航空發(fā)動機通用飛行臺試驗與能力研制

房劍鋒

(中國飛行試驗研究院,陜西 西安 710089)

1 引 言

在航空發(fā)動機研制過程中,為暴露設(shè)計缺陷或問題,驗證設(shè)計符合性,提升產(chǎn)品的成熟度,需要開展大量的整機試驗。通用飛行臺是基于成熟的飛機平臺(通常為配裝多臺發(fā)動機的運輸機/客機/轟炸機),經(jīng)過對原機結(jié)構(gòu)、機電系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)等改造,并加裝獨立于原機的試驗任務(wù)系統(tǒng)后,用于承擔新型航空動力飛行試驗的空中試驗平臺,通用飛行臺與地面試驗臺、高空模擬臺并稱為航空發(fā)動機整機試驗的三大手段[1-3]。

美俄等航空強國的發(fā)動機研制歷史及發(fā)展表明,通用飛行臺在新原理、新技術(shù)、新工藝、新材料等關(guān)鍵技術(shù)的演示驗證試飛,以及新型動力科研試飛、鑒定試飛或適航研發(fā)、取證試飛等方面發(fā)揮著不可替代的作用。美國通用電氣公司、普惠公司以及英國羅羅公司均擁有大量的通用飛行臺,并基于相關(guān)平臺完成了大量的航空發(fā)動機飛行試驗[4-7]。歐洲空客公司以A380飛機為載機平臺,改造研制了航空發(fā)動機通用飛行臺,并在該平臺上完成了如Trent XWB-84/97等多款商用發(fā)動機的適航取證試飛[8]。俄羅斯在伊爾-76運輸機等飛機平臺的基礎(chǔ)上,研制了多架通用飛行臺,先后對渦噴、渦扇、渦槳等不同類型的發(fā)動機進行了試驗。目前,伊爾-76系列飛行臺仍然是俄羅斯主要使用的發(fā)動機通用飛行平臺。

國內(nèi)方面,中國飛行試驗研究院先后建設(shè)了兩代通用飛行臺,在平臺研制及使用方面積累了大量寶貴經(jīng)驗[3],并開展了大量的發(fā)動機飛行試驗。

航空發(fā)動機通用飛行臺研制是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程,不亞于一型新機的研制,不僅需要拆除其中一臺發(fā)動機以滿足掛裝一定推力等級和尺寸范圍的不同類型被試發(fā)動機,還需要為被試發(fā)動機提供操縱、顯示、控制等系統(tǒng),涉及飛機平臺多個系統(tǒng)的改造,還需加裝不與原機交聯(lián)的加載試驗任務(wù)系統(tǒng),以及能夠測量壓力、溫度及振動、應(yīng)變等不同類型參數(shù)、具有強大測試能力的測試系統(tǒng)。國內(nèi)目前尚未形成航空發(fā)動機通用飛行臺研制的標準體系。

本文梳理分析了通用飛行臺與高空模擬臺的優(yōu)缺點,以及飛行臺承擔的飛行試驗內(nèi)容,提出了飛行臺能力研制需考慮的主要因素,并提出我國飛行臺能力建設(shè)的建議,旨在為我國航空發(fā)動機通用飛行臺能力研制提供參考。

2 通用飛行臺與高空模擬臺對比分析

GJB 241A-2010《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機通用規(guī)范》要求,發(fā)動機初始飛行前規(guī)定試驗應(yīng)完成持久試車、附件試驗、高空試驗、結(jié)構(gòu)試驗等,其中高空試驗可在高空模擬臺或飛行臺上進行。高空模擬臺試驗是在地面模擬飛機在各種飛行高度、飛行速度時的發(fā)動機進排氣條件以及高空環(huán)境條件,具有模擬極限大氣條件、模擬廣闊的飛行包線范圍、安全性好等優(yōu)點,缺點是對實際工況模擬的準確度直接影響試驗結(jié)果的有效性和精度。飛行臺試驗是在實際使用環(huán)境下對發(fā)動機進行試驗和研究,實際飛行過程中一些工作條件如大氣紊流、飛行姿態(tài)、過載等的真實性及發(fā)動機瞬態(tài)、過渡過程驗證,都是飛行臺試驗的優(yōu)勢,缺點在于高度-速度包線范圍不夠?qū)拸V且有一定的安全風(fēng)險[3]。

相對于優(yōu)缺點,高空模擬臺(以直連式為例)與飛行臺之間試驗結(jié)果也存在一定的差異性。根據(jù)諸多型號的高空模擬臺與飛行臺試驗歷史數(shù)據(jù)分析,結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究,造成飛行臺與高空模擬臺試驗結(jié)果差異性的原因較為復(fù)雜,是多影響因素耦合后形成的復(fù)雜結(jié)果的直觀反映。

