航空发动机高空模拟试验设施建设与发展思考

张志国

(中国国际工程咨询有限公司，北京 100048)

1 引言

航空发动机是当今世界上最为复杂的多学科集成物理系统，涉及了空气动力学、工程热物理、机械、电子、控制等多个学科与工程领域，是设计和制造难度最高的工业产品。航空发动机试验在发动机研制过程中发挥着重要的作用，通过先进的试验设备和试验技术，不仅可以全面、有效地验证航空发动机各方面的性能，还有助于及时发现设计问题、缩短研制周期和降低研制成本[1-2]。

鉴于航空发动机工作环境的复杂性，航空发动机设计点、设计手段无法涵盖其使用状态和使用环境，因此建设航空发动机高空模拟试车台(简称高空台)等试验设施，是航空发动机产品研制和技术进步的必然手段。高空模拟试验设施主要用于各类航空发动机科学研究、技术鉴定、适航取证等重要试验，其研制技术难度大，建设成本高、周期长，运行维护技术复杂。

近年来，随着国家对航空发动机研保条件建设投入的不断加大，多座高空台建成并投入使用，涵盖了涡喷涡扇发动机、涡轴涡桨发动机、矢量推力发动机、大涵道比发动机的高空模拟试验，进一步拓宽了我国航空发动机试验验证范围，提升了试验水平，填补了试验能力上的多项空白，有效支撑了武器装备科研生产任务。但是与国外航空发动机技术领先的国家相比，我国航空发动机高空模拟试验设施，在一些方面仍然存在差距，不利于我国航空发动机产品的加速研制。

本文对国外高空模拟试验设施进行了简要介绍，并以美国阿诺德工程发展中心(AEDC)为例，对其高空模拟试验设施发展方向和趋势进行了分析，以期为我国航空发动机高空模拟试验设施的建设与发展提供参考。

2 高空台及高空模拟试验

高空台是规模最大、建设成本最高、运行维护成本最昂贵的航空发动机单体试验设施，其规模与试验能力主要取决于供气和抽气气源的空气流量、压力、温度范围与高空舱直径。高空台主要由供气系统、试验舱系统、抽气系统和水、电、油等配套系统组成，如图1 所示。

图1 高空模拟试验设施系统组成Fig.1 Composition of altitude simulation test facility

航空发动机高空模拟试验是将发动机安装在试验舱内，通过模拟发动机在飞行条件(飞行高度、飞行马赫数)下的进口空气总温、总压和喷管出口环境压力，对发动机空中工作性能和特性进行测试。试验时，按选定的目标飞行条件，建立发动机进口总温、总压和排气环境压力，调节发动机功率状态(转子转速)，测量发动机空中工作推力/功率、耗油率，部件和腔室的压力、温度、振动、应力、间隙、速度、气体成分，以及燃油、滑油、控制系统的压力和温度等参数，分析、验证发动机及其部件和系统的性能、气动、结构、强度、环境适应性等。高空模拟试验原理如图2 所示。

图2 高空模拟试验工作原理Fig.2 Operating principle of altitude simulation test facility

目前，高空台主要开展的试验科目有：高空性能试验、高空功能试验、空中起动和再起动、推力瞬变/功率变换试验、进气压力畸变试验、空中风车旋转试验、发动机振动测量试验、高/低温起动试验、高原起动试验和结冰试验等[3-5]。

3 国外高空模拟试验设施

国外拥有航空发动机高空模拟试验设施的机构，主要集中在美国、俄罗斯、英国、法国、德国、日本和韩国。目前有迹象仍在运营高空台的机构主要有，美国AEDC、NASA 格林研究中心(NASA GRC)、通用电气公司(GE)、普·惠公司(P&W)，俄罗斯中央航空发动机研究院(CIAM)，法国航空动力试验中心(CEPr)，德国斯图加特大学，日本宇宙航空研究开发机构，以及韩国航空航天研究所。

