航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展

安中彥

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng)110015）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一種高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)的復(fù)雜熱力機(jī)械，尤其是航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，由上萬(wàn)個(gè)零件組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、緊湊、空間狹小，并且工作時(shí)溫度變化劇烈、內(nèi)流極其復(fù)雜，導(dǎo)致各結(jié)構(gòu)件所處環(huán)境十分惡劣，稍有不甚就可能發(fā)生嚴(yán)重事故。航空發(fā)動(dòng)機(jī)涉及氣體動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、燃燒學(xué)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、控制技術(shù)、試驗(yàn)與測(cè)試技術(shù)、材料學(xué)和制造工藝等多學(xué)科和專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域[1]，要在寬泛的飛行范圍和惡劣的環(huán)境條件下，長(zhǎng)期反復(fù)使用、高效可靠工作。隨著現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方法的更新及新材料、新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用，航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能不斷提升，零部件所處環(huán)境更加惡劣，其轉(zhuǎn)、靜子部件承受的載荷越來(lái)越大、越來(lái)越復(fù)雜。

因此，要保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期、高效、可靠的工作運(yùn)行，航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制、服役過(guò)程中開(kāi)展結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)，是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)、零部件等進(jìn)行結(jié)構(gòu)考核的重要和必須手段。

目前中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)包括GJB 241A[2]和CCAR-33[3]，以及美國(guó)FAR 33[4]和1783B[5]、歐洲CS-E[6]、英國(guó)軍標(biāo)00970[7]及發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)（EGD-3）[8]等國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范均對(duì)結(jié)構(gòu)完整性提出明確的要求，尤其是需要通過(guò)試驗(yàn)手段驗(yàn)證結(jié)構(gòu)完整性滿(mǎn)足要求。因而結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)是滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)完整性要求必須通過(guò)的試驗(yàn)考核項(xiàng)目。這些考核項(xiàng)目的形成是航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)經(jīng)過(guò)近百年的發(fā)展，逐步積累起來(lái)保證發(fā)動(dòng)機(jī)成功研制和使用安全性所必須強(qiáng)制考核通過(guò)的強(qiáng)度試驗(yàn)項(xiàng)目。

發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速下工作，難免會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題或故障。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)的故障除理論分析外，另一重要驗(yàn)證措施便是采用各種強(qiáng)度試驗(yàn)手段進(jìn)行故障的復(fù)現(xiàn)與診斷分析，為找出故障原因提供試驗(yàn)手段和數(shù)據(jù)支撐，提供改進(jìn)所需的數(shù)據(jù)和改進(jìn)建議。尤其對(duì)于研制初期的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)而言，強(qiáng)度試驗(yàn)在研制過(guò)程中起到特別重要的作用。

基于以上航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)的重要性分析，有必要對(duì)強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行總結(jié)梳理。本文從航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)強(qiáng)度試驗(yàn)的需求分析出發(fā)，對(duì)航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行概述，歸納研制規(guī)范和技術(shù)發(fā)展方面對(duì)強(qiáng)度試驗(yàn)的需求，簡(jiǎn)述強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)國(guó)內(nèi)外專(zhuān)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，分析中國(guó)與國(guó)外在技術(shù)上的差距與不足。

1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)概述

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的功能、強(qiáng)度、剛度（變形）、振動(dòng)、疲勞、蠕變、損傷容限、壽命及結(jié)構(gòu)可靠性等是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范、軍/民用標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際使用需求，為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供有效數(shù)據(jù)支撐[9]。以轉(zhuǎn)子強(qiáng)度試驗(yàn)為例，轉(zhuǎn)子強(qiáng)度試驗(yàn)種類(lèi)及目的說(shuō)明見(jiàn)表1。按照結(jié)構(gòu)完整性等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，目前中國(guó)開(kāi)展的相關(guān)強(qiáng)度試驗(yàn)種類(lèi)主要有零部件振動(dòng)、轉(zhuǎn)子件、結(jié)構(gòu)靜力與疲勞、熱強(qiáng)度等試驗(yàn)。涉及到航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件振動(dòng)特性與疲勞、結(jié)構(gòu)件模態(tài)、結(jié)構(gòu)靜力與疲勞、輪盤(pán)超轉(zhuǎn)與破裂、低循環(huán)疲勞、鳥(niǎo)撞與包容及熱端部件的熱沖擊等試驗(yàn)技術(shù)，其研究對(duì)象包括但不限于以下零件：輪盤(pán)、軸、機(jī)匣、轉(zhuǎn)子葉片、導(dǎo)向葉片、加力燃燒室、噴管、導(dǎo)管、隔圈、封嚴(yán)裝置、外罩、作動(dòng)筒、傳動(dòng)裝置、齒輪及軸承座等。

