无人机用涡扇发动机高空模拟试验标准研究

2015-01-08韩建军

航空标准化与质量 2015年3期

韩建军

（中航工业综合技术研究所，北京 100028）

随着信息技术的发展和作战模式的转变，无人机逐渐成为各国武器装备发展的热点[1]，特别是以“全球鹰”为代表的高空长航时无人机，可在敌后战场或纵深区域执行高空长时间大范围的侦察和监视任务，为作战人员提供了大量的战场信息支援。高空长航时无人机要求配装的涡扇发动机能在高空以较低马赫数长时间稳定工作，为了满足无人机提出的功能、性能及可靠性等方面要求，发动机在研制过程中需要进行大量的试验，其中高空模拟试验是发动机定型必须完成的重要试验项目。

国内现有航空发动机高空模拟试验相关标准大多针对或参考有人驾驶飞机发动机制定，如GJB 241-1987/GJB 241A-2010《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》和GJB 5100 -2002《无人机用涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》均包含了对高空模拟试验的要求条款，提出了对高空性能试验、推力瞬变试验、功能试验、起动和再起动、进气畸变试验、高空风车旋转试验等试验项目的要求[2，3，4]，可用于指导发动机型号规范中高空模拟试验要求的编制。此外GJB 4879-2003《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机高空模拟试验要求》作为GJB 241-1987/GJB 241A-2010的重要支撑标准，对航空涡喷、涡扇发动机的高空模拟试验提出了更为详细的试验要求，其中涵盖了高空性能试验、高空功能试验、空中起动与再起动试验、高空推力瞬变试验、进气畸变试验、高空风车旋转试验、进气加温和进气加温加压持久试车、发动机振动测量试验、高低温起动和加速试验、高原起动试验以及吞入大气中液态水试验等试验项目[5]，可用于指导涡扇发动机高空模拟试验的具体开展。但这些标准内容未能充分体现高空长航时无人机用涡扇发动机的技术特点，因此需要分析高空长航时无人机涡扇发动机的使用特点，提炼出高空长航时无人机涡扇发动机对高空模拟试验标准的特殊要求，为形成相应的标准规范提供支撑。

1 高空长航时无人机涡扇发动机特点分析

高空长航时无人机用涡扇发动机与有人驾驶飞机用涡扇发动机的设计要求和验证要求基本一致，但也存在一定的区别，其差异性主要体现在其高空使用环境、长航时运行和无人驾驶操纵等方面。

1.1 高空使用环境方面特点分析

高空长航时无人机用涡扇发动机要求飞行高度更高、范围更广，其巡航高度一般在15km以上。在11km以上高空，空气变得更加稀薄，大气的密度低、压力低、温度低，而高空长航时无人机较低的飞行马赫数又导致流经发动机的空气流量较小，这种低密度、低压力和低温度的高空大气环境与较小的空气流量会对发动机运行产生较大影响，主要表现在以下方面。

● 高空环境下流经发动机的空气流量较小且流速低，导致流经发动机风扇和压气机的气体雷诺数降低，气流易分离、流动损失大、效率降低且压气机更易发生喘振；

● 由于发动机空气流量小且流速低，燃烧室和涡轮要达到规定的冷却效果就需要更多的冷却引气，这将进一步减少发动机主气流通道的空气流量，导致发动机推力下降和耗油率升高，并导致发动机能为无人机提供的引气和功率更少；

● 由于发动机空气流量小且流速低，同时由于高空的低温空气可能导致无人机燃油箱结冰，某种情况下可能需要引气对燃油箱进行加温防冰。这些加温引气将导致发动机主气流通道的空气流量下降、发动机效率降低、推力下降；

● 发动机在高空需要的燃油流量大幅减少，同时高空压力低且流经发动机的空气流量小，导致燃油喷嘴雾化效果变差；

● 由于高空长航时无人机在执行任务（一般为侦察任务）时，需要对发动机进行频繁控制，以实现无人机的平稳飞行。而在高空低温低压环境下，对空气流量小的发动机进行频繁控制，将使发动机的工作稳定性变差，极易导致熄火等问题；

● 由于在高空环境下发动机的工作稳定性变差，可能在不同的转速下熄火停车，因此发动机面临在不同转速下惯性起动的问题；

● 若发动机长时间处于高空风车运转，燃油箱容易结冰，冰晶可能会进入发动机燃油管路，可能会堵塞燃油喷嘴；另外燃油温度低粘度大，喷嘴雾化效果变差；这些都将导致发动机点火更为困难，难以实现长时间高空风车运转后的空中起动；

● 在高空小表速下的发动机空气流量小、气流易分离、燃油喷嘴雾化困难等问题，将使发动机对油门杆或油门电机的变化速率更为敏感，若变化速率过大容易导致熄火停车。

1.2 长航时使用方面特点分析

高空长航时无人机的长航时特点要求涡扇发动机应能够长时间工作，如全球鹰的巡航时间长达24h。长航时的持续工作对发动机的耗油率、润滑系统滑油消耗量以及控制系统的长时间工作能力等提出了更为严峻的挑战，主要表现在以下方面。

● 无人机长时间航行要求发动机耗油率更低、燃烧效率更高且载油量更大。而由于地面工作时发动机需要较大的燃油流量，单油路供油不能满足大流量的供油要求，需要采用多油路供油；而在高空长航时工作时发动机耗油率低，需要的燃油流量大大降低，需要关闭多油路供油，采用单油路供油，以保证燃油管的供油压力，改善燃油喷嘴的雾化效果，提高燃烧效率；

