航空發(fā)動機的發(fā)展與形勢解析

1、航空發(fā)動機的進展與形勢解析本文： 侯敏杰劉冬根工作單位：航空發(fā)動機高空模擬航空科技重點試驗室0 引言航空發(fā)動機的氣動熱力學(xué)問題、機械系統(tǒng)問題、匹配性問題及把握規(guī)律問題等都必需通過高空臺模擬試驗進行充分的調(diào)試、驗證。 高空臺是能在地面模擬航空發(fā)動機的空中工作環(huán)境條件，并獵取發(fā)動機高空性能 /特性的大型試驗設(shè)備，是先進航空發(fā)動機自主研制必不行少的一種關(guān)鍵設(shè)備。一個沒有高空臺的國家，是不行能獨立自主地研制出先進高性能航空發(fā)動機的。隨著我國航空工業(yè)的蓬勃進展和航空發(fā)動機重大專項設(shè)立的順當推動，對高空臺的試驗力量和高空模擬試驗技術(shù)都提出了更高的要求。高空臺的戰(zhàn)略地位與重要作用高空臺是國家戰(zhàn)略性資源，高空

2、模擬是自主研制先進航空發(fā)動機必不行少的重要手段和工具，一個國家的高空模擬力量和技術(shù)水平已成為該國自主研制先進航空發(fā)動機力量和水平的一個重要標志。高空臺是先進航空發(fā)動機研制不行或缺的重要手段和工具航空動力是集合了簡單氣動、熱力、結(jié)構(gòu)和把握的高技術(shù)產(chǎn)品。由于航空動力技術(shù)的簡單性和研制的高風(fēng)險性，特殊是工作范圍的不斷擴大和設(shè)計指標的日益提高，包括概念爭辯在內(nèi)的航空動力進展的每一個環(huán)節(jié)都離不開廣泛而深化的爭辯與試驗。目前，航空渦噴/渦扇發(fā)動機的飛行高度已達2530km、最大飛行速度已達2.53.0倍聲速，而且對機動性的要求也愈來愈高。這不僅使發(fā)動機的工作參數(shù)隨飛行條件變化而急劇轉(zhuǎn)變，而且發(fā)動機的部件性

3、能、工作穩(wěn)定性、共同工作特性、 燃燒特性等也明顯地受到飛行條件變化的影響。特殊是高空低速、 高空高速和低空高速條件下的發(fā)動機工作特性，已經(jīng)與地面狀態(tài)的性能大不相同，不能僅靠一般地面試車臺上的臺架試驗結(jié)果通過傳統(tǒng)的相像換算方法得到，而必需通過模擬真實空中工作環(huán)境條件下的試驗來確定。另外，空中風(fēng)車起動特性、燃燒室的穩(wěn)定燃燒特性和點火特性、 低雷諾數(shù)條件下的發(fā)動機工作穩(wěn)定性等試驗，在地面臺上難以做到，需要在高空臺上進行。據(jù)統(tǒng)計，一種新型發(fā)動機研制，需要占用34個高空艙，進行20004000小時甚至更多的高空模擬試驗。航空發(fā)動機需要在高空模擬試車臺上驗證及解決的問題可分為：氣動熱力學(xué)、機械系統(tǒng)、匹配性

4、和把握規(guī)律等四大類。在整機試驗中，各種問題的耦合使航空發(fā)動機高空模擬試驗更具簡單性。在高空臺上調(diào)試、驗證、探究發(fā)動機改進改型方案須有具體的部件特性的支持，以及整機仿真技術(shù)的支持，才能有效地提高高空模擬試驗結(jié)果的置信度，而且整機仿真技術(shù)可以彌補高空臺的試驗缺陷或不足。在新型發(fā)動機的研制過程中，航空發(fā)動機高空模擬試驗很重要，其相關(guān)的高空模擬試驗技術(shù)支撐則更重要。通過合理、充分地支配航空發(fā)動機高空臺試驗，能夠優(yōu)化各部件空中匹配性能，確定空中工作包線，并大幅降低試驗經(jīng)費、大大縮短研發(fā)周期。高空臺作為重要的獵取空中工作參數(shù)以驗證發(fā)動機部件匹配性能的地面設(shè)備，集設(shè)計、制造工藝、把握、測試、 試驗等多項工業(yè)