表1 轉(zhuǎn)子強(qiáng)度試驗(yàn)種類(lèi)及目的

美國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)《結(jié)構(gòu)完整性大綱》[5]規(guī)定的航空發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)相關(guān)工作任務(wù)見(jiàn)表2。從表中可見(jiàn)，強(qiáng)度試驗(yàn)貫穿了發(fā)動(dòng)機(jī)研制的全過(guò)程，并且在總研制任務(wù)中具有較大占比。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性任務(wù)

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)強(qiáng)度試驗(yàn)的需求分析

2.1 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求

為保證研制需要，航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)強(qiáng)度試驗(yàn)各專(zhuān)業(yè)的主要要求之一就是滿(mǎn)足各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)整機(jī)、零部件強(qiáng)度試驗(yàn)的規(guī)定，強(qiáng)度試驗(yàn)各專(zhuān)業(yè)相關(guān)的部分適航性標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定條款見(jiàn)表3。這些條款的形成是航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)經(jīng)過(guò)百余年的發(fā)展，逐步積累起來(lái)保證發(fā)動(dòng)機(jī)成功研制和使用安全性所必須強(qiáng)制考核通過(guò)的強(qiáng)度試驗(yàn)項(xiàng)目。

表3 強(qiáng)度試驗(yàn)各專(zhuān)業(yè)部分適航性標(biāo)準(zhǔn)要求

2.2 新型發(fā)動(dòng)機(jī)、新材料、新結(jié)構(gòu)對(duì)試驗(yàn)技術(shù)提出的新要求

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推力、轉(zhuǎn)速、溫度等指標(biāo)的提升，促使新材料、新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用逐步增多，從而使得強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)面臨新的挑戰(zhàn)。在高溫環(huán)境振動(dòng)、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)激振、高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子試驗(yàn)、高溫陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、復(fù)合材料葉片熱-機(jī)復(fù)合疲勞壽命等試驗(yàn)方面，都提出了進(jìn)一步提升強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)和能力的需求，需要提前布局和預(yù)先研究滿(mǎn)足未來(lái)5～10年要求的試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

2.3 故障復(fù)現(xiàn)與診斷的需求

另一重要需求是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)故障采用各種強(qiáng)度試驗(yàn)手段進(jìn)行故障的復(fù)現(xiàn)與診斷分析，找出故障原因。發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速下工作，難免會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題或故障，強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)軌驈?fù)現(xiàn)或者對(duì)故障進(jìn)行原因分析，及時(shí)找到病因，提供改進(jìn)所需的數(shù)據(jù)支持和改進(jìn)建議。因此，形成對(duì)故障排故的快速試驗(yàn)反應(yīng)能力，能及時(shí)應(yīng)對(duì)研制中的各種試驗(yàn)驗(yàn)證問(wèn)題，降低研制進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)。

3 強(qiáng)度試驗(yàn)專(zhuān)業(yè)現(xiàn)狀及趨勢(shì)

3.1 國(guó)外現(xiàn)狀

國(guó)外具備先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制技術(shù)的國(guó)家主要是美國(guó)、英國(guó)、俄羅斯和法國(guó)，其強(qiáng)度試驗(yàn)的發(fā)展經(jīng)過(guò)幾代發(fā)動(dòng)機(jī)的研制歷程，是比較全面和成熟的。形成了一系列較為全面的保證發(fā)動(dòng)機(jī)研制成功和安全性的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，如MIL-HDBK-1783B《結(jié)構(gòu)完整性大綱》，基本囊括了發(fā)動(dòng)機(jī)研制所需開(kāi)展的強(qiáng)度試驗(yàn)要求，其他歐美標(biāo)準(zhǔn)如CS-E、JSGS、Def stan-00-970第11部等，對(duì)強(qiáng)度試驗(yàn)的要求基本相同，但由于各發(fā)動(dòng)機(jī)公司均不公開(kāi)具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)，目前掌握的國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)資料并不全面。

在試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展上，歐美俄等發(fā)動(dòng)機(jī)公司的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)經(jīng)過(guò)多代航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的迭代，基本已形成自己的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件葉片、輪盤(pán)、主軸、機(jī)匣的試驗(yàn)技術(shù)，已達(dá)到比較成熟的階段。