(1)試驗設(shè)備不同,導(dǎo)致試驗結(jié)果存在差異。高空模擬臺是利用連續(xù)氣源在地面模擬飛機空中飛行環(huán)境,模擬發(fā)動機進口總溫、總壓和發(fā)動機出口環(huán)境壓力。由于其進排氣壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個具有大慣性、純滯后、非線性和時變性的龐大而復(fù)雜的控制對象[9],所模擬的高空真實環(huán)境與實際飛行環(huán)境存在一定的差異,因此帶來了高空模擬臺與飛行臺試驗結(jié)果的差異性。

(2)試驗程序和試驗方法不同,導(dǎo)致試驗結(jié)果存在差異。以空中啟動為例,高空模擬臺在停車前,通過調(diào)節(jié)進氣壓力、溫度設(shè)定對應(yīng)的高度、速度條件,但啟動過程中進口壓力、溫度并不完全對應(yīng)設(shè)定的高度、速度條件,存在不可忽視的較大波動[10],這與飛行臺試驗中有所不同,必然會造成啟動過程轉(zhuǎn)子加速情況的差異,進而造成空中啟動過程試驗結(jié)果出現(xiàn)差異。美國F100發(fā)動機的試驗結(jié)果表明,高壓轉(zhuǎn)速40%和25%空中啟動的高空臺試驗結(jié)果與裝機試飛結(jié)果相比,速度包線邊界往左擴大了93km/h[11,12]。

(3)測試設(shè)備與測試方法不同,導(dǎo)致試驗結(jié)果存在差異。以發(fā)動機推力確定為例,高空模擬臺試驗利用測力臺架直接測量推力,并通過相關(guān)高空校準試驗獲得的修正曲線,對測量的推力進行一定修正后給出試驗結(jié)果。飛行臺試驗中無法對飛行推力進行直接測量,主要通過在發(fā)動機內(nèi)流道截面加裝總溫總壓測量耙測量氣動參數(shù),利用理想的一維等熵膨脹計算方法計算發(fā)動機理想推力,再結(jié)合發(fā)動機尾噴管流量系數(shù)與推力系數(shù)曲線,以及地面臺架校準獲取的相關(guān)壓力修正曲線,進行飛行推力修正。

世界航空強國的發(fā)展事實證明,飛行臺和高空模擬臺受各自本身技術(shù)能力制約,在各自試驗技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著不同的作用,兩者之間是相互補充、優(yōu)勢互補、相互驗證的關(guān)系,不可相互替代[13]。

3 通用飛行臺試驗內(nèi)容

HB 7507-2014《航空發(fā)動機飛行試驗臺試驗要求》規(guī)定了航空發(fā)動機通用飛行臺試飛的科目和內(nèi)容。本文結(jié)合國內(nèi)外飛行臺使用過程中實際試飛科目和內(nèi)容,梳理總結(jié)通用飛行臺試驗內(nèi)容。

(1)常規(guī)試驗內(nèi)容。通用飛行臺可開展的常規(guī)試驗內(nèi)容主要包括發(fā)動機工作特性試飛、發(fā)動機性能特性試飛及進發(fā)相容性試飛。同時,利用試驗任務(wù)系統(tǒng),變換從發(fā)動機提取的功率和引氣量,可驗證不同功率提取和引氣量對發(fā)動機特性、性能的影響。對于大涵道比發(fā)動機飛行臺試飛,一般配裝與原型機構(gòu)型一致的發(fā)動機短艙,還可開展冷卻通風(fēng)、防火、氣體泄漏、排液、防冰等短艙相關(guān)的科目內(nèi)容試飛,以及反推系統(tǒng)試飛。伊爾-76飛行臺掛裝大涵道比發(fā)動機試飛如圖1所示。

圖1 俄羅斯伊爾-76飛行臺掛裝大涵道比發(fā)動機

(2)非常規(guī)試驗內(nèi)容。通用飛行臺加裝特殊的試驗設(shè)備或配備試驗機,可模擬發(fā)動機實際運行中的場景和條件,開展模擬進氣壓力畸變、吞吸火藥氣體、自然結(jié)冰等非常規(guī)科目內(nèi)容試飛。模擬進氣畸變可采用在進氣道中加裝擾流板、模擬網(wǎng)、高溫氣體發(fā)生器等,主動產(chǎn)生壓力、溫度畸變,驗證發(fā)動機的抗壓力、溫度畸變能力以及消喘系統(tǒng)的有效性。模擬自然結(jié)冰,則是通過與結(jié)冰噴水機前后編隊試飛,準確地向被試發(fā)動機噴入過冷水滴,驗證短艙及發(fā)動機的防冰、除冰能力。飛行臺加裝擾流板、高溫氣體發(fā)生器開展試飛如圖2所示。

