣等基礎設施和嚴密的管理來支撐試驗器的安全、高效運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)從高質(zhì)量數(shù)據(jù)采集到獲取信息、提煉知識的演進。

技術成熟度分級

在發(fā)動機技術成熟度（TRL）分級中，TRL 1～3為基礎研究，指認識自然現(xiàn)象，揭示自然規(guī)律，獲取新知識、新原理和新方法的探索性研究活動并開展概念驗證試驗，大多處于技術發(fā)展前沿，不確定性因素多、風險大、失敗可能性也大，一旦突破則可能在某一技術領域取得顯著進步，甚至給產(chǎn)品發(fā)展帶來新的變革。TRL 4～6是指為研究技術可行性和產(chǎn)品適用性而開展的研發(fā)活動，是技術成熟過程中最關鍵、最復雜的階段，這個過程中的技術研發(fā)活動包括單項技術和綜合技術的試驗驗證。TRL 7～8是指為研究產(chǎn)品適用性和效能有效性而開展的技術驗證、技術攻關活動，處于產(chǎn)品工程研制階段。新發(fā)動機投入使用初期（TRL 9）會暴露大量性能、結構強度和維護保障等問題，需進行外場信息反饋、設計改進并部分重復驗證直至發(fā)動機步入成熟期。

將發(fā)動機技術成熟度與用于驗證的試驗設備、試驗件和相應測試要求、試驗工藝等建立起關聯(lián)關系，航空發(fā)動機試驗驗證體系的技術架構也就清晰了。

性能和可靠性并重的試驗驗證流程

發(fā)動機標桿企業(yè)研發(fā)階段典型的試驗驗證流程，始于經(jīng)確認的發(fā)動機產(chǎn)品需求，結束于合同要求的性能、可靠性、部/附件等得到充分驗證，加工制造、裝配分解、試車和外場保障的工藝標準、作業(yè)指導書等體系文件得到一一證實，體現(xiàn)在最終交付產(chǎn)品前，從流程上保障取證/定型要求和用戶要求，裝配和維修技術，產(chǎn)品的性能和可靠性得以全面驗證，并凸顯產(chǎn)品全生命周期管理的系統(tǒng)工程思想。

發(fā)動機公司與大學建立緊密、互補的合作關系

幾家著名發(fā)動機公司無論有無自己的技術研究中心，都圍繞公司核心能力積極支持建立聯(lián)合的大學研究中心（UTC）或者大學戰(zhàn)略聯(lián)盟（USA）開展新技術、新概念的研究和驗證工作，謀求在全球范圍內(nèi)控制創(chuàng)新技術研究資源。

GE公司與斯坦福大學、麻省理工學院等十幾所高校建立USA；普惠公司與俄亥俄州州立大學建立UTC開展齒輪傳動技術的基礎研究和應用研究。與這些世界一流院校建立戰(zhàn)略聯(lián)盟，按選定的專業(yè)方向進行長期投資，既開展深入的學術研究，同時又面向工程解決實際問題，并為公司培養(yǎng)后備人才，效果非常顯著。

標桿企業(yè)高階試驗驗證流程

標桿企業(yè)貧油低污染燃燒室試驗驗證體系

普惠公司的飛行臺

安全、環(huán)保是現(xiàn)代民用航空發(fā)動機試驗設施建設的驅(qū)動力

以安全性、可靠性為根本的適航要求拉動設備建設。民機適航取證最顯著的特征是不僅關注發(fā)動機在穩(wěn)態(tài)、常規(guī)飛行條件下的性能，同時考核發(fā)動機在瞬態(tài)和各種應急飛行條件的表現(xiàn)，在各類失效模式和性能衰退狀態(tài)下發(fā)動機能否安全可靠工作。飛行過程中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)甚至引發(fā)災難的案例，如鳥撞、側風、包容、結冰、吞水和吞冰等，被一一寫進適航條款，要求設計方通過試驗證實發(fā)動機有足夠的能力應對這些問題。為了滿足相關適航條款，各種確保飛行安全的試驗方法和特種試驗設備層出不窮，為設備建設持續(xù)提出新的需求。另外，對發(fā)動機進入運營后的日常保障，局方也明確須建立可靠性管理機構和控制系統(tǒng)，加強發(fā)動機運行可靠性和性能的監(jiān)控，及時調(diào)整維修計劃，恢復和保持發(fā)動機的固有可靠性水平。因此，研發(fā)階段民用發(fā)動機可靠性驗證要求很高。

