探索航空发动机性能试飞 发动机不是造出来的

2015-03-27 08:57:00 中国航空报 分享
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  航空发动机因其设计难度和工艺复杂度被誉为“工业之花”,体现了一个国家工业综合实力水平的高低。它又被称之为“飞机的心脏”,其最基本功能是为飞机翱翔天际提供所需的推力。发动机推力大小在很大程度上决定了飞机能够飞多快和飞多高,而发动机耗油率则决定了飞机可以飞多远。利用简单的理论公式可以得到发动机推力和耗油率,但实际上忽略了许多重要因素,是粗略而不真实的。实践是检验真理的唯一标准,浩大的试飞工程才是得出发动机准确推力的唯一途径,可以说,航空发动机不是造出来的,而是试出来的。 

  举个例子,1995年11月,美国空军、波音公司和通用电气公司联合开展了关于F/A-18E飞机配装F414-GE-400发动机的性能飞行试验计划,光前期的技术准备和相关试验就花费了长达32个月,飞行试验中又选取了7架F/A-18E试验机,经过近百架次的飞行试验和数据处理工作,最终才完成了发动机性能飞行试验。

  发动机性能试飞为何如此重要

  简单来讲,发动机性能特性试飞主要是确定不同状态下发动机推力和燃油消耗率的变化,是一门吸取了古典力学、数学等多门学科的精髓而发展出的新兴试验学科,是集流体力学、工程热力学、发动机工作原理、传感器技术、概率与统计、编程技术等多个学科于一身的综合性的科学试验。早在第二次世界大战末期,在第一台喷气式发动机诞生的那刻起,工程师们就认识到发动机装机性能水平的重要性,从此发动机性能试飞就成为最重要的试飞项目之一。上世纪50年代,国外开始涌现不同的发动机性能试飞技术,伴随着不同类型发动机的出现,直至上世纪80~90年代其试飞方法才逐渐成熟。直到21世纪初,国外航空发达国家仍然对其不断完善和改进,鉴于该试飞科目的复杂度,国外甚至成立专门的委员会来协调解决相关的跨专业技术问题,并出版了一系列的指导性文件,其重要性可见一斑。

  发动机性能试飞为何如此重要?从飞机角度来讲,它是获得飞机升阻特性、验证风洞试验结果可靠性的基础和唯一途径,从发动机角度来讲,它是检验发动机设计水平的最终手段。不论是早期设计简单的涡喷式发动机,还是如今结构复杂、概念超前的新概念发动机,都需要直接借助发动机性能试飞来考核其设计水平。与此同时,无论是早期的第二代喷气式战斗机,还是如今性能卓越的新型战斗机,都需间接地借助发动机性能试飞来确定飞机设计水平。

  毫无疑问,航空发动机性能试飞是一个高度综合且复杂的试验项目,牵扯到部件风洞吹风试验、发动机地面台架试验及高空模拟试验、发动机飞行试验等诸多试验环节,同时涉及飞机设计、发动机设计、试验等诸多工业部门。加之发动机本身设计形式、用途等随时代在不断变化,到目前为止世界上还没有一套放之四海而皆准、一成不变的标准试飞方法。因此,随着时代在进步、技术在提升,发动机性能试飞也需要逐步成长和完善。

  探索发动机性能试飞技术前沿

  航空发动机飞行推力确定试飞是一项集地面试验与飞行试验于一体的研究性活动。因为飞行中无法直接获得满足精度要求的推力值,通常需要通过数值计算、比例模型试验、地面台架试验、高空台模拟试验等手段,在未知的推力与已知测量参数之间建立一定的校准关系,飞行中通过测量已知参数间接得到发动机的飞行推力和油耗。

  借助先进的计算机数值仿真手段,中航工业试飞中心开展了一系列进气系统、排气系统、全机系统等流场的数值仿真工作,为发动机性能飞行试验提供重要技术支持,这也是目前国外广泛使用的方法之一;采用专用的发动机热力循环模拟软件,为研究不同工作条件下的发动机热力循环参数变化趋势开辟了途径;比例模型吹风试验则用于研究发动机进气系统、排气系统的性能及其参数变化趋势和数值仿真结果验证,该环节是计算结果可靠性的重要保证;整机地面台架试验和高空台试验主要用于性能录取及性能计算方法验证,修正系数校准等;全机推力台用于研究装机条件对发动机性能水平的影响;飞行试验则用来考察不同飞行条件下装机性能水平,获得不同条件的发动机飞行推力,并开展稳态性能建模试飞。

