重视通用飞行试验台建设支撑航空发动机自主创新

王小峰，姜健，屈霁云

（中国飞行试验研究院，西安710089）

重视通用飞行试验台建设支撑航空发动机自主创新

王小峰，姜健，屈霁云

（中国飞行试验研究院，西安710089）

通过对国内外军用标准和适航条款中关于航空发动机高空试验相关规定的解读，明确了飞行试验台（简称飞行台）在发动机研制中的地位。介绍了国外通用飞行台及其历史发展，探讨了通用飞行台在发动机研制中的作用。参考国内外使用经验，对国内航空发动机飞行台进行了定位，并根据后续型号发展谱，对国内航空发动机飞行台的后续发展给出了建议。标准和分析均表明：飞行台是航空发动机高空试验的必要手段；航空发达国家重视建设系列化的通用飞行台，国内应重视和加快航空发动机通用飞行台的系列化建设。

航空发动机；高空试验；飞行试验台（飞行台）；高空模拟试车台（高空台）；试验手段

1　引言

航空发动机高空试验，是在模拟高度-速度或真实高度-速度条件下进行的发动机试验。在美国的MIL-E-5007/A/B/C/D、MIL-E-87231、JSGS-87231A、JSSG-2007/A/B［1］等各版航空发动机通用规范，以及我国的GJB 241A-2010［2］中，均明确规定了发动机应进行高空试验，并指明高空试验的手段既包括高空模拟试车台（简称高空台），也包括飞行试验台（简称飞行台）。

航空发达国家一贯重视发动机通用飞行台的系列化建设，俄罗斯、美国的官方试飞机构均有系列化的航空发动机通用飞行台。除此外，GE、P&W、R·R三家航空发动机巨头公司，也有各自的通用飞行台用于民用发动机取证试飞。

飞行台作为航空发动机研制的重要试验手段，是高空试验不可或缺的平台设备。尽管国外航空发达国家对飞行台的使用已非常普遍，我国也先后建设了两代通用飞行台并积累了大量的试验经验，但仍有必要在行业内对飞行台的定位进行明确并达成共识。

本文首先从军用标准和适航条款出发，说明通用飞行台也是航空发动机高空试验的必要手段；其次，介绍了国外主要试飞机构和各航空发动机公司的通用飞行台情况，及其历史发展和使用经验；最后，对国内的飞行台情况进行了简介和定位。

2　飞行台和高空台都是高空试验手段

2.1航空发动机高空试验与飞行台

航空发动机的高空试验，是指其装飞机前在真实高空环境或模拟高空环境下进行的整机试验，其试验手段包括高空台和飞行台两种［3］。高空台通过模拟发动机所在飞行高度、飞行速度、吸入的高空空气来进行试验，可以模拟极限大气条件、广阔的飞行包线范围，安全、经济性好、重复性好。飞行台，也称为空中试车台，是专为航空发动机试验而改装的试验平台，用于在真实大气条件下对发动机进行研制试飞和取证试飞，是新型发动机研制过程中不可缺少的重大技术设施。飞行台在发动机瞬态、过渡过程，诸如风车转速等发动机极端工作状态确定方面有着特殊的优势。高空台和飞行台受本身技术能力的制约，在各自试验技术领域发挥着不同作用。正是由于试验手段各自存在的不足，迫使人们必须充分使用不同的试验手段予以弥补。即使是在美国这样的高空台大国，也在不遗余力地建设飞行台，说明飞行台和高空台作为高空试验的两种手段，各有优点、相互补充。

航空发动机飞行台可分为通用飞行台和专用飞行台。专用飞行台也即发动机试验飞机或发动机研究机，由小型双发或多发飞机/直升机更换一台现有发动机改装而成，其原装发动机与研制中的发动机的空气流量和几何尺寸相近。专用飞行台需要被试发动机提供动力，气、液、电负载系统采用原机系统，被试发动机操纵由飞行员直接控制。其改建工作量较小，因此一般由发动机型号统筹兼顾。