3.1 美国高空模拟试验设备

3.1.1 AEDC 高空模拟试验设备

AEDC 隶属于美国空军装备司令部空军试验中心，是美国重要战略资源，也是世界上最大、最先进的飞行模拟试验中心。AEDC 拥有高度复杂的各种环境试验设备，对于燃气涡轮发动机，AEDC拥有13 座高空模拟试验舱(T-1～T-7，T11，T12，ASTF 的C-1/C-2 舱，J-1，J-2)，以及可满足军用涡喷涡扇发动机、涡轴涡桨发动机、巡航导弹发动机、冲压发动机、民用大涵道比涡扇发动机、高超声速动力等发动机试验要求的各种试验设备。此外，AEDC 还建设有海平面试车台，主要用于加速任务试验(AMT)等科目。AEDC 发动机试验设备主要用于发动机常规工作性能、稳定性、适应性、寿命和可靠性等的考核试验，包括结冰、腐蚀、压力畸变、温度畸变、加速任务试验、发动机进气道动力学特性、状态模拟和发动机部件等领域的试验。试验基地全貌如图3 所示。

图3 阿诺德工程发展中心全貌Fig.3 Overall perspective of AEDC

ASTF 是AEDC 规模最大、技术最先进、最具代表性的高空台，包含C-1 与C-2 两座高空舱。ASTF 总投资为6.5 亿美元，为有史以来最昂贵的单项航空试验设备。ASTF 能够通过完整的任务剖面图非常精确地试验整个推进系统，可满足各类军民用航空发动机考核验证和取证。这种能力用于改善飞机推进系统试验和评估，能显著减少研制时间和飞行试验，提高新一代飞机系统的操作性和性能。

近年来，C-1 主要用于测试各种军用战斗机发动机，如F119 发动机、F135 发动机(图4)及新一代变循环发动机。C-2 则用于测试各种不同的大型民用涡扇发动机，如空客A380 用的GP7200、空客A318 用的PW6000、波音787 用的Trent1000(图5)等。

图4 F135 发动机在C-1 开展试验Fig.4 Test of F135 engine in C-1

图5 Trent1000 发动机在C-2 开展试验Fig.5 Test of Trent1000 engine in C-2

AEDC 的海平面试车台可经济地进行大型加力涡轮发动机耐久性试验(图6、图7)，通过反复模拟发动机使用中的飞行任务类型，来评估发动机的耐久性和性能保持力。这种试车台能迅速完成试验目标，每个设备都能实现每周80 h 的试验。

图6 在海平面试车台(SL-2)上进行的F119 加速任务试验Fig.6 AMT test of F119 engine in SL-2

图7 在海平面试车台(SL-3)上进行的F100 发动机试验Fig.7 Test of F100 engine in SL-3

综观AEDC 航空推进系统试验测试体系的现状，不仅体系健全、专业齐全、配套完整、能力充足，而且规模大、数量多、投资大(总投资超过200亿美元）。

3.1.2 NASA 格林研究中心高空模拟试验设备

NASA 的航空发动机高空模拟试验设施位于格林研究中心，其下属的推进系统研究室(PSL)，可模拟真实的飞行条件，以开展高空模拟试验研究。PSL 的高空模拟试验设备由2 个试验舱组成，直径均为7.3 m，主要用于涡喷涡扇发动机、商用喷气发动机等试验，如图8 所示。其中，PSL-3 高空舱模拟马赫数可达3.0，而改造后的PSL-4 高空舱模拟马赫数可达4.0。PSL 主要开展NASA 项目中涉及发动机的试验，当AEDC 试验任务过重时，PSL也会承担一些外部客户的试验任务。

图8 PSL 开展的普惠545 发动机试验Fig.8 Test of PW545 engine in PSL

3.1.3 其他高空模拟试验设备

受军方考核要求和成本控制等影响，通用电气公司和普·惠公司的高空模拟试验和地面加速任务试验基本交由AEDC 负责实施，自身很少开展高空模拟试验。

3.2 俄罗斯高空模拟试验设备

CIAM 是俄罗斯唯一致力于航空发动机综合研究和发展的研究单位，拥有目前欧洲最大的航空发动机试验基地(图9)。CIAM 的主要任务是承担军、民用航空发动机的基础理论和应用技术研究，以及工程发展和国家鉴定试验，代表国家对新型号发动机发放许可证。CIAM 的试验基地拥有50 个空气动力学研究设备和50 个强度研究设备。设备总装机功率为600 MW，可以模拟高度27 km、马赫数4.5，进行缩比发动机模型试验时马赫数可达7.0。