  通过坚持不懈的技术攻关,在缺乏相关技术经验的情况下,试飞中心已经初步掌握或正在攻关飞行推力确定各个环节的关键技术,正快步迈向飞行推力确定试飞技术的新阶段。

  发动机性能试飞开创发展新纪元

  我国的发动机性能试飞可以追溯到1959年试飞中心建立之初,当时试飞中心发动机试飞技术人员开始收集、翻译并吸收一批国外发动机推力确定的技术资料,初步掌握了直接测量法、间接测量法、内部法、外部法、燃气发生器法、加力燃烧室壁面静压法等多种发动机飞行推力确定方法,拉开了我国发动机飞行推力测量的序幕。

  通过飞行实践掌握国外的飞行推力测量技术,定量地评定发动机的高度-速度特性的目标,推动试飞中心进行了一系列发动机飞行推力测量工作,对国外各飞行推力测量方法逐一进行了学习和检验。对于带收敛固定尾喷管的涡喷发动机,主要采用燃气发生器法的推广形式和摆动耙法来测量飞行推力,其中燃气发生器法的推广形式在原型机和飞行台上测取了一系列涡喷发动机的飞行推力,获得了不错的结果,同时,在该方法的基础上提出了获取发动机性能特性的通用特性试飞方法和换算方法;摆动耙法在原型机上两型发动机的飞行推力,使用水冷耙在某型飞行台上测取了某型涡喷发动机的飞行推力。

  2010年11月,试飞中心在承担某型飞机发动机飞行推力确定试飞任务的基础上,对其试飞方法和试飞经验进行了全面总结,并充分借鉴和吸收国外航空发达国家的相关性能试飞方法,初步形成了针对分开排气大涵道比涡扇发动机的标准净推力确定方法,并结合性能试飞数据处理结果,验证了试飞方法的正确性。试飞中心梳理了性能试飞专业关键技术点和难点,组织建立了航空动力装置性能试飞专业发展谱,为该专业的长期发展奠定了技术基础。随后,试飞中心承担某型发动机的性能试飞工作,作为国内首次独立承担该项发动机飞行推力确定试飞,成功解决了技术难题,给出了能够满足工程需要的发动机推力值。

  从2012年起,试飞中心开始了发动机飞行推力确定技术攻关。目前试飞中心已完成试飞前所有技术准备工作,制定了切实可行的性能试飞方案和数据处理方法,完成了性能计算程序的编写,并开创性地研制了加力燃烧室出口高温气流参数专用测头,为后续地面试验和飞行试验的开展奠定了坚实基础,开创了多型发动机性能试飞蓬勃发展的新纪元。

  2014年,试飞中心开始了全机模型的三维数值仿真计算工作,开启了发动机安装净推力确定方法的研究道路,在今后的时间里,通过开展大量的全机模型CFD数值模拟、缩比模型风洞吹风试验等手段,建立并健全发动机安装净推力的确定方法,将使我国的发动机性能试飞技术更上一层楼。

  把握发动机性能试飞未来方向

  随着时代的进步、科技的发展,现如今试飞中心发动机性能试飞专业焕发出蓬勃的发展生机,取得丰硕的成果。

  在前期技术积累的基础上,在未来几年,试飞中心发动机性能试飞技术将从目前的仅能给出标准净推力过渡至给出最终结果——发动机的飞行安装推力,并为各类发动机的稳态性能试飞建立完善的飞行试验体系。在掌握了发动机稳态性能试飞技术的基础上,今后将进一步开展发动机过渡态性能确定试飞技术的研究工作,为评价飞机在进行机动飞行过程中发动机性能是否满足指标要求打下基础。

  未来,试飞中心将通过发动机性能试飞,验证并修正发动机设计单位给出的初步推力计算模型,获得准确的发动机推力管理模型,实现飞行中发动机推力的自主控制,伴随新型航空动力装置陆续进入工程实践阶段,发动机性能确定试飞也将面临一些新的技术难题和挑战,专业的发展也势必会展现出新的活力,未来的道路会有压力和挑战,试飞中心将一路跨越、砥砺奋进,不断迈向飞行试验光明的殿堂。

责编:刘昆
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