5、技術(shù)和發(fā)動機技術(shù)于一身，具有不行替代的地位。高空模擬試驗是航空發(fā)動機性能調(diào)試與技術(shù)攻關(guān)的最有效途徑航空發(fā)動機研制是一個設(shè)計與試驗的反復(fù)迭代過程。一臺新型發(fā)動機的研制需要數(shù)千小時的空中性能調(diào)試試驗。理論上說，該試驗既可以在高空臺上進行，也可以在飛行臺上進行，還可以直接在原型飛機上進行飛行試驗。但最有效的調(diào)試手段是高空臺試驗。首先，從飛機及其發(fā)動機的研制來看，通常要優(yōu)先啟動發(fā)動機的爭辯工作，因而新型發(fā)動機的研制過程中沒有原型飛機可用。即使是飛機型號牽引主導(dǎo)的發(fā)動機研制項目，也不會有成熟牢靠的原型機來進行高空性能調(diào)試試驗。 其次， 用運輸機或轟炸機改裝的飛行臺是發(fā)動機研制中的重要調(diào)試手段之一，但一般

6、僅限于飛行高度低于 11km、飛行馬赫數(shù)一般低 于0.85的范圍；飛行臺遠不能滿足飛行高度為 2530km、飛行速度 為2.53.0倍聲速的高性能發(fā)動機的性能調(diào)試需求。 再者，地面高空 模擬試驗相對于空中飛行試驗而言，參數(shù)測試力量、試驗平安性和試驗條件把握方面具有獨特的優(yōu)勢，對發(fā)動機性能調(diào)試與技術(shù)攻關(guān)也格外關(guān)鍵。英國人曾統(tǒng)計過，發(fā)動機高空臺性能試驗一個月的工作量，相當于飛行試驗300 次起降， 而高空模擬試驗的每小時費用約為飛行試驗費用的1/301/6。先進航空發(fā)動機的關(guān)鍵部件研發(fā)需要進行深化的高空模擬試驗不僅在航空發(fā)動機的研制過程中需要大量的整機高空模擬試驗，而且其部件的研發(fā)也要依靠于高空臺

7、，例如， 加力燃燒室和核心機的研發(fā)通常就需要在高空臺上進行大量的爭辯試驗。由于對于關(guān)鍵部件的高空特性， 不能僅通過理論計算和一般試驗來解決，而要建設(shè)特地的高空試驗設(shè)備，其投資基本與一座高空臺相當，因而通常會將此類試驗支配在高空臺上進行。據(jù)國外閱歷介紹，成功地進展一個高性能的加力燃燒室，一般要在高空飛行狀態(tài)下進行2000 小時左右的全尺寸加力燃燒室試驗。航空發(fā)動機先進設(shè)計方法的有效性驗證與新型航空動力爭辯都離不開高空試驗當前，虛擬設(shè)計方法與仿真試驗技術(shù)在優(yōu)化試驗方案和縮短試驗周期方面取得了較好的效果，但這些先進方法和技術(shù)的開發(fā)與升級離不開大量的試驗結(jié)果的支持，其有效性和應(yīng)用范圍的驗證也離不開真實