環(huán)保要求也是民機試驗設施建設的重要依據(jù)。國際民航組織（ICAO）及其下屬的環(huán)境保護委員會（CAEP）制定的污染排放規(guī)定，是民用航空發(fā)動機能否取得適航認證的又一關鍵。著名的“協(xié)和”號超聲速客機被停飛的主要原因：一是噪聲太大，民眾無法接受，許多城市不允許它從社區(qū)上空飛過；二是污染物排放很高，沒有采用低污染燃燒技術；三是發(fā)動機油耗太高，非常不經(jīng)濟。前兩個原因都與環(huán)保有關。隨著人們環(huán)保意識的不斷增強，噪聲、污染排放適航標準也不斷提高，相關的設計和試驗驗證技術不斷推陳出新，試驗設備逐漸增多。

GE公司高溫高壓燃燒室試驗器

面向成本的設計、試驗對基礎設施建設提出了新的要求

隨著航空業(yè)進入激烈的市場競爭狀態(tài)，主要發(fā)動機制造商的產(chǎn)品研發(fā)理念從單純追求技術卓越朝著面向成本的設計和試驗轉(zhuǎn)變。以結冰試驗為例，過去主要在高空臺上進行，為了營造低溫、結冰的環(huán)境，要配備龐大的設備、消耗驚人的能源才能滿足試驗對供氣、制冷、干燥等能力的要求。據(jù)介紹，為完成這樣一次適航試驗將花費千萬美元。昂貴的成本迫使發(fā)動機制造商另辟蹊徑，不約而同地在臨近北極的加拿大曼尼托巴省建設專用的結冰試驗臺，以充分利用當?shù)貥O端氣候和政府優(yōu)惠條件來節(jié)省試驗成本。而且，原本是競爭對手的普惠公司和羅羅公司還合資建了結冰試驗臺，在省錢上達成高度一致。

長期以來，發(fā)動機制造商將退役飛機改造為自主飛行試驗平臺，也是為了降低發(fā)動機特別是大涵道比發(fā)動機高空臺試驗成本。常見的流程是：在高空臺上進行充分的核心機試驗，在地面室內(nèi)臺和露天臺完成整機試驗并進行比對，最后上高空臺、飛行臺進行考核試驗，這樣可以節(jié)省設備和試驗費用。當然，隨著測控技術和改裝技術的提高，在波音747改裝的飛行臺上可以測試比地面臺更多的參數(shù)，而且可以在裝機條件和真實飛行環(huán)境下提前考核發(fā)動機的工作穩(wěn)定性和可靠性，以及瞬態(tài)、過渡態(tài)等極限工況，切實加快發(fā)動機的研制進度。

新概念、新技術引領基礎設施建設

NGTE的第四個、第五個高空臺分別是為羅羅公司超聲速客機用奧林巴斯大推力渦噴發(fā)動機和RB211三轉(zhuǎn)子發(fā)動機而建；GE公司為了試驗全新的GE9X發(fā)動機新建了進口壓力超過6000kPa的燃燒室試驗器；日本三菱重工（MHI）建成直聯(lián)/自由射流－吸氣式發(fā)動機高空臺，開展沖壓發(fā)動機試驗研究。

羅羅公司建成世界最大的多功能試車臺

航空發(fā)動機試驗驗證體系的未來發(fā)展

未來具備高機動性、隱身、超聲速巡航等特征的新一代戰(zhàn)斗機的制空和對地攻擊能力仍然無可替代，但在空天地一體化作戰(zhàn)模式的牽引下，各類主戰(zhàn)機種將在更廣闊的空間、以更高的速度開展體系和體系的對抗，飛行器的高超聲速將成為一種新的隱身；民用航空器將大幅度減少CO2/NOx排放和噪聲，2050年實現(xiàn)碳中和的目標；制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型正在徹底改變企業(yè)研發(fā)、運營和管理模式。因此，未來軍、民用飛行器動力裝置將呈現(xiàn)高速化、電氣化、數(shù)字化和智能化的特點，航空發(fā)動機試驗驗證體系未來發(fā)展也將相應地發(fā)生如下幾個方面的變化。

常規(guī)試驗測試技術進一步升級換代

完整且不斷提升的試驗驗證體系對航空發(fā)動機技術領先和創(chuàng)新產(chǎn)品開發(fā)起到了強有力的支撐作用，特別是在計算機和信息化手段并不發(fā)達的20世紀60—70年代。歷史經(jīng)驗表明，試驗驗證仍將在航空發(fā)動機研發(fā)領域發(fā)揮重要作用，并在環(huán)境試驗、隱身試驗、非接觸測量、高性能智能傳感器、動態(tài)過程參數(shù)同步測量、試驗過程智能化/自動化等技術方面再上臺階。羅羅公司投資9000萬英鎊歷時3年建成了目前世界上推力最大的多功能整機試車臺（80號臺），最大流量為4500kg/h，可試推力達到690kN、采集10000多個發(fā)動機參數(shù)、配備140000L的燃料箱，并可使用可持續(xù)航空燃料（SAF），配備1臺功能強大的X射線機每秒拍攝30張圖像。強大的數(shù)據(jù)采集和分析處理能力為研發(fā)工程師提供了足夠充分的發(fā)動機各關鍵部位穩(wěn)態(tài)、動態(tài)信息，直接支撐發(fā)動機的優(yōu)化設計和外場使用維護。

