航空发动机通用飞行台试验与能力研制

房剑锋

(中国飞行试验研究院,陕西 西安 710089)

1 引 言

在航空发动机研制过程中,为暴露设计缺陷或问题,验证设计符合性,提升产品的成熟度,需要开展大量的整机试验。通用飞行台是基于成熟的飞机平台(通常为配装多台发动机的运输机/客机/轰炸机),经过对原机结构、机电系统、飞控系统等改造,并加装独立于原机的试验任务系统后,用于承担新型航空动力飞行试验的空中试验平台,通用飞行台与地面试验台、高空模拟台并称为航空发动机整机试验的三大手段[1-3]。

美俄等航空强国的发动机研制历史及发展表明,通用飞行台在新原理、新技术、新工艺、新材料等关键技术的演示验证试飞,以及新型动力科研试飞、鉴定试飞或适航研发、取证试飞等方面发挥着不可替代的作用。美国通用电气公司、普惠公司以及英国罗罗公司均拥有大量的通用飞行台,并基于相关平台完成了大量的航空发动机飞行试验[4-7]。欧洲空客公司以A380飞机为载机平台,改造研制了航空发动机通用飞行台,并在该平台上完成了如Trent XWB-84/97等多款商用发动机的适航取证试飞[8]。俄罗斯在伊尔-76运输机等飞机平台的基础上,研制了多架通用飞行台,先后对涡喷、涡扇、涡桨等不同类型的发动机进行了试验。目前,伊尔-76系列飞行台仍然是俄罗斯主要使用的发动机通用飞行平台。

国内方面,中国飞行试验研究院先后建设了两代通用飞行台,在平台研制及使用方面积累了大量宝贵经验[3],并开展了大量的发动机飞行试验。

航空发动机通用飞行台研制是一项复杂的系统工程,不亚于一型新机的研制,不仅需要拆除其中一台发动机以满足挂装一定推力等级和尺寸范围的不同类型被试发动机,还需要为被试发动机提供操纵、显示、控制等系统,涉及飞机平台多个系统的改造,还需加装不与原机交联的加载试验任务系统,以及能够测量压力、温度及振动、应变等不同类型参数、具有强大测试能力的测试系统。国内目前尚未形成航空发动机通用飞行台研制的标准体系。

本文梳理分析了通用飞行台与高空模拟台的优缺点,以及飞行台承担的飞行试验内容,提出了飞行台能力研制需考虑的主要因素,并提出我国飞行台能力建设的建议,旨在为我国航空发动机通用飞行台能力研制提供参考。

2 通用飞行台与高空模拟台对比分析

GJB 241A-2010《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》要求,发动机初始飞行前规定试验应完成持久试车、附件试验、高空试验、结构试验等,其中高空试验可在高空模拟台或飞行台上进行。高空模拟台试验是在地面模拟飞机在各种飞行高度、飞行速度时的发动机进排气条件以及高空环境条件,具有模拟极限大气条件、模拟广阔的飞行包线范围、安全性好等优点,缺点是对实际工况模拟的准确度直接影响试验结果的有效性和精度。飞行台试验是在实际使用环境下对发动机进行试验和研究,实际飞行过程中一些工作条件如大气紊流、飞行姿态、过载等的真实性及发动机瞬态、过渡过程验证,都是飞行台试验的优势,缺点在于高度-速度包线范围不够宽广且有一定的安全风险[3]。

相对于优缺点,高空模拟台(以直连式为例)与飞行台之间试验结果也存在一定的差异性。根据诸多型号的高空模拟台与飞行台试验历史数据分析,结合国内外相关研究,造成飞行台与高空模拟台试验结果差异性的原因较为复杂,是多影响因素耦合后形成的复杂结果的直观反映。

(1)试验设备不同,导致试验结果存在差异。高空模拟台是利用连续气源在地面模拟飞机空中飞行环境,模拟发动机进口总温、总压和发动机出口环境压力。由于其进排气压力调节系统是一个具有大惯性、纯滞后、非线性和时变性的庞大而复杂的控制对象[9],所模拟的高空真实环境与实际飞行环境存在一定的差异,因此带来了高空模拟台与飞行台试验结果的差异性。

(2)试验程序和试验方法不同,导致试验结果存在差异。以空中启动为例,高空模拟台在停车前,通过调节进气压力、温度设定对应的高度、速度条件,但启动过程中进口压力、温度并不完全对应设定的高度、速度条件,存在不可忽视的较大波动[10],这与飞行台试验中有所不同,必然会造成启动过程转子加速情况的差异,进而造成空中启动过程试验结果出现差异。美国F100发动机的试验结果表明,高压转速40%和25%空中启动的高空台试验结果与装机试飞结果相比,速度包线边界往左扩大了93km/h[11,12]。