● 无人机长航时运行要求滑油载油量更大，发动机滑油消耗量更低，封严效果更好。因为无人机长时间航行在高空环境中，封严装置两侧一直存在较大的压差，滑油更容易泄漏；滑油在低压环境下也容易形成油气混合物，造成滑油消耗量加大；

● 无人机长时间航行在高空低气压低密度大气环境中，滑油热量不易散去，需要通过燃油循环进行散热，对燃油流量要求更大，但发动机在高空长时间航行需要的燃油量较小，因此可能需要设置其他的燃油散热回路，让通过燃滑油散热器的部分燃油直接回流到回油箱，而不是进入燃油喷嘴进行燃烧。这可能导致燃油箱供给发动机的燃油温度升高，进而导致燃油泵的胶圈老化，使发动机可靠性变差；

● 无人机长时间航行对发动机控制系统的可靠性要求更高，要求控制系统具有长时间持续稳定工作的能力。

1.3 无人驾驶操纵方面特点分析

高空长航时无人机用涡扇发动机还存在以下无人驾驶操纵方面的特点。

● 无人机由地面站遥控飞行或按程序自主飞行，对发动机的控制也不再是驾驶员操纵油门杆，而是采用油门电机模拟驾驶员操纵油门杆的动作，带动发动机燃调装置，或采用总线将数字油门杆的数据发送给电子控制器；

● 为保持无人机高度和表速的稳定性，无人机对发动机的操纵非常频繁，即需要不停地调节发动机的推力来维持无人机的表速和高度，频繁操纵会对发动机的工作稳定性产生不良影响；

● 无人机的任务载荷对发动机的功率提取量较大，且在飞行过程中根据任务的需要，无人机对发动机的功率提取量也会存在较大变化，功率提取量变化会突然改变发动机的负荷，容易导致发动机熄火停车；

● 无人驾驶飞机与有人驾驶飞机在发动机空中起动与再起动方面存在差异，以往有人驾驶飞机的飞行员可以人为判断出发动机停车，并在合适的时机进行发动机起动与再起动。而无人机机上没有飞行员，地面站操纵人员或自主飞行程序只能依靠机上传感器感知发动机的运行状态，只能通过软件判断起动时机，只能依靠飞控/发控对发动机进行起动，起动风险较大。判断是否出现空中停车，空中起动的时机或是否能进行起动，以及起动成功后能否起动成功，都需要合适的判据来进行判断，这些判据需要通过试验来确定和验证。

1.4 其他方面特点分析

高空长航时无人机用涡扇发动机还有一些其他方面的特点，主要包括：

● 为了降低雷达反射面积，一般将涡扇发动机安装在高空长航时无人机的机背上方（如“全球鹰”无人机），而受无人机尺寸和发动机安装位置的限制，可能需要采用S形进气道，这将导致进气道流动损失变大，且发动机进口空气畸变变大，造成发动机运行的不稳定；

● 高空长航时无人机用涡扇发动机一般不需要参加战斗，不追求高机动性、不追求高速度，一般不需要加力燃烧室等部件，也不需要采用矢量喷管和反推力装置。

2 高空长航时无人机用涡扇发动机对高空模拟试验的特殊要求

通过上述对高空长航时无人机用涡扇发动机在高空环境、长航时运行和无人驾驶操纵等方面的特点分析，得出高空长航时无人机用涡扇发动机在高空模拟试验时应关注的特殊要求如下。

● 高空模拟试验不需要考虑加力装置、矢量喷管和反推力装置的相关要求；

● 高空模拟试验的试验条件按照极限大气选取，应具备模拟15km以上高度大气温度和压力的能力。试验中应更关注发动机耗油率。若试验条件允许，应更关注滑油消耗量的测量、封严腔压力的测量、滑油和燃油温度的测量；

● 高空性能试验和高空功能试验中，应更关注高空低温环境对发动机工作稳定性的影响，特别是考核发动机在高空小表速下的工作稳定性；关注高空工作时单油路供油对发动机性能的影响及此时发动机的工作稳定性；关注发动机的引气量和/或功率提取量对发动机性能的影响，关注不同功率提取量下发动机的工作情况以及功率提取量变化时发动机的工作稳定性；关注进气畸变对发动机性能和稳定性的影响；

● 空中起动与再起动试验中，在模拟高空条件下应考核单油路供油对空中起动与再起动的影响，并评估起动后发动机的工作稳定性；应验证发动机在不同转速下进行惯性起动、在高空长时间风车后进行起动、有和没有功率提取下进行起动、高空没有起动机带转时只能依靠惯性和风车进行起动的能力；还应检查起动判据的有效性；

● 推力瞬变试验中，应在发动机整个工作包线内选取各个试验点，且要符合飞行任务要求，并测定无人机系统引气和功率分出以及进气畸变对发动机高空推力瞬变特性的影响；检验发动机推力瞬变试验中瞬时动态空气流量的过量和不足随时间变化的容限；

● 高空风车运转试验中，发动机的排气状态及高空试验舱内环境压力应模拟真实的高空大气压力，试验按有和没有无人机系统引气和功率分出两种情况进行。当无人机任务谱中具有空中滑行内容时，应在试验中进行滑行轨迹下的风车试验，考核空滑下发动机的风车运转能力；

● 发动机控制系统试验中，应验证不同的油门杆/油门电机变化速率、频繁操纵油门杆或油门电机、不同功率提取量以及功率提取量变化等情况对发动机工作稳定性的影响，验证无人机自主飞行与地面站遥控飞行切换时发动机控制系统的稳定性，还应考核控制系统长时间运行时的稳定性和可靠性。