(3)特殊環(huán)境試驗內(nèi)容。通用飛行臺空間移動便捷,還可輾轉(zhuǎn)各地捕獲有利環(huán)境,開展高溫、高寒、高原、高濕、吸雨、自然結(jié)冰、沙塵、大側(cè)風(fēng)等特殊環(huán)境試驗,其可開展的特殊環(huán)境試驗種類之豐富、條件之真實,是高空模擬臺、氣候?qū)嶒炇业饶M試驗手段所不能比擬的。

4 我國通用飛行臺研制重點考慮的因素

通用飛行臺的研制要立足于未來30年(通用飛行臺使用壽命可達20～30年)我國航空發(fā)動機研制需求,充分利用現(xiàn)有的載機資源,發(fā)揮我國載機設(shè)計、試驗、制造等技術(shù)優(yōu)勢,綜合考慮飛行安全性、載機飛行包線、掛載能力、載機來源等方面的因素。

(1)飛行安全性。飛行試驗首重安全性。俄羅斯、美國及歐洲等的飛行臺載機通常選用配裝4臺渦扇發(fā)動機的飛機,如伊爾-76、伊爾-78、伊爾-476、B747、A340、A380等。因此,一般選用成熟的四發(fā)固定翼飛機作為噴氣式動力和渦槳動力通用飛行臺載機,具備三發(fā)狀態(tài)飛行和安全著陸的能力,不會因被試發(fā)動機的故障而影響飛行安全。同時還需要載機具有氣密艙,可改造成試飛工程師、測試工程師等上機工作的艙室(如圖3所示),保障基本的生理需求。

圖3 俄羅斯伊爾-76飛行臺試飛工程師工作艙室

(2)載機飛行包線。飛行臺載機的飛行包線應(yīng)盡可能寬廣,以滿足試飛不同發(fā)動機的需求。通常飛行臺的飛行包線在12km以下的亞音速范圍內(nèi),可覆蓋客機、運輸機、亞音速轟炸機等配裝發(fā)動機的絕大部分飛行包線。而對于加力式渦輪發(fā)動機,則高空12km以上及超音速區(qū)域無法覆蓋。研究表明,利用節(jié)流網(wǎng)等設(shè)備可進一步擴大飛行臺試飛包線,但相比加力式渦輪發(fā)動機飛行包線,其仍然十分有限[14]。國外典型飛行臺載機飛行包線見表1。

表1 國外典型飛行臺載機飛行包線

(3)載機掛載能力。為最大程度地提高飛行臺的通用性,飛行臺應(yīng)可掛載一定推力、尺寸范圍的被試發(fā)動機。制約飛行臺掛載能力的部件或系統(tǒng)重點在飛機的機翼和掛架。因此,為滿足被試發(fā)動機重量、推力或功率等級的要求,可對載機機翼、掛架進行改造,必要時甚至重新研制。對于推力等級、尺寸較小的發(fā)動機,除了機翼可增加額外掛點外,經(jīng)過氣動、結(jié)構(gòu)等方面的評估,在滿足飛行臺飛行性能、品質(zhì)及安全的基本要求后,也可在機頭、機身等位置掛載。國外通用飛行臺機翼和機頭新增掛點如圖4所示。

圖4 國外通用飛行臺機翼和機頭新增掛點

(4)載機來源。飛行臺載機的選擇應(yīng)綜合考慮多方面的因素?？紤]潛在國際政治因素可能對后續(xù)研制和維護帶來的影響,應(yīng)盡可能選用國產(chǎn)飛機作為載機平臺。這樣選擇的好處是,一方面,飛行臺研制能夠不受國外制約,自主可控;另一方面,維護保障渠道暢通,能夠有效避免因特殊備件難以及時更換而延誤試飛進度,能夠有效減輕日常維護的壓力,提高平臺的出勤率和安全性。確定載機機型后,在在役飛機和批產(chǎn)新機之間抉擇,需要考慮經(jīng)濟性和使用壽命。相比新機,在役飛機改為飛行臺后服役時間短,但購機費用相對較低。

5 我國通用飛行臺能力研制建議

在地面高空模擬臺相對完善的情況下,國外在航空發(fā)動機研制過程中依然大量使用飛行臺開展飛行試驗,俄羅斯、美國、英國等航空發(fā)達國家始終堅持飛行臺的系列化、規(guī)模化建設(shè),并采用法律/規(guī)范/條例等方式明確了飛行臺試飛在航空發(fā)動機研制體系中的地位。我國航空發(fā)動機研制已呈現(xiàn)系列化的發(fā)展態(tài)勢,通用飛行臺試飛需求激增,現(xiàn)有資源已難以滿足需求,必須進行能力研制和完善。