圖2 風(fēng)扇葉片氣激（旋笛）振動(dòng)試驗(yàn)

圖3 RR公司立式旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)器

英國(guó)RR公司燃燒室機(jī)匣的高溫、高壓疲勞試驗(yàn)技術(shù)在20世紀(jì)70年代已經(jīng)具備試驗(yàn)?zāi)芰?。?duì)葉片[10]、輪盤(pán)、主軸等發(fā)動(dòng)機(jī)核心零部件均已擁有成熟的振動(dòng)、強(qiáng)度、疲勞壽命等試驗(yàn)技術(shù)手段，葉片氣體激振、轉(zhuǎn)子試驗(yàn)試驗(yàn)設(shè)備如圖1~3所示。RR公司典型的軸疲勞試驗(yàn)器可以同時(shí)施加扭矩、軸向力和振動(dòng)扭矩3種載荷，扭矩和軸向力從零到最大按梯形波循環(huán)變化；振動(dòng)扭矩疊加在扭矩上，按正弦波變化[11]。特種強(qiáng)度試驗(yàn)如吞鳥(niǎo)[12-13]、包容[14-16]等，從部件到整機(jī)已有較為龐大的試驗(yàn)數(shù)量積累。部件包容試驗(yàn)設(shè)備原理如圖4所示。

圖1 風(fēng)扇葉片氣激（直吹）振動(dòng)疲勞試驗(yàn)

圖4 包容試驗(yàn)設(shè)備原理

PW等公司掌握較為全面的熱端部件熱強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)，如燃?xì)饧訜岬臏u輪葉片熱疲勞試驗(yàn)等[17-18]。俄羅斯中央航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院（CIAM）創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)方法用于進(jìn)行渦輪工作葉片和導(dǎo)向葉片及其它高溫部件的疲勞試驗(yàn)，燃?xì)饬髀房梢栽?0～1600℃對(duì)帶涂層的葉片進(jìn)行模擬溫度、軸向和離心載荷同步變化的熱機(jī)疲勞試驗(yàn)。國(guó)外的航空發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)非常注重對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件真實(shí)環(huán)境的模擬，通常熱端部件都需要在加溫狀態(tài)下進(jìn)行。如RR公司對(duì)軸進(jìn)行的疲勞試驗(yàn)，模擬主軸沿軸長(zhǎng)度的溫度梯度為195~415℃；而進(jìn)行燃燒室機(jī)匣試驗(yàn)時(shí)，采用真實(shí)高溫氣壓加載，顯示出在試驗(yàn)中真實(shí)環(huán)境模擬的重要性。印度國(guó)防研究與發(fā)展組織所屬的燃?xì)鉁u輪研究所也研制了發(fā)動(dòng)機(jī)主軸疲勞試驗(yàn)器，能夠模擬沿軸長(zhǎng)度方向的溫度梯度，采用臥式布置，從試驗(yàn)參數(shù)來(lái)看能加載軸向力和扭矩[19]。

近期國(guó)外各航空強(qiáng)國(guó)的強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)現(xiàn)狀難以獲得，但通過(guò)已有資料可以看出，為了滿(mǎn)足航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展需求，美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、法國(guó)等國(guó)家斥巨資建設(shè)了功能完備、指標(biāo)高、技術(shù)先進(jìn)的強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)備，從現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)可以推測(cè)，其相應(yīng)的試驗(yàn)器性能指標(biāo)也會(huì)相應(yīng)提升和改進(jìn)，以適應(yīng)試驗(yàn)技術(shù)的不斷充實(shí)完善。

隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，在積累了足量的強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，逐漸過(guò)渡到采用仿真技術(shù)逐步替代部分價(jià)格高昂、數(shù)據(jù)豐富的試驗(yàn)技術(shù)，試驗(yàn)技術(shù)本身也在開(kāi)展試驗(yàn)仿真技術(shù)的研究和應(yīng)用。如西門(mén)子在其智慧試驗(yàn)室中大量應(yīng)用試驗(yàn)仿真技術(shù)，將試驗(yàn)平臺(tái)囊括到整個(gè)任務(wù)仿真分析管理應(yīng)用框架中，將試驗(yàn)仿真和虛擬試驗(yàn)聯(lián)合應(yīng)用。MTS系統(tǒng)公司將試驗(yàn)仿真分為虛擬試驗(yàn)、混合仿真和模型協(xié)助3類(lèi)，采用自己的硬件系統(tǒng)搭建可驗(yàn)證的虛擬試驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)仿真與虛擬試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用，將大大降低成本，優(yōu)化試驗(yàn)方案，提高試驗(yàn)效率和一次成功率。

