航空發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

在航空發動機研制過程中,為暴露設計缺陷或問題,驗證設計符合性,提升產品的成熟度,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(通常為配裝多臺發動機的運輸機/客機/轟炸機),經過對原機結構、機電系統、飛控系統等改造,并加裝獨立于原機的試驗任務系統后,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動機整機試驗的三大手段[1-3]。

美俄等航空強國的發動機研制歷史及發展表明,通用飛行臺在新原理、新技術、新工藝、新材料等關鍵技術的演示驗證試飛,以及新型動力科研試飛、鑒定試飛或適航研發、取證試飛等方面發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,并基于相關平臺完成了大量的航空發動機飛行試驗[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動機通用飛行平臺。

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

航空發動機通用飛行臺研制是一項復雜的系統工程,不亞于一型新機的研制,不僅需要拆除其中一臺發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動機,還需要為被試發動機提供操縱、顯示、控制等系統,涉及飛機平臺多個系統的改造,還需加裝不與原機交聯的加載試驗任務系統,以及能夠測量壓力、溫度及振動、應變等不同類型參數、具有強大測試能力的測試系統。國內目前尚未形成航空發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缺點,以及飛行臺承擔的飛行試驗內容,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的建議,旨在為我國航空發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扇發動機通用規范》要求,發動機初始飛行前規定試驗應完成持久試車、附件試驗、高空試驗、結構試驗等,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、飛行速度時的發動機進排氣條件以及高空環境條件,具有模擬極限大氣條件、模擬廣闊的飛行包線范圍、安全性好等優點,缺點是對實際工況模擬的準確度直接影響試驗結果的有效性和精度。飛行臺試驗是在實際使用環境下對發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、過載等的真實性及發動機瞬態、過渡過程驗證,都是飛行臺試驗的優勢,缺點在于高度-速度包線范圍不夠寬廣且有一定的安全風險[3]。

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

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

(2)試驗程序和試驗方法不同,導致試驗結果存在差異。以空中啟動為例,高空模擬臺在停車前,通過調節進氣壓力、溫度設定對應的高度、速度條件,但啟動過程中進口壓力、溫度并不完全對應設定的高度、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子加速情況的差異,進而造成空中啟動過程試驗結果出現差異。美國F100發動機的試驗結果表明,高壓轉速40%和25%空中啟動的高空臺試驗結果與裝機試飛結果相比,速度包線邊界往左擴大了93km/h[11,12]。

(3)測試設備與測試方法不同,導致試驗結果存在差異。以發動機推力確定為例,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,主要通過在發動機內流道截面加裝總溫總壓測量耙測量氣動參數,利用理想的一維等熵膨脹計算方法計算發動機理想推力,再結合發動機尾噴管流量系數與推力系數曲線,以及地面臺架校準獲取的相關壓力修正曲線,進行飛行推力修正。

世界航空強國的發展事實證明,飛行臺和高空模擬臺受各自本身技術能力制約,在各自試驗技術領域發揮著不同的作用,兩者之間是相互補充、優勢互補、相互驗證的關系,不可相互替代[13]。

3 通用飛行臺試驗內容

HB 7507-2014《航空發動機飛行試驗臺試驗要求》規定了航空發動機通用飛行臺試飛的科目和內容。本文結合國內外飛行臺使用過程中實際試飛科目和內容,梳理總結通用飛行臺試驗內容。

(1)常規試驗內容。通用飛行臺可開展的常規試驗內容主要包括發動機工作特性試飛、發動機性能特性試飛及進發相容性試飛。同時,利用試驗任務系統,變換從發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動機特性、性能的影響。對于大涵道比發動機飛行臺試飛,一般配裝與原型機構型一致的發動機短艙,還可開展冷卻通風、防火、氣體泄漏、排液、防冰等短艙相關的科目內容試飛,以及反推系統試飛。伊爾-76飛行臺掛裝大涵道比發動機試飛如圖1所示。