通用飞行台一般由中大型飞机改造而成，可对多型发动机进行飞行试验，其建设工作量非常庞大，需要国家和行业进行规划。通用飞行台一般有以下三个典型特征：

（1）能够不依赖被试发动机提供动力，因而能够保证较高的安全性。如图1所示的俄罗斯图-16通用飞行台。

图1　俄罗斯图-16通用飞行台Fig.1 Tu-16 general-purpose flying test bed of Russia

（2）有通用且独立的气、液、电负载消耗系统，因而能够保证全面、安全地对被试发动机进行负载加载，如图2所示。

图2　外挂风冷式电负载消耗箱Fig.2 External forced air cooling electrical load consumption unit

（3）有较宽阔和较舒适的内部空间，以便于试验技术舱内操纵台、监控台、测试机柜等的安装，和空中试车员、试飞工程师的乘坐。如图3所示的GE公司的B747通用飞行台。

图3　GE公司B747通用飞行台的内部空间Fig.3 Interior layout of GE B747 flying test bed

2.2航空发动机飞行台试验是军标规定试验内容

俄罗斯每研制一种新型发动机，必定要在飞行台上进行试验。前苏联空军总司令和航空部长1984年批准的《关于飞行试验台上进行燃气涡轮发动机与发动机动力装置试飞的条例》明确规定，在飞行台上进行有人驾驶和无人驾驶飞机发动机的飞行试验，是这些发动机进行原型机试飞的必要条件。条例中介绍，飞行台主要用于新发动机的调整试飞和特种试验（如武器发射对发动机工作的影响），包括高空台上难以完成的发动机过渡态和飞机姿态、过载变化对发动机工作的影响等项目。通用飞行台上进行的试验是整个飞行台试验的一部分。如AЛ-31Φ发动机研制中，分别在图-16通用飞行台和苏-27专用飞行台上进行了试飞，试飞周期共计13年。

美国从早期的MIL-E-5007D到JSSG-2007、JSSG-2007A、JSSG-2007B等《航空发动机通用规范》和《航空发动机联合使用规范指南》中，均在航空发动机系统试验中明确规定了高空试验。联合使用规范指南JSSG-2007A［1］中，明确规定，在初始飞行许可阶段（IFR）、全面飞行许可阶段（FFR）、初始使用许可阶段（ISR）、工作能力许可阶段（OCR），均要进行高空试验，试验内容包括高空性能点试验、瞬态工作和功能试验、发动机进口畸变试验、起动和再起动试验、风车试验、停车试验。

我国的《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》从GJB 241-87变更到GJB 241A-2010［2］，其中前者借鉴了MIL-E-5007D，后者借鉴了MIL-E-87231A和JSSG-2007等。无论是前者还是后者，均在航空发动机系统试验中明确规定了高空试验。GJB 241A-2010中明确规定，在初始飞行前规定试验阶段、设计定型试验阶段均应进行高空试验，且高空试验应在高空台或飞行台进行，试验内容包括高空规定点性能试验、瞬态工作试验、功能试验、进气畸变试验、起动和再起动试验、空中风车试验。另外，在生产定型阶段也明确规定，如果发动机技术状态与设计定型时不同，且其差异对发动机高空性能、功能有影响，则应参考设计定型试验阶段的高空试验规定补充进行有关试验。

2.3民用航空发动机都在飞行台上进行它机取证

民用飞机的型号合格审定在美国及我国，分别按照FAR25部、FAR23部和CCAR25部、CCAR23部进行，其中发动机部分按照E分部进行。CCAR25.903（a）（1）明确规定，每型发动机必须有型号合格证［4］，即在进行民用飞机的型号合格审定试飞前，配装的民用航空发动机必须取得型号合格证。其型号合格取证在美国、欧洲及我国，分别按照FAR33部、EASA的CS-E和CCAR33部进行。在具体型号的审定基础和符合性方法表中规定需要进行飞行验证的适航条款。