(3)测试设备与测试方法不同,导致试验结果存在差异。以发动机推力确定为例,高空模拟台试验利用测力台架直接测量推力,并通过相关高空校准试验获得的修正曲线,对测量的推力进行一定修正后给出试验结果。飞行台试验中无法对飞行推力进行直接测量,主要通过在发动机内流道截面加装总温总压测量耙测量气动参数,利用理想的一维等熵膨胀计算方法计算发动机理想推力,再结合发动机尾喷管流量系数与推力系数曲线,以及地面台架校准获取的相关压力修正曲线,进行飞行推力修正。

世界航空强国的发展事实证明,飞行台和高空模拟台受各自本身技术能力制约,在各自试验技术领域发挥着不同的作用,两者之间是相互补充、优势互补、相互验证的关系,不可相互替代[13]。

3 通用飞行台试验内容

HB 7507-2014《航空发动机飞行试验台试验要求》规定了航空发动机通用飞行台试飞的科目和内容。本文结合国内外飞行台使用过程中实际试飞科目和内容,梳理总结通用飞行台试验内容。

(1)常规试验内容。通用飞行台可开展的常规试验内容主要包括发动机工作特性试飞、发动机性能特性试飞及进发相容性试飞。同时,利用试验任务系统,变换从发动机提取的功率和引气量,可验证不同功率提取和引气量对发动机特性、性能的影响。对于大涵道比发动机飞行台试飞,一般配装与原型机构型一致的发动机短舱,还可开展冷却通风、防火、气体泄漏、排液、防冰等短舱相关的科目内容试飞,以及反推系统试飞。伊尔-76飞行台挂装大涵道比发动机试飞如图1所示。

图1 俄罗斯伊尔-76飞行台挂装大涵道比发动机

(2)非常规试验内容。通用飞行台加装特殊的试验设备或配备试验机,可模拟发动机实际运行中的场景和条件,开展模拟进气压力畸变、吞吸火药气体、自然结冰等非常规科目内容试飞。模拟进气畸变可采用在进气道中加装扰流板、模拟网、高温气体发生器等,主动产生压力、温度畸变,验证发动机的抗压力、温度畸变能力以及消喘系统的有效性。模拟自然结冰,则是通过与结冰喷水机前后编队试飞,准确地向被试发动机喷入过冷水滴,验证短舱及发动机的防冰、除冰能力。飞行台加装扰流板、高温气体发生器开展试飞如图2所示。

(3)特殊环境试验内容。通用飞行台空间移动便捷,还可辗转各地捕获有利环境,开展高温、高寒、高原、高湿、吸雨、自然结冰、沙尘、大侧风等特殊环境试验,其可开展的特殊环境试验种类之丰富、条件之真实,是高空模拟台、气候实验室等模拟试验手段所不能比拟的。

4 我国通用飞行台研制重点考虑的因素

通用飞行台的研制要立足于未来30年(通用飞行台使用寿命可达20～30年)我国航空发动机研制需求,充分利用现有的载机资源,发挥我国载机设计、试验、制造等技术优势,综合考虑飞行安全性、载机飞行包线、挂载能力、载机来源等方面的因素。

(1)飞行安全性。飞行试验首重安全性。俄罗斯、美国及欧洲等的飞行台载机通常选用配装4台涡扇发动机的飞机,如伊尔-76、伊尔-78、伊尔-476、B747、A340、A380等。因此,一般选用成熟的四发固定翼飞机作为喷气式动力和涡桨动力通用飞行台载机,具备三发状态飞行和安全着陆的能力,不会因被试发动机的故障而影响飞行安全。同时还需要载机具有气密舱,可改造成试飞工程师、测试工程师等上机工作的舱室(如图3所示),保障基本的生理需求。

图3 俄罗斯伊尔-76飞行台试飞工程师工作舱室

(2)载机飞行包线。飞行台载机的飞行包线应尽可能宽广,以满足试飞不同发动机的需求。通常飞行台的飞行包线在12km以下的亚音速范围内,可覆盖客机、运输机、亚音速轰炸机等配装发动机的绝大部分飞行包线。而对于加力式涡轮发动机,则高空12km以上及超音速区域无法覆盖。研究表明,利用节流网等设备可进一步扩大飞行台试飞包线,但相比加力式涡轮发动机飞行包线,其仍然十分有限[14]。国外典型飞行台载机飞行包线见表1。

表1 国外典型飞行台载机飞行包线

(3)载机挂载能力。为最大程度地提高飞行台的通用性,飞行台应可挂载一定推力、尺寸范围的被试发动机。制约飞行台挂载能力的部件或系统重点在飞机的机翼和挂架。因此,为满足被试发动机重量、推力或功率等级的要求,可对载机机翼、挂架进行改造,必要时甚至重新研制。对于推力等级、尺寸较小的发动机,除了机翼可增加额外挂点外,经过气动、结构等方面的评估,在满足飞行台飞行性能、品质及安全的基本要求后,也可在机头、机身等位置挂载。国外通用飞行台机翼和机头新增挂点如图4所示。

