涡轴发动机吞鸟试验方法研究

康 飞 盛 腾 许明文 朱明明

鸟撞机即鸟与高速飞行的航空器相碰撞的事件。鸟撞机是威胁航空安全的重要因素之一，自1988 年以来，鸟撞机引起的坠机事故已至少造成200 多人的死亡[1-2]。

在直升机领域，虽然该种航空器相对于固定翼飞机通常航速较低，但对于装备直升机的涡轴发动机来说，鸟撞机的危害依然是致命的。因此无论国内外民机适航取证还是军机设计定型涡轮轴发动机的抗撞鸟性能都提出一定的要求。所以在发动机研制阶段组织实施地面试车台的发动机吞鸟试验科目是必需的。

1 试验方法及内容

1.1 试验内容

发动机吞鸟试验工作分为三个阶段：试验平台的搭建、投掷装置的调试，试验实施。

1.2 试验平台搭建

首先需按照场地规模和试验要求搭建吞鸟试验平台。该平台应至少有试验件台架、投掷装置及高速摄影装置三个部分。该试验平台布置示意如图1 所示。试验平台的布置应能满足以下基本要求：

a.投掷装置布置应能保证飞鸟投入试验件入口。

b.试验平台应满足高速摄影器材测速需要。

c.试验平台中各种仪器设备之间应无相互干扰或其他安全隐患。

图1 吞鸟试验平台布置

1.3 投掷装置调试

投掷装置调试的主要目的是保证预想射速与实际射速相一致以确保实际试验中飞鸟的实际射速满足试验要求。

本文所述投掷装置为空气炮，其基本原理是依靠压缩空气在炮管内膨胀过程推动投掷物（含飞鸟）由静止加速到预定速度继而从炮口抛出。调试试验数据如表1 所示，可见该型投掷装置预设射速与实际射速值存在较大偏差。所以需依据该型气体炮投射的物理原理对投射速度v 进行拟合。

本文采用最小二乘法[3]拟合二次曲线的策略，根据空气炮空气压力能与投掷物动能的线性关系构造如下曲线式。

图2 某空气炮射速X 与Y 的二次曲线拟合

Y=aX2+bX+c；

X=v；

Y=K；

式中：v—射速；

P—发射初始气压；

m—投掷物（含飞鸟）总质量。

拟合曲线如图2 所示。

经拟合的二次曲线式。

由（2）、（3）式即可求得该空气炮发射压力P 与速度v 的对应关系。

表1 投掷装置射速及偏差度

1.4 试验实施

试验实施阶段要点：

a.确保试验安全。

b.确保投掷物（飞鸟）的实际质量与实际投掷速度符合试验要求。

试验方法：首先检查各试验器材状况确认其能正常运行，现场对活的飞鸟进行现场宰杀并称量其质量，若同组多只鸟毛色接近则需对不同的飞鸟先进行区别标记（羽毛涂颜色）。

试验开始前装填飞鸟至投掷装置，对发动机及其他试验设备进行检查，一切正常后起动试验件至目标状态，透射手操作投掷装置投送飞鸟，若发动机能继续安全运行则按正常流程结束试验。若否则操作发动机立即停车。试验流程见图4 所示。

实践表明，对投掷物（飞鸟）进行标记是必要的。多次试验结果表明投射入发动机的飞鸟90%以上均出现肢体不全难以辨识（如图3 所示）的问题。

图3 发动机流道中的残肢

破损机理：飞鸟投掷过程中拥有极高的动量，发动机流道[4]进口附近存在各种刚性支板及挡板。当飞鸟瞬间撞在发动机支板或挡板处即出现破损现象，部分飞鸟残肢高速冲进内流道可能被内流道中的支板瞬间切割。

鉴于该项试验通常要求一次性投掷多只飞鸟，所以投掷前对不同飞鸟的羽毛进行区别染色是非常必要。

实践证明对每组抛掷物（飞鸟）挑选遵循以下优先原则：

第1 级：宰杀前必须是活的。

第2 级：体重符合要求。

第3 级：基础毛/羽色色差对比明显。

第4 级：挑选易于染色（优先浅色）的单只鸟。

第5 级：对同组的飞鸟毛色进行差异化染色。

图4 吞鸟试验流程

2 试验结果

对某投掷器抛射出口速度v 采用最小二乘法拟合二次曲线，该抛掷器在某次试验实践中使用该二次曲线进行抛射速度控制，其设置的目标抛射速度与实际抛射速度极为接近（偏差度见表2 所示），该精度完全满足试验对精度的要求。

表2 投掷速度v 及偏差度

某吞鸟试验中对表3 所示两组投掷物视情采取不同处理方案，其效果令人满意。

表3 投掷物组别

3 结论

实践证明使用上述所述试验方法能够在地面整机试验台完成涡轴发动机吞鸟试验。涡轴发动机地面吞鸟试技术要点及解决方法如下：

（1）投掷物实际投掷速度应基本符合预期，为此刻根据投掷器投掷原理选用最小二乘法拟合二次曲线的方法消除投掷器系统误差。

（2）投掷物的选择应合理，同一组别应选择毛色差异较大的单只便于试验后对残体进行区分，或可使用区分度强的颜料对同组飞鸟毛/羽色进行差异化染色。

（3）投掷器应进行多次模拟，力求可靠。

研究结果为涡轴发动机吞鸟试验的进一步改进提供支撑。