对于民用航空发动机，其适航取证分为两步：首先要在它机取CCAR33部的型号合格证，然后装机随飞机再取CCAR25部的适航合格证。可见，飞行台试验是民用航空发动机取证必不可缺的一个阶段和手段。根据FAR33部和CCAR33部规定，需要进行发动机电气和电子控制系统、喘振和失速特性、引气系统、燃油系统、点火系统、润滑系统、持续转动、工作试验等条款的验证［5］。

3　航空发达国家一贯重视飞行台建设

3.1俄罗斯、美国官方试飞机构的通用飞行台

俄罗斯根据发动机型号发展需求，多年来形成了庞大的航空发动机飞行台系列。据统计，到目前为止俄罗斯飞行试验研究院（ЛИИ）先后投入使用的飞行台近200架，其中通用飞行台30余架。从发动机飞行台完成的任务，可以看出从苏联到俄罗斯多年来在航空领域的发展。1947年至1957年，俄罗斯飞行研究院用4架图-2来试验第一台喷气发动机，用6架图-4来试验轰炸机、运输机及超声速战斗机的各种发动机。1951年至1952年，用3架图-4分别试验用于图-16、M-4、米格-19、雅克-25、米格-21、雅克-28、雅克-30、苏-7、苏-9、别-10、米格-105试验机等飞机的各种发动机。1953年至1957年，用伊尔-28、图-12、图-14试验用于截击机在高空加速的火箭发动机。1956年至1990年，发动机飞行台为图-16轰炸机，共9架之多，试验的发动机有30多型。1975年至1990年，采用1架图-95和2架图-142，试验功率更大的涡桨发动机。1987年至1996年，用1架图-134A试验战略巡航导弹的小型涡喷发动机。1991年至1997年，用1架雅克-42E试验D-236T后置发动机布局的桨扇发动机。上世纪90年代，俄罗斯飞行试验研究院系列化建设了多型航空发动机通用飞行台，以满足不同型号系列发动机的试飞需求，该时期同时拥有十多架发动机通用飞行台。这些飞行台承担了大量军用和民用发动机的飞行试验，所有新设计的发动机无一例外，包括有人驾驶和无人驾驶飞机的发动机及火箭发动机。以俄罗斯最著名的发动机通用飞行台伊尔-76（图4）为例，其共有7架之多，试验过的发动机有NK-86发动机、D-18T涡扇发动机、PS-90A/P/-12涡扇发动机、D-236T对转桨扇发动机、D-27对转桨扇发动机、TV7-117A涡桨发动机、NK-93共轴反转桨扇发动机、Sam146涡扇发动机、D-30kP-3涡扇发动机、Kaveri涡扇发动机等。

美国空军试飞中心（AFFTC）也拥有Boeing 707、Boeing 727、B17、B45、B47、B50、B52（图5）、B58、KC-135等数架航空发动机通用飞行台，试验过的发动机包括JT3D、JT8D、JT9D、J79、J93、TF39、F404、CF6等。

图4　俄罗斯飞行试验研究院的伊尔-76通用飞行台Fig.4 IL-76 general-purpose flying test bed of Russian flight test establishment

图5　美国空军试飞中心的B-52通用飞行台Fig.5 B-52 general-purpose flying test bed of American air force flight test center

3.2三大航空发动机公司的通用飞行台

P&W公司的飞行台，主要有MD-80、Vickers 757、2架Boeing 720（N720PW、C-FETB）、Airbus 340、2架Boeing 747SP（图6），用于测试新型桨扇发动机、PT6等涡桨发动机、PW150涡桨发动机和中小型发动机、PW1000G验证机、PW1200G/1500G/1100G新型齿轮传动发动机。

图6　P&W公司的2架Boeing 747SP通用飞行台Fig.6 Two Boeing 747SP general-purpose flying test bed of P&W

GE公司早期的发动机空中试车都在Edwards空军基地进行，曾用过的飞行台有Saberliner 75A/ 80、Grumman G1、Boeing 707、Airbus A300、Boeing 727、MD-80、Lear24等。1994年开始，GE公司将1架Boeing 747-100飞机改装为发动机通用飞行台，对CF34-8C1、CFM56-7、GE90-115B、GP7200、GEnx等发动机进行试飞。随着试验型号的增多，近期GE公司又建设了1架Boeing 747通用飞行台（图7）。

