基于首飞任务科目的初始飞行前持久试车载荷谱设计

陈伟博 姜繁生 于明

摘要：本文介绍了一种基于首飞科目的初始飞行前持久试车载荷谱设计方法，包括首飞任务科目的确定、飞行任务剖面的编制、持久试车载荷谱的编制等。本文的研究内容具有一定的工程实用性，为新研制的航空发动机首飞前的持久试车载荷谱设计提供了方法。

Abstract： This paper introduces a design method of the endurance test load spectrum before the first flight based on the first flight subjects， including the determination of the first flight mission subjects， the compilation of the flight mission profile， the compilation of the endurance test load spectrum，etc..The research content of this paper has certain engineering practicability， which provides a method for the design of the endurance test load spectrum of the newly developed aeroengine before the first flight.

關键词：首飞科目;初始飞行前;持久试车载荷谱

Key words： first flight subjects;before the first flight;endurance test load spectrum

中图分类号：V263.1               ;                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）24-0010-03

0  引言

在《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》中，将航空发动机研制分为三个阶段，即初始飞行前阶段、设计定型阶段、生产定型阶段，每个阶段均需完成相应的考核试验才能进入下一研制阶段。在各阶段的考核试验中，持久试车是最为重要且难度最大的整机试验，是对发动机的性能保持、结构完整性、强度寿命的全面考核，对发动机的技术鉴定具有重要意义。[1-4]

在发动机初始飞行前持久试车技术要求中，《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》规定了试车载荷谱的制定应与飞行任务有关，即试车载荷谱的载荷要求需满足飞行任务剖面的载荷要求。试车载荷谱的普遍制定方法为收集发动机外场飞行参数，从中选取出典型任务剖面，根据典型任务剖面确定出持久试车载荷谱。这种方法对于改进型发动机或衍生型发动机而言，通常可以参照大量的基准型发动机飞参数据制定飞行任务剖面，对于全新研制的发动机而言，发动机性能、用途差异较大，无法沿用其它型号的发动机飞行参数，故有必要开展相关研究，使初始飞行前的持久试车载荷谱既能满足发动机考核要求，又不超出首飞所需的强度、寿命等要求，以便发动机可以顺利进入下一阶段的研制。

1  持久试车载荷谱设计流程

针对全新研制的航空涡轮发动机，本文介绍一种通过确定发动机首飞任务科目，结合飞发协调计算等结果制定首飞任务剖面，最终根据飞行任务剖面确定持久试车载荷谱的方法。具体设计流程见图1。

具体设计流程说明如下：

①确定首飞任务科目：首飞任务科目是飞行任务剖面的基础;

②计算各任务科目完成所需的时间：根据飞发协调结果确定飞机爬升、水平加速等典型任务科目所需时间;

③设计首飞任务剖面：在首飞任务科目及所需时间确定后，根据发动机典型工作特点，按照暖机、起飞、爬升、飞行至预定高度、开展飞行任务、返航、冷机等内容编制飞行任务剖面;

④根据飞行任务剖面，编制持久试车载荷谱。

2  首飞任务科目的确定

首飞任务科目主要验证发动机研制要求中的关键性能指标及主要功能，一般包含用户所关注的大部分战技指标，通常有如下部分：

①发动机油门杆-转速跟随性：验证发动机推力响应是否满足指标要求;

②不同高度、马赫数条件下的发动机加减速性：验证发动机不同飞行包线区域内的加减速性是否满足指标要求;

③消喘/防喘检查：检查发动机的消喘/防喘系统是否可以有效投入工作，并在规定时间内发动机恢复至正常工作状态;

④空中风车起动：检查发动机熄火后空中再起动的能力;

⑤空中水平加速：检查发动机平飞加速性，是否达到指标要求;

⑥加力通断检查：检查加力通断边界及加力燃烧室工作稳定性。

以上仅列出部分飞行科目，通常飞行科目由用户方提出，与发动机方协调确认。

3  主要飞发协调计算参数

确定完飞行科目后，需要确定与首飞任务科目相关的飞行时间，飞行时间的协调计算主要依据发动机的高度-速度特性及飞机阻力特性，需要飞发双方共同制定，主要计算内容如下：

①发动机爬升时间：即飞机在起飞后爬升至目标高度所需的时间。需要根据飞行高度、马赫数、发动机工作状态计算发动机推力、飞机阻力，确定飞机爬升到目标高度时所需时间，得到的爬升时间将作为每架次飞行任务剖面的设计参数;

②平飞加速时间：平飞加速主要考核发动机不同高度下飞机从初始马赫数飞行至目标马赫数的加速时间，此时需要确定相应的飞行高度、马赫数，计算发动机推力及飞机阻力，得到平飞加速时间;