(1)統(tǒng)籌規(guī)劃通用飛行臺研制,兼顧軍民用航空動力要求。我國民用航空事業(yè)蓬勃發(fā)展,ARJ、C919等民用客機研發(fā)成功,也將推動民用航空發(fā)動機的快速發(fā)展。為充分利用試驗設(shè)施,通用飛行臺研制應(yīng)在滿足軍用航空動力需求外,還應(yīng)兼顧民用航空動力研制的需求,在研制立項論證中統(tǒng)籌規(guī)劃,避免重復(fù)建設(shè)。國外在飛行臺的利用上,也通常兼顧軍民用航空動力研制的需求。如美國利用B-52飛行臺對配裝B747飛機的JT9D、CF6發(fā)動機開展飛行試驗,俄羅斯利用伊爾-76飛行臺開展了配裝MS-21系列客機的PD-14、配裝蘇霍伊超級噴氣客機SSJ100的SaM146、配裝伊爾-96客機和圖-204客機的PS-90A等發(fā)動機試飛[15](如圖5所示)。

圖5 伊爾-76飛行臺試飛PD-14、SaM146民用發(fā)動機

(2)發(fā)展系列化通用飛行臺,推動航空動力自主創(chuàng)新研制。單獨一架通用飛行臺,難以滿足多型航空動力同時開展飛行試驗的需求。根據(jù)航空動力發(fā)展譜系中未來需要開展飛行臺試飛的新型發(fā)動機推力/功率等級、幾何尺寸、重量、試飛周期等信息,可規(guī)劃發(fā)展不同類型如渦槳類、渦扇類通用飛行臺,又可細分為中等推力/功率、大推力/高功率等級的通用飛行臺,從而發(fā)展系列化通用飛行臺,全面支撐航空動力研制過程中不同技術(shù)狀態(tài)的選型、關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)的驗證、關(guān)鍵系統(tǒng)工作能力的確認等,推動自主創(chuàng)新研制。同時,發(fā)展系列化通用飛行臺,還可兼顧電推進系統(tǒng),分布式混合推進系統(tǒng),氫能源發(fā)動機以及可持續(xù)燃料/清潔燃料發(fā)動機等的飛行演示驗證。例如羅羅公司在其波音747-200飛行臺上開展了可持續(xù)燃料發(fā)動機試飛[9],經(jīng)過特殊改裝向被試發(fā)動機單獨供應(yīng)可持續(xù)燃料,其余3臺發(fā)動機供應(yīng)常規(guī)航空燃料。

(3)加強長期持續(xù)性投入,保持和提升通用飛行臺試驗?zāi)芰?。通用飛行臺的研制需要大量的人力、物力、財力等投入。依托國家專業(yè)試驗機構(gòu),爭取國家投資支持,立足“統(tǒng)籌規(guī)劃、綜合利用、改裝為主、資源共享”的原則,采取分步實施的策略,分階段、持續(xù)性投入建設(shè);借助承擔的軍民用航空動力飛行試驗,將飛行臺的日常維護、定檢、大修等納入試驗經(jīng)費,保持通用飛行臺試驗?zāi)芰Φ某掷m(xù)性;多渠道拓展,如民用市場、專項支持等,豐富投入來源,用于通用飛行臺試驗?zāi)芰Φ奶嵘?保持通用飛行臺的先進性。

6 結(jié)束語

航空動力正向設(shè)計、自主創(chuàng)新發(fā)展道路上,通用飛行臺作為整機試驗的重要手段之一,發(fā)揮著不可替代的作用,其能力的研制與形成,是我國航空發(fā)動機“動力先行、獨立發(fā)展”的重要支撐。

(1)通用飛行臺在高空試驗中具有獨特的優(yōu)勢,與高空模擬臺的差異性客觀存在,兩者是優(yōu)勢互補、相互驗證的關(guān)系。

(2)通用飛行臺不僅可承擔發(fā)動機特性、性能等常規(guī)試驗內(nèi)容,還可承擔進氣畸變模擬等非常規(guī)試驗內(nèi)容,以及大側(cè)風(fēng)、雨天等特殊環(huán)境試驗,是新型航空發(fā)動機研制過程中不可或缺的關(guān)鍵一環(huán)。

(3)通用飛行臺研制,應(yīng)立足于未來30年我國航空發(fā)動機的研制需求,綜合考慮飛行安全性、載機飛行包線、掛載能力、載機來源等因素。

(4)通用飛行臺能力研制,屬重大基礎(chǔ)試驗設(shè)施建設(shè),應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃,系列化發(fā)展,并長期持續(xù)性投入,致力于形成通用飛行臺的系列化、規(guī)模化發(fā)展格局。