图7　GE公司的新Boeing 747通用飞行台Fig.7 The new Boeing 747 general-purpose flying test bed of GE

R-R公司的发动机通用飞行台，主要有Vulcan、VC-10、Boeing 747、Airbus 340、Airbus 380（图8），被试发动机主要有Olympus、RB199、Trent 800、Trent 900、Trent 1000、Trent XWB等。

图8　R-R公司的Airbus 380通用飞行台Fig.8 Airbus 380 general-purpose flying test bed of R-R

三大航空发动机公司的主要民用大涵道比涡扇发动机，大多数在飞行台上进行了研制试飞、预取证和适航取证试飞［6］，如表1所示。试验内容包括：发动机电气和电子控制系统、喘振和失速特性、引气系统、燃油系统、点火系统、润滑系统、持续转动、工作试验、自然结冰等条款的验证。

3.3国外对飞行台的使用经验

GE公司总结的飞行台重点试飞科目包括［7］：性能录取、加减速试验、空中起动试验、发动机滑油系统及部件冷却试飞、进气道-发动机相容性试飞等，如表2所示。

以CF34-10在飞行台上的研制试飞为例，大量试飞科目集中于空中起动和瞬态特性（图9），实质为进行FADEC调参和控制规律优化。GE公司总结到［8］：FADEC系统的研制试验，是GE公司飞行试验台最重要的能力之一。飞行试验台具有在真实飞行条件下调参来优化控制规律的功能，控制规律能被优化为在无忧操纵下获得发动机的最佳性能。空中起动试验有一定的难度和风险，飞行试验台具有飞行条件下优化燃油控制律、引气控制律及可变几何控制律的能力，能够保证在较少几个架次试验内就完成空中起动控制规律的调整和优化。第一次空中起动试验往往并不成功，后续的空中起动试验在燃油流量由工程人员实时调整和优化的情况下进行。历史飞行数据有助于控制律的调整和优化，也能使空起试验在下一架次中成功实施。

GE公司对Boeing 747-100飞行台的使用经验总结为：飞行台具有很强的试验能力，可以在很大范围的飞行包线内完成多型航空发动机的飞行试验通过飞行台试飞，使发动机能及时暴露问题并采取有效措施，降低研制风险，提升技术成熟度，有助于飞机的适航取证，对新型商用航空发动机的研制和发展具有很大的价值。

表1　三大航空发动机公司典型民用发动机的飞行台使用情况Table 1 Typical civilian aero-engine tested on the general-purpose flying test bed of three companies

图9　CF34-10发动机的飞行台研制试飞科目Fig.9 Flight test items on the flying test bed of CF34-10

4　重视航空发动机飞行台建设，支撑型号发展和自主创新

4.1对我国航空发动机飞行台定位的思考

（1）飞行台是航空发动机的研制试验手段之一，与高空台相互补充。

如前文所述，飞行台具有真实飞行试验的优势，特别是在发动机瞬态、过渡过程，诸如风车转速等发动机极端工作状态确定方面；缺点在于高度-速度包线范围不够宽广，相对试验成本较高且有一定的安全风险［9］。因此，飞行台应作为航空发动机的研制试验手段之一，与高空台相互补充、优势互补、相互验证［10-12］。

表2　GE公司总结的飞行台重点试飞科目Table 2 Major flight test items summarized by GE

（2）飞行台试飞是研制规律科学化的具体体现。

对于民用航空发动机而言，发动机的适航取证分两步走。对于军用航空发动机而言，虽未在法律和标准层面进行两步走的规定，但在GJB 241A-2010中已体现出类似思想。可这样认为：在飞行台上进行GJB 241A-2010规定的高空试验，相当于取CCAR33部的型号合格证；在原型机上进行GJB 243A-2004［13］规定的飞行试验，相当于发动机随飞机取CCAR25部的适航合格证。