另外，在強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展上，歐美航空發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)通常采用聯(lián)合模式，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中遇到的突出問(wèn)題開(kāi)展局部的試驗(yàn)技術(shù)攻關(guān)，如高校負(fù)責(zé)技術(shù)理論方面的研究，專(zhuān)業(yè)技術(shù)公司負(fù)責(zé)具體試驗(yàn)技術(shù)或設(shè)備的落實(shí)解決，但總體上由發(fā)動(dòng)機(jī)研制企業(yè)牽頭圍繞具體的試驗(yàn)技術(shù)需求開(kāi)展工作。通過(guò)以研制過(guò)程的技術(shù)問(wèn)題作為牽引，提升了發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)的問(wèn)題解決能力、專(zhuān)業(yè)技術(shù)公司的試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)技術(shù)能力和高校的理論研究水平，形成了良性發(fā)展。

3.2 中國(guó)現(xiàn)狀

3.2.1 強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)總體情況

中國(guó)航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)的發(fā)展經(jīng)過(guò)幾代人的努力，逐步構(gòu)建了專(zhuān)業(yè)門(mén)類(lèi)較全、基本滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)研制需求、較為完善的強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)體系。中國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)發(fā)展歷程如圖5所示。

圖5 中國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)發(fā)展歷程

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，采用購(gòu)買(mǎi)設(shè)備部件和自主設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式，擁有了部分以轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器、電磁振動(dòng)臺(tái)、機(jī)匣試驗(yàn)器為代表的初步強(qiáng)度試驗(yàn)和測(cè)試能力。雖然存在設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)不足、設(shè)備功能單一等問(wèn)題，但為早期發(fā)動(dòng)機(jī)研制提供了可用的試驗(yàn)驗(yàn)證手段。進(jìn)入80年代，逐步開(kāi)發(fā)了葉片振動(dòng)與疲勞試驗(yàn)、轉(zhuǎn)子試驗(yàn)技術(shù)、主軸疲勞試驗(yàn)等較為成熟的試驗(yàn)技術(shù)，成功助力昆侖等多型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)研制。通過(guò)幾十年的積累和建設(shè)，通過(guò)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，強(qiáng)化自主研發(fā)能力建設(shè)，中國(guó)掌握了較為先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)主要零部件強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)，可開(kāi)展如轉(zhuǎn)子強(qiáng)度、鳥(niǎo)撞、振動(dòng)、熱強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)靜力與疲勞等試驗(yàn)。服務(wù)于多型在役、預(yù)研發(fā)動(dòng)機(jī)研制工作。

隨著零部件/整機(jī)吞鳥(niǎo)、部件級(jí)包容試驗(yàn)等試驗(yàn)技術(shù)的成熟應(yīng)用和先進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備的建設(shè)，中國(guó)逐步掌握了較為完善的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件/整機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)。

針對(duì)未來(lái)先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)研制對(duì)強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證能力的需求，在強(qiáng)度試驗(yàn)領(lǐng)域需要在試驗(yàn)技術(shù)儲(chǔ)備上提前規(guī)劃布局，提升研發(fā)能力。

中國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展總體上落后于歐美俄等國(guó)家。但隨著第3代發(fā)動(dòng)機(jī)的研制成功，強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)總體上能滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)的研制需求，初步擁有了發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)芰?。中?guó)部分強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)備如圖6所示。