③实用升限/爬升性能时间：即采用直接爬升法验证飞机的实用升限及采用平飞加速法验证飞机的爬升性能时间，需根据飞发协调结果计算爬升时间。

除上述需计算的相关飞行时间外，还应根据飞发协调结果确定不同高度、马赫数下的稳定平飞考核时间、等表速下滑時间、各项功能检查所需的时间等。

4  首飞任务剖面的确定

在确定完首飞任务科目、相关飞行时间之后，可结合飞行架次安排每一次飞行所需完成的飞行科目，进行飞行任务剖面的编制。飞行任务剖面通常由发动机暖机、滑行、起飞、爬升、稳定平飞、发动机相关功能检查、性能验证等任务科目，通常在发动机首飞阶段试验科目较多，每架次飞行任务剖面均会有所不同。部分飞行任务剖面的制定如图2～图5所示。

图2为发动机稳态检查及加减速检查飞行任务剖面，在完成暖机、起飞、爬升后，在规定的高度、马赫数下开展发动机各转速工作稳定性检查，之后进行加减速检查，完成后将在其它要求的高度、马赫数条件下再次进行稳态检查及加减速检查。

图3为发动机加减速检查及加力通断检查飞行任务剖面，加力通断通常包含慢车-全加力、中间-小加力、中间-全加力、小加力-全加力等科目的检查。

图4为发动机实用升限检查等科目飞行任务剖面，飞机起飞至规定高度后，即以规定的发动机状态、马赫数进行爬升。

图5为发动机平飞加速等科目飞行任务剖面，飞机起飞至规定高度后，即以规定的发动机状态飞行至包线右边界。

5  持久试车载荷谱设计

5.1 设计原则

在持久试车载荷谱的设计过程中，通常需要考虑发动机大状态（中间及以上）工作时间、低循环疲劳次数、加力点火次数（带加力燃烧室的航空涡轮发动机）等。

发动机低循环疲劳次数通常以三循环方式进行编制，即Ⅰ类循环（停车-最大/中间-停车）、Ⅱ类循环（慢车-最大/中间-慢车）、Ⅲ类循环（巡航-最大/中间-巡航），在发动机载荷统计时，通常利用雨流计数法得到所有循环，并将Ⅱ类循环、Ⅲ类循环换算为Ⅰ类循环，得到总累积循环数。

发动机的疲劳损伤通常以总累积循环数和大状态工作时间表征，在持久试车载荷谱设计过程中，总累积循环数、大状态工作时间和加力点火次数（带加力燃烧室的航空涡轮发动机）需不低于飞行任务剖面统计结果。

5.2 持久试车载荷谱设计

目前国内持久试车载荷谱的设计方法较多，有系统聚类法、主成分聚类法、模糊聚类法等[5-15]，这些方法普遍适用于外场飞行架次较多、飞行剖面复杂多变的情况，且需要选取典型任务剖面进行分析。考虑到飞发协调计算得到的飞行任务剖面每架次飞行科目均不相同，本文根据通用标准试验载荷谱的编制方法进行持久试车载荷谱设计，具体步骤如下：

①统计所有载荷循环：对首飞任务剖面的所有载荷循环数进行统计，包括Ⅰ类循环、Ⅱ类循环、Ⅲ类循环;

②生成任务剖面载荷参数序列：由以上统计的循环数，根据飞行总架次及飞行总时间，生成发动机各飞行任务在一定时间内的任务混频，得到每一次试车发动机转速状态及Ⅱ类循环、Ⅲ类循环次数;

③分段统计各转速状态保持时间：将划分好的发动机转速范围根据飞行任务剖面分配各载荷状态时间，包括大状态时间、巡航时间、慢车时间;

④编制持久试车载荷谱：在得到上述参数后，根据试验循环数、各转速状态工作时间、生成持久试车载荷谱。

若不同架次首飞任务剖面的总时间及低循环疲劳次数差异较大，为保证考核充分，生成的试车载荷谱通常需要两个以上。以上述协调计算产生的飞行任务剖面为例，生成的持久试车载荷谱见图6～图7所示。

6  结论

通过本文的研究，得到以下结论：

①对于新研制的航空涡轮发动机，若无法参考其它发动机的外场飞行参数，可通过飞发协调计算得到首飞任务剖面，以此作为初始飞行前持久试车载荷谱的设计输入。

②根据任务混频等设计方法，在满足发动机飞行任务剖面载荷要求的条件下，根据统计的低疲劳循环次数、各转速段工作时间可得出用于试验考核的持久试车载荷谱。

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