（3）飞行台试飞解决的是关键问题而非所有问题。

由JSSG-2007B和GJB 241A-2010规定的飞行台试验内容可看出，飞行台试飞解决的是关键问题而非所有问题，不可能完全覆盖发动机的包线，其重点是起动边界的验证和起动供油的调整、控制规律的优化和完善、关键系统可靠性的确认等关键问题，通过飞行台试飞完善研制手段，为设计服务。

4.2我国航空发动机飞行台的历史发展

我国先后建设了两代航空发动机通用飞行台。1965年，当时我国自行研制的某发动机已进入地面试验阶段，另一型涡扇发动机也在拟定发展中。为完成发动机飞行前规定试验，原航空工业部决定将某飞机改装成飞行台，即086号通用飞行台（图10，现已退役），并在炸弹舱内加装了可收放式发动机试验吊舱及机载数据采集记录系统等。该通用飞行台建设时充分考虑了通用性和安全性，先后对多种型号发动机进行过飞行试验，试验项目有发动机风车特性试验，发动机空中起动试验，发动机加减速试验，加力燃烧室接通、切断和工作稳定性试验，发动机防喘系统试验，以及导弹喷流模拟试验等，为我国航空发动机的研制和改进、为新型飞机的安全飞行和定型、为航天和能源事业的发展做出了重大贡献。

图10　086号飞行台Fig.10 No.086 general-purpose flying test bed

我国航空发动机飞行台建设的成功，与我国航空发动机事业奠基人之一的吴大观同志的大力支持密不可分。基于对航空发动机研制的深刻理解，吴老生前曾多次呼吁：“一定要把中国新的发动机空中试车台搞上去”。在他的直接支持下，我国第二代通用飞行台研制纳入了国家“八五”规划。中国飞行试验研究院经历多方论证，最终选择某型运输机作为我国新一代通用发动机飞行台。该型运输机有以下优点：

（1）更大的机体空间。意味着可以容纳更多的测试设备，不仅可以提供更多的相关测试数据，而且最大程度地减少了飞行架次，降低了试飞成本。

（2）更大的最大起飞质量。意味着测试发动机对飞行台本身的推力轴线影响很小，更大程度地保证飞机的操纵性和稳定性不受测试发动机的影响；可以测试推力更大的发动机。

（3）更加安全的测试环境。该型运输机飞行台自身的飞行并不依靠被测试发动机提供动力，这意味着即使被测试发动机本身发生故障也不会危害到测试平台的安全，这无疑比需要被试发动机提供动力的飞行台更安全。

该飞行台能够进行发动机负载模拟-液压加载、电加载和引气条件下的各种常规试验项目，以及一些特种试验项目，如加装热扰动和进口流场畸变模拟系统等，可完成发动机吞烟试验、进气道/发动机/尾喷管匹配试验等。目前，该飞行台已对多型发动机进行了空中试飞，在我国发动机研制工作中发挥着越来越重要的作用。

4.3我国航空发动机飞行台的发展建议

我国已成功实现二代机向三代机的跨越，正在努力实现从航空大国向航空强国的转型。鉴于国外航空强国对动力技术的封锁日益加剧，使得我国无师可从、无本可鉴，要摆脱困窘就必须自力更生、立足自主创新。要完成动力装置研制的自主创新，从根本上讲必须对试验手段进行完善。

飞行台作为发动机研制的重要试验手段，在发动机研制中发挥着不可替代的作用，必须进行完善。尽早开展飞行试验，验证其在装机条件及真实飞行环境下的工作稳定性和可靠性，暴露设计研制过程中存在的问题和不足，以便进一步修改完善设计及制造，为发动机研制积累试验数据，从而加快发动机的研制进度。历史经验表明，发动机不进行飞行台科研试飞，在后续飞行使用中都会出现大量问题，或影响后续使用，或拖延研制进度并导致研制经费增加。