圖6 中國(guó)典型強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)備

3.2.2 零部件振動(dòng)試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)疲勞試驗(yàn)主要試驗(yàn)對(duì)象為各型發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇、壓氣機(jī)、高低壓渦輪的葉片等，獲取葉片疲勞極限、S-N曲線等壽命性能參數(shù)。模態(tài)試驗(yàn)可獲取葉片、機(jī)匣、火焰筒、噴管、齒輪等各階模態(tài)振型、頻率及阻尼等模態(tài)信息。中國(guó)針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片類(lèi)零部件具備了以傳統(tǒng)振動(dòng)臺(tái)為基礎(chǔ)的較為完善的振動(dòng)疲勞壽命、振動(dòng)特性等試驗(yàn)技術(shù)[20]。在葉片等零部件振動(dòng)疲勞試驗(yàn)方法和技術(shù)方面，可滿(mǎn)足試驗(yàn)件的檢驗(yàn)、中值疲勞極限、S-N、P-S-N曲線等振動(dòng)疲勞試驗(yàn)要求。在高溫環(huán)境方面，具備高低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片和壓氣機(jī)葉片等具備在室溫到900℃的高溫環(huán)境振動(dòng)疲勞試驗(yàn)?zāi)芰21-22]。中國(guó)基本掌握了葉片的氣體激振試驗(yàn)技術(shù)[23]，旋轉(zhuǎn)葉片激振試驗(yàn)技術(shù)得到較快發(fā)展[24]，在發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用層面已開(kāi)展旋轉(zhuǎn)葉片激振試驗(yàn)[25]，掌握旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的葉片激振技術(shù)，但對(duì)于試驗(yàn)中臨界轉(zhuǎn)速振型準(zhǔn)確識(shí)別技術(shù)等還需要加強(qiáng)研究力度。

3.2.3 轉(zhuǎn)子強(qiáng)度試驗(yàn)

轉(zhuǎn)子強(qiáng)度試驗(yàn)是驗(yàn)證航空發(fā)動(dòng)機(jī)輪盤(pán)強(qiáng)度與壽命的主要手段。通過(guò)完成大量的考核、定壽及延壽試驗(yàn)，使常規(guī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)技術(shù)（如輪盤(pán)、轉(zhuǎn)子組件的超轉(zhuǎn)、破裂、疲勞壽命試驗(yàn)技術(shù)[26-28]）日臻成熟，已解決轉(zhuǎn)子疲勞試驗(yàn)中的各關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，包括關(guān)鍵部位確定、邊界條件模擬（裝配應(yīng)力、關(guān)鍵部位應(yīng)力分布、各關(guān)鍵部位應(yīng)力系數(shù)合理）、傳動(dòng)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)接段強(qiáng)度設(shè)計(jì)、溫度場(chǎng)控制、試驗(yàn)件狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)等。轉(zhuǎn)子強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)的需求主要包括能夠提升試驗(yàn)效率、降低試驗(yàn)成本的技術(shù)手段，如裂紋在線監(jiān)測(cè)技術(shù)、輪盤(pán)溫度在線測(cè)試技術(shù)及設(shè)備常用消耗件的研制等。

3.2.4 鳥(niǎo)撞試驗(yàn)

4)電源插座短路打火即使產(chǎn)生“微末”，因車(chē)庫(kù)不是一個(gè)密閉空間，飛濺的“微末”只是一個(gè)不具“明火”性質(zhì)的“熱熔珠粒子”，不能點(diǎn)燃“沉淀”于靠近地面處的液化石油氣。

鳥(niǎo)撞試驗(yàn)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)范要求必須進(jìn)行的特種試驗(yàn)[29]，以驗(yàn)證抗鳥(niǎo)撞能力。中國(guó)基本掌握零部件和整機(jī)級(jí)的鳥(niǎo)撞擊試驗(yàn)技術(shù)。已開(kāi)展了靜止條件下大風(fēng)扇葉片鳥(niǎo)撞試驗(yàn)和旋轉(zhuǎn)葉片鳥(niǎo)撞試驗(yàn)[30-31]，成功完成了大量旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇葉片鳥(niǎo)撞試驗(yàn)。鳥(niǎo)速測(cè)量、響應(yīng)測(cè)量、整機(jī)吞鳥(niǎo)試驗(yàn)技術(shù)等已達(dá)到一定的成熟度。

3.2.5 包容試驗(yàn)