图4 国外通用飞行台机翼和机头新增挂点

(4)载机来源。飞行台载机的选择应综合考虑多方面的因素。考虑潜在国际政治因素可能对后续研制和维护带来的影响,应尽可能选用国产飞机作为载机平台。这样选择的好处是,一方面,飞行台研制能够不受国外制约,自主可控;另一方面,维护保障渠道畅通,能够有效避免因特殊备件难以及时更换而延误试飞进度,能够有效减轻日常维护的压力,提高平台的出勤率和安全性。确定载机机型后,在在役飞机和批产新机之间抉择,需要考虑经济性和使用寿命。相比新机,在役飞机改为飞行台后服役时间短,但购机费用相对较低。

5 我国通用飞行台能力研制建议

在地面高空模拟台相对完善的情况下,国外在航空发动机研制过程中依然大量使用飞行台开展飞行试验,俄罗斯、美国、英国等航空发达国家始终坚持飞行台的系列化、规模化建设,并采用法律/规范/条例等方式明确了飞行台试飞在航空发动机研制体系中的地位。我国航空发动机研制已呈现系列化的发展态势,通用飞行台试飞需求激增,现有资源已难以满足需求,必须进行能力研制和完善。

(1)统筹规划通用飞行台研制,兼顾军民用航空动力要求。我国民用航空事业蓬勃发展,ARJ、C919等民用客机研发成功,也将推动民用航空发动机的快速发展。为充分利用试验设施,通用飞行台研制应在满足军用航空动力需求外,还应兼顾民用航空动力研制的需求,在研制立项论证中统筹规划,避免重复建设。国外在飞行台的利用上,也通常兼顾军民用航空动力研制的需求。如美国利用B-52飞行台对配装B747飞机的JT9D、CF6发动机开展飞行试验,俄罗斯利用伊尔-76飞行台开展了配装MS-21系列客机的PD-14、配装苏霍伊超级喷气客机SSJ100的SaM146、配装伊尔-96客机和图-204客机的PS-90A等发动机试飞[15](如图5所示)。

图5 伊尔-76飞行台试飞PD-14、SaM146民用发动机

(2)发展系列化通用飞行台,推动航空动力自主创新研制。单独一架通用飞行台,难以满足多型航空动力同时开展飞行试验的需求。根据航空动力发展谱系中未来需要开展飞行台试飞的新型发动机推力/功率等级、几何尺寸、重量、试飞周期等信息,可规划发展不同类型如涡桨类、涡扇类通用飞行台,又可细分为中等推力/功率、大推力/高功率等级的通用飞行台,从而发展系列化通用飞行台,全面支撑航空动力研制过程中不同技术状态的选型、关键设计技术的验证、关键系统工作能力的确认等,推动自主创新研制。同时,发展系列化通用飞行台,还可兼顾电推进系统,分布式混合推进系统,氢能源发动机以及可持续燃料/清洁燃料发动机等的飞行演示验证。例如罗罗公司在其波音747-200飞行台上开展了可持续燃料发动机试飞[9],经过特殊改装向被试发动机单独供应可持续燃料,其余3台发动机供应常规航空燃料。

(3)加强长期持续性投入,保持和提升通用飞行台试验能力。通用飞行台的研制需要大量的人力、物力、财力等投入。依托国家专业试验机构,争取国家投资支持,立足“统筹规划、综合利用、改装为主、资源共享”的原则,采取分步实施的策略,分阶段、持续性投入建设;借助承担的军民用航空动力飞行试验,将飞行台的日常维护、定检、大修等纳入试验经费,保持通用飞行台试验能力的持续性;多渠道拓展,如民用市场、专项支持等,丰富投入来源,用于通用飞行台试验能力的提升,保持通用飞行台的先进性。

6 结束语

航空动力正向设计、自主创新发展道路上,通用飞行台作为整机试验的重要手段之一,发挥着不可替代的作用,其能力的研制与形成,是我国航空发动机“动力先行、独立发展”的重要支撑。

(1)通用飞行台在高空试验中具有独特的优势,与高空模拟台的差异性客观存在,两者是优势互补、相互验证的关系。

(2)通用飞行台不仅可承担发动机特性、性能等常规试验内容,还可承担进气畸变模拟等非常规试验内容,以及大侧风、雨天等特殊环境试验,是新型航空发动机研制过程中不可或缺的关键一环。

(3)通用飞行台研制,应立足于未来30年我国航空发动机的研制需求,综合考虑飞行安全性、载机飞行包线、挂载能力、载机来源等因素。

(4)通用飞行台能力研制,属重大基础试验设施建设,应统筹规划,系列化发展,并长期持续性投入,致力于形成通用飞行台的系列化、规模化发展格局。