圖1 俄羅斯伊爾-76飛行臺掛裝大涵道比發動機

(2)非常規試驗內容。通用飛行臺加裝特殊的試驗設備或配備試驗機,可模擬發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、自然結冰等非常規科目內容試飛。模擬進氣畸變可采用在進氣道中加裝擾流板、模擬網、高溫氣體發生器等,主動產生壓力、溫度畸變,驗證發動機的抗壓力、溫度畸變能力以及消喘系統的有效性。模擬自然結冰,則是通過與結冰噴水機前后編隊試飛,準確地向被試發動機噴入過冷水滴,驗證短艙及發動機的防冰、除冰能力。飛行臺加裝擾流板、高溫氣體發生器開展試飛如圖2所示。

(3)特殊環境試驗內容。通用飛行臺空間移動便捷,還可輾轉各地捕獲有利環境,開展高溫、高寒、高原、高濕、吸雨、自然結冰、沙塵、大側風等特殊環境試驗,其可開展的特殊環境試驗種類之豐富、條件之真實,是高空模擬臺、氣候實驗室等模擬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)我國航空發動機研制需求,充分利用現有的載機資源,發揮我國載機設計、試驗、制造等技術優勢,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,具備三發狀態飛行和安全著陸的能力,不會因被試發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盡可能寬廣,以滿足試飛不同發動機的需求。通常飛行臺的飛行包線在12km以下的亞音速范圍內,可覆蓋客機、運輸機、亞音速轟炸機等配裝發動機的絕大部分飛行包線。而對于加力式渦輪發動機,則高空12km以上及超音速區域無法覆蓋。研究表明,利用節流網等設備可進一步擴大飛行臺試飛包線,但相比加力式渦輪發動機飛行包線,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,飛行臺應可掛載一定推力、尺寸范圍的被試發動機。制約飛行臺掛載能力的部件或系統重點在飛機的機翼和掛架。因此,為滿足被試發動機重量、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、尺寸較小的發動機,除了機翼可增加額外掛點外,經過氣動、結構等方面的評估,在滿足飛行臺飛行性能、品質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綜合考慮多方面的因素?？紤]潛在國際政治因素可能對后續研制和維護帶來的影響,應盡可能選用國產飛機作為載機平臺。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,在在役飛機和批產新機之間抉擇,需要考慮經濟性和使用壽命。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、英國等航空發達國家始終堅持飛行臺的系列化、規?；ㄔO,并采用法律/規范/條例等方式明確了飛行臺試飛在航空發動機研制體系中的地位。我國航空發動機研制已呈現系列化的發展態勢,通用飛行臺試飛需求激增,現有資源已難以滿足需求,必須進行能力研制和完善。

(1)統籌規劃通用飛行臺研制,兼顧軍民用航空動力要求。我國民用航空事業蓬勃發展,ARJ、C919等民用客機研發成功,也將推動民用航空發動機的快速發展。為充分利用試驗設施,通用飛行臺研制應在滿足軍用航空動力需求外,還應兼顧民用航空動力研制的需求,在研制立項論證中統籌規劃,避免重復建設。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民用發動機

(2)發展系列化通用飛行臺,推動航空動力自主創新研制。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。根據航空動力發展譜系中未來需要開展飛行臺試飛的新型發動機推力/功率等級、幾何尺寸、重量、試飛周期等信息,可規劃發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狀態的選型、關鍵設計技術的驗證、關鍵系統工作能力的確認等,推動自主創新研制。同時,發展系列化通用飛行臺,還可兼顧電推進系統,分布式混合推進系統,氫能源發動機以及可持續燃料/清潔燃料發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燃料發動機試飛[9],經過特殊改裝向被試發動機單獨供應可持續燃料,其余3臺發動機供應常規航空燃料。

(3)加強長期持續性投入,保持和提升通用飛行臺試驗能力。通用飛行臺的研制需要大量的人力、物力、財力等投入。依托國家專業試驗機構,爭取國家投資支持,立足“統籌規劃、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、持續性投入建設;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、大修等納入試驗經費,保持通用飛行臺試驗能力的持續性;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能力的提升,保持通用飛行臺的先進性。

6 結束語

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

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

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

(3)通用飛行臺研制,應立足于未來30年我國航空發動機的研制需求,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,屬重大基礎試驗設施建設,應統籌規劃,系列化發展,并長期持續性投入,致力于形成通用飛行臺的系列化、規?；l展格局。