航空发动机露天试验基地选址分析

徐雨生

（中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120）

航空发动机在露天试车台进行的特种试验任务是型号研制过程中必须开展的工作，航空发动机露天试验主要是利用空旷的场地、露天大气环境、配套专用的试验设施、测量设备来开展航空发动机整机试验。本文针对不同露天试验设施的工艺特点，总结出露天试验基地选址的几大因素，为露天试验能力规划建设提供建议。

1 航空发动机露天试验分类

1.1 基准性能试验

基准性能试验主要是在露天区域进行的整机试验，由于周边气流流速为零，多用于室内整机试车台的推力校准和性能标定。基准性能试验台同时可以完成噪声测试，主要是在发动机全部运转工作状态下，测量发动机噪声等场强线图的不连续频率与带宽的噪声成分。为控制周边噪声，需要在试车台进气道处增设导流装置，典型的进气导流装置见图1。

图1 安装了整流屏的噪声研究试车台

1.2 发动机红外辐射测量试验

对于军用飞机，航空发动机的红外特征是衡量其生存力的重要指标，GJB 241A-2007《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》中提出了发动机红外辐射特征分析和测试试验的要求。

根据红外辐射测量特点，在进行全尺寸试验件台架试车时，需要选择具有足够红外辐射测量场地的露天试车台或在机场装飞机进行，同时，试验过程对方位角也有相关要求，如图2 所示。

图2 发动机排气系统红外测试试验方位角要求示意图

1.3 发动机吞咽试验

民用适航条例要求军用航空发动机须进行特种试验，如抗外物损伤试验、包容试验等，具体包括吞鸟、吞冰、吞水、吞砂等。此类试验具有较大的破坏性和危害性，不适合在室外试验设施中进行，为减少破坏后的损失，节省防护费用等，一般在室外露天试车台进行。

1.4 环境适应性试验

（1）结冰试验。环境结冰试验是模拟飞机在存在过冷水滴、冰晶及雪花的大气中飞行时，发动机的零部件，特别是进气部件前缘可能发生的结冰情况。目的就是验证发动机进气系统结冰情况和防冰系统的工作能力，验证防冰系统的可靠性。

（2）侧风试验。飞机在宽广的空域和复杂的气象条件下进行，随时都可能遇到与发动机中心线成各种夹角的风切变的影响，特别是强侧风可能会造成发动机进口流场畸变，从而造成压气机工作不稳定。侧风试验一般是利用人造风源（最大风速可达31m/s）进行逆风、侧风和顺风试验，测量各种风向对发动机性能的影响。

1.5 航空发动机姿态试验

GJB241A-2010 规定发动机能在飞机飞行的各种姿态下工作，诸如起飞、爬升、倒飞、空战机动、加油、地形跟踪。对于发动机设计，这些工作状态的持续时间是一项重要的考虑。姿态试车台是为了实现小涵道比发动机姿态试验以及常规试验而设计的露天试车台，其主要功能为模拟发动机俯仰、横滚姿态动作并承受发动机试车时推力。

1.6 航空发动机陀螺试验

根据陀螺原理，发动机转子在随飞机作公转的过程中会产生较大的陀螺力矩，该陀螺力矩通过轴承、轴承座、承力机匣、安装节最终传至飞机上。美国空军研究表明：由于飞机3.5rad/s 的转弯，轴承载荷可增加15倍，作用在转子单个叶片上的力可为相应气动力的3 倍。为验证发动机在承受陀螺力矩时的工作能力，规范要求进行陀螺试验，发动机陀螺试验要求场地较大、工作条件复杂并存在一定的安全问题，只能在露天条件下进行试验。

2 露天试验基地选址分析

根据露天试验设备的工艺特点和试验要求，经过整理，露天试验区的选址需要注意以下几点。

2.1 选址地区远离办公区、居住区

为了使发动机试验更接近于真实工作状态，露天试验台设施无法增加隔声降噪措施，露天试验的噪声最大可超过140dB（A），因此，建议露天试验台建在远离办公区和居住人口较少的城市远郊区或空矿山区。国内早年建成的上海航空发动机露天试车台和西安266 号露天试车台，就因为噪音问题无法投入正常使用。建议规划场界周围约3 公里范围内作为噪声影响区，可以耕种，但不能有人居住。

2.2 选址地区建设场地空旷

露天特种试验设备种类不一，但共同特征是对周边场地要求较大。噪声试验需要周边空旷以不影响噪声测量，红外试验考虑喷口安全距离和周边红外干扰等因素也需要较为空旷的场地，吞咽试验、陀螺试验等则是涉及安全问题周边一定距离不宜设置建构筑物和人员集中区域。

2.3 露天试验设施间距较大

除了选址场地空旷、占地面积大外，露天试验基地的选址还要考虑各露天试验设施特点、气流影响、噪声影响、人员安全等因素。

（1）气流影响区域。露天试车台占地与室内车台不同，不能仅仅考虑台架本身及附属设施占地的情况，还要考虑台架周边的气流影响区域，在该区域内不能建设其他台架，否则，进排气会相互影响。根据相关资料，发动机进气前方应保持50m、90°扇形区作为安全空间，排气部分应保持200m、45°扇形区域作为安全区域。主要依据主要考虑温度和气流速度的影响，在200m左右的距离温度基本可以降低到300K，流速基本控制在10m/s 左右。