航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)要求具備包容能力，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部因葉片斷裂等異常而產(chǎn)生的碎片飛出不對(duì)飛機(jī)產(chǎn)生損傷，危及飛機(jī)安全。在包容試驗(yàn)方面[32-33]，中國(guó)已具備開(kāi)展部件級(jí)機(jī)匣包容試驗(yàn)的能力[34-35]，經(jīng)過(guò)多型機(jī)匣包容試驗(yàn)驗(yàn)證[36]，葉片飛斷的主動(dòng)控制[37-38]等包容試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)逐漸成熟，具備開(kāi)展整機(jī)包容試驗(yàn)的技術(shù)能力，基本掌握了從零部件試驗(yàn)到整機(jī)試驗(yàn)的包容試驗(yàn)技術(shù)。一般來(lái)說(shuō)，規(guī)范要求在1臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)上驗(yàn)證風(fēng)扇葉片的包容性，同時(shí)提供結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的試驗(yàn)驗(yàn)證。這種試驗(yàn)的費(fèi)用極高，所以，在進(jìn)行這樣的試驗(yàn)前，要完成多項(xiàng)部件（或零件）級(jí)試驗(yàn)，以驗(yàn)證葉片、機(jī)匣及其他承力結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。試驗(yàn)器條件下的包容試驗(yàn)可以模擬整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的包容能力，而花費(fèi)僅為整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)成本的一部分，而且試驗(yàn)參數(shù)也允許調(diào)整，是驗(yàn)證機(jī)匣包容性的有效和必要的手段[33]。

3.2.6 結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度和疲勞壽命試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)的主要承力部件通常要進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度和疲勞壽命試驗(yàn)考核，如發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)匣、安裝系統(tǒng)等，而主軸由于承受太多的外部機(jī)動(dòng)載荷無(wú)法在轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器上開(kāi)展強(qiáng)度及壽命試驗(yàn)，可通過(guò)建設(shè)主軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)器開(kāi)展考核。目前中國(guó)已具備對(duì)大、中、小發(fā)動(dòng)機(jī)主軸、機(jī)匣、安裝系統(tǒng)等主要零部件開(kāi)展強(qiáng)度試驗(yàn)的方法和技術(shù)，掌握了試驗(yàn)器微小位移加載技術(shù)[39-40]、專(zhuān)用耐疲勞高可靠作動(dòng)器設(shè)計(jì)技術(shù)等，可基本滿(mǎn)足中國(guó)軍標(biāo)和適航規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件結(jié)構(gòu)靜力與疲勞試驗(yàn)的考核要求。中國(guó)在60年代就開(kāi)始建設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)器，在90年代基本建成主軸強(qiáng)度、壽命試驗(yàn)器[11，41]，也建成了需要內(nèi)壓加載的燃燒室機(jī)匣多腔協(xié)調(diào)壓力加載強(qiáng)度與疲勞壽命試驗(yàn)器等。中國(guó)已擁有了較為全面的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣[42-44]、安裝系統(tǒng)、主軸及其他發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的靜強(qiáng)度、疲勞壽命等試驗(yàn)的設(shè)備和試驗(yàn)評(píng)估技術(shù)[11，45]，并具備一定規(guī)模的試驗(yàn)?zāi)芰?。在主軸、機(jī)匣強(qiáng)度試驗(yàn)溫度模擬方面開(kāi)展了相關(guān)的工作[46]，但在溫度梯度場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)M技術(shù)方面還存在不足。

3.2.7 熱強(qiáng)度試驗(yàn)

熱端部件的熱強(qiáng)度試驗(yàn)通過(guò)模擬航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪部件內(nèi)的熱沖擊及冷熱循環(huán)過(guò)程，考核渦輪葉片等熱端部件的抗熱沖擊能力。中國(guó)針對(duì)各類(lèi)高溫構(gòu)件，研制了較為成熟的大型熱強(qiáng)度試驗(yàn)相關(guān)設(shè)備，能開(kāi)展的熱強(qiáng)度試驗(yàn)包括高溫構(gòu)件的燃?xì)鉄釠_擊疲勞試驗(yàn)[47-49]和感應(yīng)加熱方式熱-機(jī)復(fù)合疲勞試驗(yàn)[50-52]，初步應(yīng)用了輻射加熱方式熱機(jī)復(fù)合疲勞試驗(yàn)方法[53-54]，其他加熱方式還包括高溫爐、火焰噴槍[55]、激光加熱等。目前中國(guó)基本掌握了航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫構(gòu)件的熱強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)，積累了較為豐富的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。

從發(fā)展來(lái)看，中國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)水平在逐步縮短與國(guó)外先進(jìn)水平的差距。在發(fā)動(dòng)機(jī)研制需求的驅(qū)動(dòng)下，必然需要加大投入，開(kāi)啟以完善發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)用試驗(yàn)技術(shù)和增強(qiáng)原始技術(shù)創(chuàng)新能力為主的發(fā)展方式，加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)的研發(fā)力度。

4 技術(shù)差距與不足

伴隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的研制進(jìn)程加快，中國(guó)強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)能力處于緊跟國(guó)際先進(jìn)的水平，但距離發(fā)動(dòng)機(jī)研制需求還有一定差距，反映在如下幾個(gè)方面。