8、工作環(huán)境條件下的試驗驗證。為了滿足飛機技術(shù)指標不斷提升的要求，當前非傳統(tǒng)新型航空動力的研發(fā)正如火如荼的進行著，尤其是飛行速度為35倍聲速的飛行器動力的爭辯。而這些動力裝置的爭辯，如用于鄰近空間超群聲速飛行器的渦輪沖壓組合動力的爭辯， 不僅要進行深化廣泛的動力高空模擬試驗，而且還要求在考慮飛行器與動力相互作用影響下的高空模擬試驗，以及飛行器與動力一體化的高空模擬試驗。可以毫不夸張地說，高空模擬試驗測試的技術(shù)水平與力量打算了超群聲速飛行器動力爭辯的進程。高空臺的進呈現(xiàn)狀自 20 世紀 30 年月世界首個高空臺建成以來，其試驗測試力量與試驗測試技術(shù)隨發(fā)動機進展而不斷提升。當前世界上建有幾十個高空模擬

9、試驗爭辯基地，有近百個高空試驗艙。國外高空臺進呈現(xiàn)狀美國的高空臺和高空艙數(shù)量占世界總數(shù)的一半以上。在高空模擬力量確定占優(yōu)的狀況下，為適應(yīng)進氣道/發(fā)動機的相容性能問題和大涵道比渦扇發(fā)動機研制的高空性能/特性試驗問題，不惜耗費6.5億美元于 20 世紀 80 年月中后期建成了氣源裝機功率達450MW 的巨型高空臺ASTF俄羅斯的高空模擬試驗爭辯中心現(xiàn)有兩個高空模擬試驗基地、 5個在用高空艙。俄羅斯早在20世紀90年月就著手籌建10m 直徑的巨型高空艙，以適應(yīng)先進航空發(fā)動機研發(fā)的高空試驗需求，其設(shè)備規(guī)模和試驗力量僅次于美國，是歐洲最大的航空發(fā)動機試驗基地。另外，英、法等國也有較為完備的高空模擬力量。

10、不僅如此，日本、韓國和印度等國，隨著經(jīng)濟實力的提升和發(fā)動機的自主研發(fā)，也于上世紀末和本世紀初開頭建高空臺。這些國家在不斷提上升空臺硬件力量的同時，更加大對高空模擬試驗技術(shù)的爭辯。一方面探究新的試驗與測試方法，開發(fā)新的試驗科目，廣泛使用和融入數(shù)值仿真技術(shù)；另一方面優(yōu)化資源整合，比如美國于20 世紀 90 年月將主要的高空模擬試驗基地歸入阿諾德工程進展中心（AEDC） ，使其高空模擬設(shè)備力量和技術(shù)水平遙居世界第一?？傮w上說，高空模擬試驗技術(shù)，已從單純追求發(fā)動機性能的高空性能試驗、功能試驗階段，進展到追求綜合高性能航空發(fā)動機的性能功能試驗、適用性試驗、耐久性試驗、數(shù)字化與仿真試驗、自動化與智能化試驗

11、等。我國高空臺進呈現(xiàn)狀我國于 1965 年開頭高空模擬試驗基地的自主建設(shè)工作，于1995年竣工并投入使用。我國高空模擬試驗基地占地400 畝、 總裝機功率220MW,其設(shè)備力量與水平居亞洲第一、世界第五。當前有 4個高空艙，其直徑分別為3.7m、3.0m、3.0m和2.0m,可擔當海平面標準大氣靜止條件下空氣流量120kg/s 的渦噴、渦扇、渦軸、渦槳發(fā)動機的高空模擬試驗，主要包括：高空校準試驗、性能試驗、功能試驗、功率 /推力瞬變試驗、加力通/斷試驗、進氣壓力畸變試驗、空中起動試驗、高空風(fēng)車特性試驗、進氣加溫加壓試驗、高原/高溫 /低溫起動試驗等。高空模擬試驗技術(shù)的爭辯與進展，源于發(fā)動機的研