（2）噪声测量需求。进行噪声测量的试车台（涡扇和涡桨基准性能试车台）在周围75m 距离内不应存在任何地面建筑，周围150 ～200m 不应存在较高建筑，地势平坦，以防止噪声反射。

（3）红外辐射测量试验台。用于红外辐射测量试验的测量喷管具有最高不低于2150K 的热射流，在确保人员和设备安全的前提下，需要较长距离才能测试0°方向的红外辐射（对红外辐射这是最重要的方向）。红外测试仪器受测试镜头摄入角度的限制，进入红外测试仪器的目标尺寸随测试距离的增加而变大。如喷口射流长度为20m，测试距离需要60m。

（4）试车安全间距。以陀螺试车台为例，由于其本身处于旋转的状态，必须保证其周围的安全空间，因此，将陀螺试车台置于一个相对孤立的区域，根据计算分析，建议确定500m 半径以内作为控制区域，不得建设其他建构筑物。

2.4 选址地区海拔高度不宜过高

研究表明，当环境压力在70kPa 以上或海拔高度在3km 以下时，环境压力对发动机地面试车台试验换算结果的影响可以忽略不计，其试验得到的发动机换算性能与在标准大气海平面静止条件下得到的发动机性能是一致的。

2.5 选址地区风向稳定、风速较低

露天基准试车台对气动性能的具体要求为：校准试车时，迎面风速不大于2.5m/s，侧向风速不大于2.2m/s，必要时，可以使用挡风屏降速。因此，在露天试验区选址时，需要选择风向稳定且风速较低区域。建议选址环境风向要基本固定，且风速不高，一般不大于2.5m/s；大气温度应接近15℃为宜。

2.6 选址地区交通便利、能源充足

露天试车台区建在淡水资源、电力资源充足的地区，这样才能保证试车台设施和配套气源、风力装置等设施的正常使用。露天试车台区建在交通便利、通讯发达地区，这样有利于物资的运输和对外的沟通联系。

2.7 远离污染区、强磁场、强振动区域

为避免对发动机造成不必要的危害，同时，有利于发动机的维护，建议露天试验台建在远离烟尘、粉尘、沙尘暴频繁发生区域以及存在有害污染源地区，应远离对发动机或试验设备腐蚀较严重的环境，以进一步提升露天试验设备的利用率和使用寿命。同时，露天试车台区周围应无强磁场和振动源，以免影响试车台的正常使用和试验测试精度。

3 国外露天试验基地建设情况

美、英、法、俄等国的发动机公司均有其用于发动机研制的露天试车台，基本情况见表1。

表1 国内外主要航空发动机研制机构露天试车台概况

3.1 GE 公司皮勃尔斯试验区

美国通用电气公司航空发动机集团，有两个露天试验区，分别是皮勃尔斯试验区和爱德华兹空军基地试验中心。试验区共有13 座试车台，其中9 座室外试车台，4 座为室内试车台，试验区还有2 个发动机装配车间。

3.2 PW 公司西棕榈滩（West PalmBeach）试验区

美国普拉特·惠特尼（PW）公司也有两个露天试验区，分别在佛罗里达州西棕榈海滩和康涅狄克州哈特福德市。西棕榈滩试验区位于佛罗里达州西侧的沼泽区，试验区面积约7000 英亩。1952 年建立时，主要考虑各种试验噪音较大，因此试验区距离最近的居民区30 英里。试验区包括西科斯基直升机试验中心、航空发动机试车台、火箭发动机试车台等。

3.3 美国海军推进中心

美国海军推进中心的露天试验区位于新泽西的Lakehurst，占地21 英亩，有3 座露天试车台，分别为陀螺试验台、多功能试验台和姿态试验台，用于发动机的性能、耐久性、陀螺和姿态等试验以及红外、噪声、排烟等测量。

3.4 RR 公司的露天试车台

RR 公司曾经在英国达比（Derby）东北约32km 处建设了4 座航空发动机露天试车台，主要承担性能试验、侧风试验和反推力试验，以及噪声测量、X 射线测量等。2009 年和2011 年，RR 公司在美国密西西比州陆续建设并投入使用了2 座大型发动机露天试车台。

3.5 加拿大的露天试验区

为充分利用自然环境，GE 公司在加拿大（温尼伯）占地17 亩与West Canitest 共同建设充分利用自然资源能模拟各种大气条件的发动机露天试车台。RR 和PW等公司合作分别在加拿大Thompson 分别建设露天试车台，主要开展发动机结冰试验。

4 结语

本文简要介绍了航空发动机露天试验的分类，并根据试验设施工艺特点总结了试验基地的选址原则、选址因素及建设特点，为后续露天试验园区的建设提供参考。