高超聲速試驗設施有新的需求

目前，渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機（TBCC）作為常規(guī)起降、低成本、可重復使用的裝備仍處于演示驗證階段，但飛行器對速度的要求已提升到馬赫數(shù)（Ma）7～8的水平；還涌現(xiàn)出如“進氣強預冷+渦扇/火箭發(fā)動機”組合循環(huán)等更先進的高超動力概念。因此，相關試驗驗證技術和設備的更新?lián)Q代將是未來的發(fā)展熱點。如高超聲速飛行試驗平臺，由已故億萬富翁保羅?艾倫創(chuàng)立的平流層發(fā)射（Stratolaunch）公司研發(fā)，一次飛行可支持3具可重復使用的高超聲速飛行器Talon-A發(fā)射，計劃2023年具備發(fā)射能力。

高超聲速飛行試驗平臺

羅羅公司混合動力系統(tǒng)試驗臺

混合動力系統(tǒng)試驗平臺投入使用

2021年年初，羅羅公司宣布世界上首臺兆瓦級混合動力系統(tǒng)（PGS1）已完成總裝工作，即將在新改裝的TP108試驗平臺上開展地面試驗，為后續(xù)飛行試驗奠定基礎。

虛擬試驗技術正在加速發(fā)展

在航空發(fā)動機設計階段和定型取證階段開展虛擬試驗，有助于產(chǎn)品多學科優(yōu)化并大大縮短研發(fā)周期、降低成本。因此，開展虛擬試驗方法、工具和流程關鍵技術研究，有望較大幅度地提升虛擬試驗的精度和置信度，實現(xiàn)部分替代物理試驗的目標。歐盟在“清潔天空 2”項目中專門安排了虛擬試驗技術研究，包括虛擬建模、虛擬適航等關鍵技術；法國武器裝備總署（DGA）下屬的航空發(fā)動機試驗中心與法國著名的虛擬樣機開發(fā)商ESI公司合作，利用后者的SimulationX動態(tài)多學科建模仿真平臺，開發(fā)航空發(fā)動機虛擬試驗臺SIMATMOS ，可以模擬真實飛行條件下發(fā)動機的運行并預測其性能，還可以用這一平臺來培訓試驗操作技師，預先檢查物理試驗的可行性。

試驗驗證數(shù)字化轉(zhuǎn)型和試驗數(shù)據(jù)云化

發(fā)動機全生命周期實現(xiàn)研發(fā)、試驗和服務的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，使區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、機器學習等數(shù)字化技術與傳統(tǒng)葉輪機技術相結合，形成數(shù)字孿生（Digital Twin）的綜合數(shù)字環(huán)境。賽峰集團在法國南部伊斯特爾的整機露天試車臺實時采集的發(fā)動機試車數(shù)據(jù)，僅用2s就傳送到750km外的設計部門，與設計數(shù)據(jù)、室內(nèi)整機和部件試驗數(shù)據(jù)進行對比分析。

羅羅公司80號試車臺，強大的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每秒鐘采集20萬個樣本，每分鐘記錄13億組數(shù)據(jù)，能以最快的速度將數(shù)據(jù)直接傳送到羅羅公司私有云上，供世界各地的工程師分析。而在云上，由發(fā)動機設計、試驗和實時運行數(shù)據(jù)構建的虛擬數(shù)字孿生平臺可以模擬各種物理試驗難以企及的運行場景，監(jiān)控正在執(zhí)行飛行任務的發(fā)動機健康狀態(tài)并及時采取返航/備降等措施避免事故，做出準確的在翼修理或者下發(fā)返廠維修的決策，實現(xiàn)預測性維修，大幅度提升發(fā)動機的可用率和可靠性。

結束語

建設完備的世界一流航空發(fā)動機試驗驗證體系是確保我國航空工業(yè)取得決定性競爭優(yōu)勢的關鍵要素，是實現(xiàn)國防和軍隊現(xiàn)代化不可或缺的重要組成部分，也是未來節(jié)能減排、實現(xiàn)碳中和目標的重要抓手。深入分析研究世界航空發(fā)動機試驗驗證體系建設的歷史和未來方向，將有力促進我國航空發(fā)動機試驗驗證體系建設沿著正確的軌道邁向新征程。