4.1 試驗(yàn)硬件設(shè)備上的差距

中國(guó)強(qiáng)度試驗(yàn)在硬件設(shè)備上與國(guó)外先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)公司的主要差距在于專(zhuān)用試驗(yàn)設(shè)備能力缺乏上。如開(kāi)展齒輪、高壓渦輪葉片等振動(dòng)特性研究的頻響試驗(yàn)，中國(guó)現(xiàn)有振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備與RR等公司激振設(shè)備存在一定差距。另外，中國(guó)的振動(dòng)疲勞激勵(lì)方式單一，而國(guó)外技術(shù)成熟的恒定空氣噴射試驗(yàn)器等先進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備已處于初始應(yīng)用階段。

4.2 適航性專(zhuān)用試驗(yàn)技術(shù)和能力不夠完善

對(duì)軍民航空發(fā)動(dòng)機(jī)的適航性要求大部分一致，但民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制所需的專(zhuān)用強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)及設(shè)備存在不足。雖然軍用發(fā)動(dòng)機(jī)和民用發(fā)動(dòng)機(jī)有70%～80%的技術(shù)是共用的，但是民用發(fā)動(dòng)機(jī)追求低噪聲、低污染排放、長(zhǎng)壽命、高可靠性、低維修成本，并將其作為重要指標(biāo)。由于過(guò)去沒(méi)有組織專(zhuān)門(mén)的力量從事相關(guān)研究，導(dǎo)致相應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)備和專(zhuān)用設(shè)備建設(shè)不夠[56]。其中比較重要的試驗(yàn)技術(shù)包括包容試驗(yàn)、吞鳥(niǎo)試驗(yàn)技術(shù)等，其中涉及到葉片飛出主動(dòng)控制技術(shù)、鳥(niǎo)炮發(fā)射控制等強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)，目前雖然基本掌握，但在控制精度、安全防護(hù)等方面還需要進(jìn)一步提高。

4.3 先進(jìn)試驗(yàn)技術(shù)的自研能力不足

除部分試驗(yàn)技術(shù)具備自主研制能力外，國(guó)外進(jìn)口的試驗(yàn)設(shè)備占比還較大，如轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器、液壓加載伺服控制器、振動(dòng)臺(tái)等。中國(guó)在液壓加載控制器通道數(shù)集成、控制器板卡自主研制等方面與國(guó)外技術(shù)存在差距；在葉片類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的激振方式及環(huán)境模擬方面，如旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的振動(dòng)技術(shù)還處于起步階段。

發(fā)動(dòng)機(jī)零部件所處的極端工況決定了其采用的部分強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)屬于開(kāi)創(chuàng)性的，需要投入專(zhuān)業(yè)的力量進(jìn)行試驗(yàn)器研發(fā)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工況的進(jìn)一步復(fù)雜、極端化，對(duì)強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)也提出進(jìn)一步要求，發(fā)動(dòng)機(jī)研制單位需要在自主研制的基礎(chǔ)上，聯(lián)合高校、試驗(yàn)技術(shù)相關(guān)企業(yè)等各行業(yè)，形成產(chǎn)、學(xué)、研、用合力共同開(kāi)展技術(shù)研制，提升發(fā)動(dòng)機(jī)研制單位、高校、試驗(yàn)設(shè)備相關(guān)企業(yè)各自的技術(shù)能力，建立解決突出試驗(yàn)技術(shù)難題的穩(wěn)定研制隊(duì)伍。

5 未來(lái)發(fā)展思路

（1）夯實(shí)現(xiàn)有強(qiáng)度試驗(yàn)相關(guān)的技術(shù)基礎(chǔ)。根據(jù)上述分析，目前現(xiàn)有強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)和能力上還有數(shù)量不足、存在短板、部分試驗(yàn)技術(shù)還不能成熟應(yīng)用等問(wèn)題，部分自研設(shè)備如機(jī)匣動(dòng)剛度試驗(yàn)技術(shù)、零部件極端工況抗沖擊載荷試驗(yàn)技術(shù)等存在可靠性低、穩(wěn)定性差等問(wèn)題。在將來(lái)的發(fā)展中需要補(bǔ)充試驗(yàn)?zāi)芰Φ囊?guī)模、補(bǔ)齊技術(shù)短板、提升自研設(shè)備可靠性和性能。