12、發(fā)需求。我國格外重視高空模擬試驗與測試方法的爭辯，尤其是自1997 年成立航空發(fā)動機高空模擬航空科技重點試驗室以來，高空模擬試驗技術(shù)的水平有了顯著的提升，建立并完善了渦噴發(fā)動機高空模擬試驗規(guī)范，解決了渦軸發(fā)動機和大流量收擴噴管渦扇發(fā)動機高空模擬試驗的關(guān)鍵技術(shù)難題。我國當前的高空模擬技術(shù)爭辯主要在性能/功能試驗和適用性試驗技術(shù)方面，與美、俄的同類技術(shù)相比還有差距。我國高空臺與高空模擬技術(shù)的進展方向隨著我國的航空發(fā)動機由測繪仿制向自主研制的轉(zhuǎn)變，尤其是由航空大國向航空強國的轉(zhuǎn)變，以及航空發(fā)動機重大科技專項的設(shè)立工作順當推動，對高空模擬試驗的技術(shù)和力量提出了新的要求，也為高空臺的進展制造了新的機遇。

13、我國高空臺的進展要求為適應(yīng)國內(nèi)發(fā)動機爭辯的整機試驗條件保障需求，急需開展以下幾方面的高空臺力量的建設(shè)工作：渦噴、 渦扇發(fā)動機高空模擬試驗力量建設(shè)；渦軸、渦槳發(fā)動機高空模擬試驗力量建設(shè)；大涵道比發(fā)動機高空模擬試驗力量建設(shè)；自由射流試驗力量建設(shè)；組合動力發(fā)動機高空模擬試驗力量建設(shè)；航空發(fā)動機氣動穩(wěn)定性綜合評定試驗力量建設(shè)；加力燃燒室/主燃燒室高空模擬試驗力量建設(shè)；幫助動力以及其他附件高空模擬試驗力量建設(shè)。通過上述高空臺力量的綜合評估與建設(shè)，形成配套國內(nèi)航空發(fā)動機與鄰近空間飛行器動力自主研發(fā)需要的高空模擬設(shè)備，打造國際知名、世界一流的我國高空模擬試驗基地。我國高空模擬技術(shù)的進展方向航空發(fā)動機高空模擬

14、航空科技重點試驗室，經(jīng)過15 年的建設(shè)和進展， 突破了多項高空模擬試驗關(guān)鍵技術(shù)，形成了一系列較為成熟的高空模擬試驗方法、測試方法與數(shù)據(jù)處理評定方法。為更好地適應(yīng)當前國內(nèi)航空發(fā)動機蓬勃進展和向航空強國進展的發(fā)動機高空模擬試驗需要， 迫切需要加大和深化以下幾方面的高空臺力量爭辯與建設(shè)工作。1）高空臺飛行環(huán)境模擬技術(shù)高空臺進氣壓力/溫度模擬技術(shù)；高空臺排氣環(huán)境模擬技術(shù)；高原、高溫、低溫起動環(huán)境模擬技術(shù)；進氣畸變及其他特殊要求使用條件模擬技術(shù)；自由射流高空模擬試驗技術(shù)。2）高空模擬試驗測試計量技術(shù)推力/功率測量與校準技術(shù)；燃油流量測量與校準技術(shù)；空氣流量測量與校準技術(shù)；動溫/動壓測量與校準技術(shù)。3）發(fā)動機試驗評定與仿真技術(shù)發(fā)動機性能試驗評定技術(shù)；發(fā)動機功能試驗評定技術(shù)；發(fā)動機與高空臺建模與數(shù)值仿真技術(shù)；地面臺、高空臺、飛行臺相關(guān)性。4）進氣道/發(fā)動機匹配試驗技術(shù)進氣壓力畸變試驗與評定技術(shù)；進氣溫度畸變試驗與評定技術(shù)；進氣溫度-壓力組合畸變試驗與評定技術(shù)；進氣道與發(fā)動機聯(lián)合試驗技術(shù)；降穩(wěn)因子分析與試驗驗證技術(shù)。通過對上述高空模擬試驗關(guān)鍵技術(shù)的爭辯，形成配套國內(nèi)航空動力高空模擬試驗的技術(shù)和方法體系，可為國內(nèi)先進航