图9 俄罗斯CIAM 试验基地Fig.9 CIAM test base of Russia

CIAM 现有5 座高空模拟试验舱，除1 座用于小型发动机的试验舱外，其他4 个均位于试验基地内。其某一试验舱内部如图10 所示。

图10 CIAM 高空模拟试验舱Fig.10 High altitude simulation laboratory of CIAM

3.3 其他国家高空模拟试验设备

3.3.1 英国

英国国家燃气涡轮研究院(NGTE)曾经建有5 座高空模拟试验舱和1 座海平面试车台，由于缺少经费等原因目前均已关闭。目前，英国发动机研制所需试验主要在美国或欧洲国家开展。

3.3.2 法国

CEPr 是法国三大航空试验中心之一，也是法国唯一的航空发动机高空模拟试验中心。CEPr 建设有8 个通用的全尺寸发动机高空模拟试验舱，直径从3 m 到5 m 不等，不仅可以用于燃气涡轮发动机、涡轴发动机和涡桨发动机的各种试验，而且也适用于加力燃烧室或自由喷射导弹试验，甚至可用于结冰环境模拟试验。

3.3.3 德国

德国斯图加特大学高空实验室拥有德国唯一的高空模拟试验设备，其试车台不仅可用于测试飞行条件下的整机性能，还可用于发动机核心机及发动机部件的高空试验。其高空模拟试验设备模拟高度达到20 km，模拟马赫数为2.2，主要进行发动机以及涡轮部件的高空模拟试验。

3.3.4 日本

日本的高空模拟试验设备，主要在日本航空宇宙技术研究所和札幌试验基地。其中，日本航空宇宙技术研究所有1 座超声速自由射流试车台RJTF，札幌试验基地有1 座冲压发动机高空性能试验台(RTF)和1 座高空性能试验台(ATF)。RTF试验舱直径为3.5 m，模拟高度为24.4 km，最大模拟马赫数为4.0。通过半自由射流可调喷口，可以使气流速度在1.8～3.5 马赫之间连续变化。ATF 试验舱用于燃气涡轮发动机高空模拟试验，模拟高度为15 km，最大模拟马赫数为2.0。

3.3.5 韩国

韩国航空宇航研究院有1 座发动机高空模拟试验台(AETF)，其试验舱直径为3.5 m，模拟高度为9.1 km，模拟马赫数为1.0。韩国国防发展局(ADD)有1 座发动机高空模拟试验台，其试验舱直径为5 m，模拟高度为20 km，模拟马赫数为3.5，可开展直接连接式和自由射流式发动机试验。

4 国外高空模拟试验设施发展趋势

美国AEDC 在航空推进动力研究、发展、试验和评估工作中占有绝对重要的地位，为美国太空飞行、航空、导弹和卫星等高精尖航空航天项目都做出了重大贡献，是世界上最大、最先进的飞行模拟试验设施试验中心，其发展方向最值得关注，发展趋势也最具参考意义。

4.1 试验设施能力升级

为了适应航空发动机技术发展，满足国防武器装备建设和民用航空市场快速发展的需求，美国投入巨额资金，建设了包括发动机整机、部件、系统和结构强度等验证试验设备，形成了完整配套的航空发动机试验测试体系。苏联解体后，世界格局发生了巨变，美、英、法等国家的航空发动机试验设备发展策略发生了转变，如美国试验操作现代化和一体化工程、推进合并和现代化项目、美国空军先进试车台升级提案、下一代涡轮发动机试验能力项目等计划，对传统发动机试验设备进行整合、改进、现代化升级，注重数字化、网络化、智能化、精益化，以优化资源、提高效率。