纵贯我国航空发动机的发展型谱，发动机型号已初步呈现系列化发展的态势，发动机型号众多、研制周期交叉重叠、时间节点无法同时兼顾。目前仅有一架通用飞行台且其本身任务饱满，显然不能满足后续型号发展的需求，系列化发展的发动机必须要有系列化的通用飞行台支持。按照后续型号的种类和时间节点需求，应建设系列化的通用飞行台并至少保证3架同时在役，从而满足军用、民用，大型、中小型，涡扇、涡桨等不同类型系列化发展的发动机的试飞需求。

航空发动机通用飞行台建设，主要包括载机本体改装、试验任务系统研制及配套厂房建设三大项、八方面内容（图11）：

图11　通用飞行台建设的主要内容Fig.11 Major items of constructing a general-purpose flying test bed

（1）载机本体改装，如机翼加强，机体结构改装或加强等；

（2）被试发动机短舱及试验挂架研制；

（3）试验任务系统研制，包括供电、电气、被试发动机操纵、燃油、起动、补氧等保障被试发动机工作的相关系统；

（4）试验加载系统研制，包括用于检查飞机液压、引气及电气负载对被试发动机工作稳定性和性能特性影响的液压、引气及电负载系统；

（5）测试及监控系统研制，包括机载数据采集、记录、遥测发射、处理及实时显示监控等系统；

（6）设置试验技术舱，以安装被试发动机操纵和监控系统、测试系统、实时数据处理系统、专用试验系统设备及装置，并保证各系统相关人员必须的工作条件；

（7）试验人员生命保障系统研制，包括试验人员供氧系统，试验技术舱防/灭火系统、逃生及救生系统等；

（8）配套厂房建设。

可见，航空发动机飞行台的建设是一项系统工程，涉及飞机平台及试验系统等诸多系统，需对飞机平台进行大规模改装，投入巨大、时间周期长，其建设必须是一种国家或行业行为。

5　结束语

（1）国内外军民用标准规定及大量事实和经验证明，飞行台与高空台一样，也是航空发动机高空试验的必要手段。

（2）航空发达国家一贯重视航空发动机飞行台的系列化建设，飞行台试飞能尽早暴露设计研制过程中存在的问题和不足，以便进一步修改完善设计及制造，并为发动机研制积累试验数据，从而可加快研制进度。

（3）随着我国航空发动机走上自主创新的道路，必须对试验手段进行完善。根据后续系列化发展的航空发动机型号，应建设满足不同类型发动机试验需求的飞行台系列。航空发动机飞行台建设是一项庞大的系统工程，需要国家和行业的巨大投入及尽早规划。

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［3］吴大观.航空发动机高空台和飞行台在我国的应用前景［J］.燃气涡轮试验与研究，1995，7（2）：1—6.

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［11］刘大响.航空发动机定型试验中的高空模拟试验［J］.燃气涡轮试验与研究，1989，2（4）：1—10.

［12］杜鹤龄.高空台在新机研制中的地位及国内外现状［J］.燃气涡轮试验与研究，1989，2（4）：1—10.

［13］GJB 243A-2004，航空燃气涡轮动力装置飞行试验要求［S］.

Significance of establishing aero-engine flying test bed for type development

WANG Xiao-feng，JIANG Jian，QU Ji-yun
（Chinese Flight Test Establishment，Xi'an 710089，China）

By explaining aero-engine altitude test definitions in domestic and foreign military standards and civil airworthiness certification codes，the status of flying test bed was indicated.The supporting role of flying test bed was illustrated by summarizing operation experience and evolution of foreign aero-engine flying test beds.In addition，the level and function of domestic aero-engine flying test bed were pointed out. Based on the future type developing program，advices were given to the establishment of domestic aero-engine flying test bed.Standards and operation experiences all indicate that flying test bed is indispensable in aero-engine altitude tests.Aviation developed countries paid much attention to aero-engine flying test bed. Importance should be attached to the development of domestic aero-engine flying test bed.

aero-engine；altitude test；flying test bed；altitude simulation test facility；test method

V271.37

A

1672-2620（2015）06-0001-08

2015-07-07；

2015-12-14

王小峰（1965-），男，陕西西安人，研究员，通用飞行台总师、通用飞行台系列化建设项目负责人，研究方向为通用飞行台建设及试飞技术。