（2）緊跟先進(jìn)的強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展。強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)一旦發(fā)展成熟，可以應(yīng)用多年，然而新一代發(fā)動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)必然帶動(dòng)其發(fā)展。因此需要對(duì)各行業(yè)先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行跟蹤，及時(shí)應(yīng)用到強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)上。如電磁彈射技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，讓其在發(fā)動(dòng)機(jī)鳥(niǎo)炮發(fā)射試驗(yàn)器上具有較強(qiáng)的應(yīng)用潛力，提升現(xiàn)有鳥(niǎo)炮發(fā)射器的參數(shù)控制能力和發(fā)射速度精度；試驗(yàn)仿真技術(shù)是全面提升試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化現(xiàn)有能力的有效手段，也需要逐步開(kāi)展相關(guān)研究應(yīng)用工作。

（3）提升圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)極端工況需求的研制能力。航空發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)去的研制經(jīng)驗(yàn)、經(jīng)費(fèi)和水平不足，導(dǎo)致設(shè)計(jì)系統(tǒng)在試驗(yàn)驗(yàn)證方面支撐不夠，必須用精確、深入、細(xì)致的系統(tǒng)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)支撐航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，在常規(guī)試驗(yàn)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求后，需要提升在極端工況下的試驗(yàn)技術(shù)自主研制能力。發(fā)動(dòng)機(jī)研制的一線科研人員需要深度了解發(fā)動(dòng)機(jī)研制所需的試驗(yàn)技術(shù)需求，才能做好對(duì)強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)研究的牽引工作，引導(dǎo)產(chǎn)、學(xué)、研、用各方的著力點(diǎn)落在真正實(shí)際亟需的試驗(yàn)技術(shù)上。同時(shí)，需要將試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展與發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)深入融合，提高測(cè)試精度，提高理論、計(jì)算與試驗(yàn)相結(jié)合的綜合研究能力，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)技術(shù)的自主和可持續(xù)發(fā)展。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，中國(guó)航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)方面已建立了較為完善的試驗(yàn)體系，基本滿(mǎn)足當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)研制任務(wù)需求，但對(duì)于正向設(shè)計(jì)及預(yù)先研究工作的支撐仍顯不足，與國(guó)際先進(jìn)水平還存在一定差距。主要體現(xiàn)在：

（1）有效數(shù)據(jù)積累與利用不足。在過(guò)去的工作中，強(qiáng)度試驗(yàn)多以考核、驗(yàn)證為主，研究摸底項(xiàng)目少、試驗(yàn)子樣少，有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累不足，至今還未能形成有效的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、支撐未來(lái)虛擬試驗(yàn)的需求。今后需要有規(guī)劃、有計(jì)劃的充分利用現(xiàn)有試驗(yàn)?zāi)芰τ牲c(diǎn)及面地開(kāi)展試驗(yàn)研究與數(shù)據(jù)積累工作。

（2）按照發(fā)動(dòng)機(jī)各類(lèi)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求，強(qiáng)度試驗(yàn)專(zhuān)業(yè)在試驗(yàn)?zāi)芰驮囼?yàn)技術(shù)上仍存在短板和缺項(xiàng)。按照規(guī)劃，需要逐步補(bǔ)足各強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)芰图夹g(shù)的短板，緊跟新型發(fā)動(dòng)機(jī)研制需求，依據(jù)優(yōu)先級(jí)開(kāi)展技術(shù)研究工作。

（3）新材料、新結(jié)構(gòu)試驗(yàn)技術(shù)有待發(fā)展，相關(guān)失效評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)亟需建立。隨著新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝的大量應(yīng)用，需要對(duì)其強(qiáng)度特性與抗疲勞能力進(jìn)行全面研究，而現(xiàn)有測(cè)試、檢驗(yàn)技術(shù)還不能完全適應(yīng)試驗(yàn)工作要求，需要盡快開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)技術(shù)研究，并利用試驗(yàn)結(jié)論分析研究失效評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

（4）與強(qiáng)度試驗(yàn)相關(guān)的測(cè)試技術(shù)進(jìn)步是提升試驗(yàn)?zāi)芰?、促進(jìn)強(qiáng)度專(zhuān)業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。非接觸測(cè)試技術(shù)應(yīng)用、在線裂紋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制與應(yīng)用等測(cè)試手段是目前需要投入力量開(kāi)展的工作，以促進(jìn)航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)全面協(xié)調(diào)發(fā)展。