AEDC 航空推进试验技术的进步由几种特定的试验任务需求推动。随着飞行器对推进系统要求的不断提高和发动机技术的发展，美国为了进一步完善试验条件，提高试验能力，坚持从整体发展体系建设的角度去规划、安排试验设备的建设，统筹规划试验能力建设，避免低水平重复建设，进一步强化发动机试验能力建设先行的理念，在能力建设规划中必须具有前瞻性，不仅要满足近期需求，还要给未来发展留下足够空间(如其设备能力一般预留40%以上的指标裕度)，同时提高试验技术，使得试验水平不断适应发动机自主研制和发展的需要。为满足下一代飞行速度更快、滞空时间更长的军用发动机研发，AEDC 近期正在对试验设备进行改造升级(图11)[6-7]。

图11 ASTF 对排气冷却器进行的改造Fig.11 Modification of exhaust gas cooler in ASTF

随着美国国防战略的调整，美国国防部加大了对高超声速武器系统研发及相关试验设备升级改造的投入力度。为了在连续可变飞行环境条件下进行高空模拟试验，AEDC 的APTU(Aerodynamic Propulsion Test Unit)在TEST 计划支持下分3 个阶段开展了关键技术攻关，在国防部HPTC 计划支持下开展了高空环境连续模拟技术研究，具备了马赫数从3.0 到5.5 的连续调节能力。2012 年，APTU将环境模拟系统升级为设备综合控制系统，能够实现自动时序控制、试验监控、故障规避与检测、试验终止等功能。为满足关键部件直连试验项目需要，为APTU 更换了全新的带温度自动控制的燃油加热装置以及3 个直连喷管，升级了该试验设备的控制系统，并于近期完成了相关试验，这也是美国空军历史上所完成的尺寸和所获取推力最大的一次直连结构的超燃冲压动力装置试验。

4.2 试验数字化转变

未来试验技术的发展战略是将传统的试验和鉴定方法，向以知识库为基础的综合试验和鉴定方法过渡，从而缩短周期，降低成本，最大限度地满足用户对试验的各种要求。综合试验和鉴定就是以地面试验设施和先进的计算、通讯设备为物质基础，围绕发动机寿命期过程的各种信息资源开发、综合、完善和有效利用为主线，将地面试验和分析、数学模型、仿真和分析以及飞行试验和分析等手段进行综合利用，创立可供系统风险管理和技术风险决策的知识库。采用先进的信息技术、建模和仿真技术以及数字化处理技术，来改造传统的试验过程，这将在发动机试验领域产生重大变革。

4.2.1 仿真技术应用

随着飞机/推进系统一体化设计和综合控制、发动机全权限数字控制、发动机推力矢量、隐身技术等新技术的应用，试验规模越来越大，试验复杂程度越来越高，试验综合性越来越强，测试精度不断提高。为降低发动机的研制周期和节约试验与研制费用，试验趋向于数字化和智能化。美国在不断完善实装鉴定环境的同时，大力推广建模与仿真在试验鉴定中的应用，将建模仿真能力作为发动机全寿命期各个阶段都使用的主要试验鉴定资源和手段。美国国防部实施的仿真试验和评估过程计划，旨在将发动机试验从传统的“试验—修改—试验”的过程，转变为“模型—仿真—试验—迭代”的过程。由于仿真所用的计算机方法和程序是建立在通过试验获得的数据库基础上的，所以通过试验来验证其仿真模型，在仿真模型成熟以后，可以大大减少试验项目和试验次数，最终通过有限的试验和仿真计算来支撑航空动力的鉴定。试验与仿真之间相互促进、协同发展，使得发动机试验仿真技术快速发展。

4.2.2 虚拟技术应用

AEDC 持续以航空发动机试验需求为牵引，紧密围绕航空发动机技术的发展，进行系统建模及仿真、信息化及试验技术提升和设备维护改造升级等。其不断将最先进的计算机技术、信息化技术、虚拟试验技术等应用到发动机试验中，对于提升航空发动机高空模拟试验的经济性、安全性和试验效率，起到了极大程度的促进作用。2021 年，AEDC在其SL-1 海平面试车台开展的传感器技术验证工作中，利用虚拟现实技术，以近乎实时的方式实现了对试验件和试车台真实3D 场景的还原展示[8]。通过人工智能技术和机器学习功能方面的开发，增加自动报警与预测分析功能。

4.2.3 数字工程应用

美国军方及AEDC 目前正通过数字工程创新与技术进步，不断地推动航空航天系统的研发。其成立的数字工程工作组，能够将之前的一些试验工作与更大的数字环境建设方案进行连接，包括在数据管理、基础架构、业务流程等方面。美国空军装备司令部空军试验中心正致力于构建基于云环境的一系列多方支持项目，如统一平台、GITLab 开源代码库、协同软件开发平台以及“Visible Accessible Understandable Linked Trusted”平台等项目[9]。

4.3 新型发动机试验需求

目前，随着超燃冲压发动机[10]、变循环发动机[11-12]、涡轮基组合动力[13]、氢能源发动机、多电发动机、短垂起降发动机、涵道风扇等新型动力的出现，和装备信息化、智能化的发展，涌现出了各种类型的新型动力，从而推动各种飞行器不断涌现的发展势头。这些新型动力，随时可能颠覆传统飞行器的作战效能发挥。如近年来，高超声速武器的作战运用和威慑效能受到高度重视，一些国家，特别是美国，正加大资金投入，增强对其关键技术研究的攻关力度，积极推进高超声速巡航导弹的实战化进程。最近，美国国会参众两院均建议增加美海军高超声速反舰导弹计划研发预算，强化美海军的进攻性、对海打击能力。高超声速巡航导弹采用的超燃冲压发动机在鲁棒性等工程问题上面临诸多难题，如进气道不起动、发动机冷重起等，距离实战使用还有较大差距，需要开展大量的试验研究以解决其设计问题。

5 建议

(1)加强试验设施的能力升级建设。

统一部门管理与规划，统筹空军、海军、陆军等军用航空发动机研制需求与考核需求，重视对已有重大试验设施的健康管理与能力升级，拓宽设备升级改造经费渠道，进行重大先进试验设施体系建设缺项分析与论证，做好顶层设计与建设安排，保证考核试验可开展、能开展，确保试验设备技术先进、状态良好，为装备研制提供可靠的试验验证平台。

(2)加快数字化试验转型升级。

通过建设航空动力虚实结合的仿真验证能力，加强飞行前全系统联合验证能力。重点推进数字高空台等能力建设，形成物理试验与数字仿真精准映射、持续快速迭代的试验能力，开展高空模拟试验数字孪生能力建设，推动试验数据管理环境建设，建设试验管理、分析、应用工具和试验数据管理系统，建成试验数据中心，形成基于知识和大数据的试验管理与服务能力。

(3)提前布局新型动力研制急需的重大先进试验设施建设。

构建新型动力发展方向与技术追踪体系，对先进技术在航空发动机中的应用加强预先研究，支持新型动力研究试验设施设计技术、制造技术的预先开展和创新平台建设，支持针对新型动力的设备改造技术研究，确保我国在新型动力研制和颠覆性新型动力研制过程中，不落后于美国等西方国家。

6 结束语

航空发动机高空模拟试验是各类航空发动机科学研究、技术鉴定、适航取证的重要手段，是军民兼顾、行业共享的大型关键试验设施，但其研制技术难度大、建设成本高和周期长、运行维护技术复杂。经过多年建设，当前我国航空发动机的高空模拟试验已初步形成体系，与航空强国的差距在逐渐缩小，但在体系完整性和未来新型航空动力试验保障等方面，还存在一些短板和不足。因此，在完善试验设施体系的同时，应注重试验数字化能力、智能化能力的提升，快速提升试验效能，健全、壮大航空发动机研发产业链，全面提升航空发动机研制能力水平，提高航空发动机研制自主创新能力。