航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展與形勢(shì)解析

1、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展與形勢(shì)解析 本文 0引言 航空發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)熱力學(xué)問(wèn)題、機(jī)械系統(tǒng)問(wèn)題、匹配性問(wèn)題及控制規(guī)律問(wèn)題等都必須通過(guò)高空臺(tái)模擬試驗(yàn)進(jìn)行充分的調(diào)試、驗(yàn)證。高空臺(tái)是能在地面模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)的空中工作環(huán)境條件，并獲取發(fā)動(dòng)機(jī)高空性能/特性的大型試驗(yàn)設(shè)備，是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)自主研制必不可少的一種關(guān)鍵設(shè)備。一個(gè)沒(méi)有高空臺(tái)的國(guó)家，是不可能獨(dú)立自主地研制出先進(jìn)高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的。隨著我國(guó)航空工業(yè)的蓬勃發(fā)展和航空發(fā)動(dòng)機(jī)重大專(zhuān)項(xiàng)設(shè)立的順利推進(jìn)，對(duì)高空臺(tái)的試驗(yàn)?zāi)芰透呖漳M試驗(yàn)技術(shù)都提出了更高的要求。 1高空臺(tái)的戰(zhàn)略地位與重要作用 高空臺(tái)是國(guó)家戰(zhàn)略性資源，高空模擬是自主研制先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)必不可少的重要手段和工具，一

2、個(gè)國(guó)家的高空模擬能力和技術(shù)水平已成為該國(guó)自主研制先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)能力和水平的一個(gè)重要標(biāo)志。 1.1高空臺(tái)是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制不可或缺的重要手段和工具航空動(dòng)力是集合了復(fù)雜氣動(dòng)、熱力、結(jié)構(gòu)和控制的高技術(shù)產(chǎn)品。由于航空動(dòng)力技術(shù)的復(fù)雜性和研制的高風(fēng)險(xiǎn)性，特別是工作范圍的不斷擴(kuò)大和設(shè)計(jì)指標(biāo)的日益提高，包括概念研究在內(nèi)的航空動(dòng)力發(fā)展的每一個(gè)環(huán)節(jié)都離不開(kāi)廣泛而深入的研究與試驗(yàn)。目前，航空渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行高度已達(dá)2530km、最大飛行速度已達(dá)2.53.0倍聲速，而且對(duì)機(jī)動(dòng)性的要求也愈來(lái)愈高。這不僅使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作參數(shù)隨飛行條件變化而急劇改變，而且發(fā)動(dòng)機(jī)的部件性能、工作穩(wěn)定性、共同工作特性、燃燒特性等也明顯地

3、受到飛行條件變化的影響。特別是高空低速、高空高速和低空高速條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性，已經(jīng)與地面狀態(tài)的性能大不相同，不能僅靠普通地面試車(chē)臺(tái)上的臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)傳統(tǒng)的相似換算方法得到，而必須通過(guò)模擬真實(shí)空中工作環(huán)境條件下的試驗(yàn)來(lái)確定。另外，空中風(fēng)車(chē)起動(dòng)特性、燃燒室的穩(wěn)定燃燒特性和點(diǎn)火特性、低雷諾數(shù)條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性等試驗(yàn)，在地面臺(tái)上難以做到，需要在高空臺(tái)上進(jìn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一種新型發(fā)動(dòng)機(jī)研制，需要占用34個(gè)高空艙，進(jìn)行20004000小時(shí)甚至更多的高空模擬試驗(yàn)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)需要在高空模擬試車(chē)臺(tái)上驗(yàn)證及解決的問(wèn)題可分為：氣動(dòng)熱力學(xué)、機(jī)械系統(tǒng)、匹配性和控制規(guī)律等四大類(lèi)。在整機(jī)試驗(yàn)中，各種問(wèn)題的耦合使航空

4、發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)更具復(fù)雜性。在高空臺(tái)上調(diào)試、驗(yàn)證、探索發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)改型方案須有詳細(xì)的部件特性的支持，以及整機(jī)仿真技術(shù)的支持，才能有效地提高高空模擬試驗(yàn)結(jié)果的置信度，而且整機(jī)仿真技術(shù)可以彌補(bǔ)高空臺(tái)的試驗(yàn)缺陷或不足。在新型發(fā)動(dòng)機(jī)的研制過(guò)程中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)很重要，其相關(guān)的高空模擬試驗(yàn)技術(shù)支撐則更重要。通過(guò)合理、充分地安排航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空臺(tái)試驗(yàn)，能夠優(yōu)化各部件空中匹配性能，確定空中工作包線(xiàn)，并大幅降低試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)、大大縮短研發(fā)周期。高空臺(tái)作為重要的獲取空中工作參數(shù)以驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)部件匹配性能的地面設(shè)備，集設(shè)計(jì)、制造工藝、控制、測(cè)試、試驗(yàn)等多項(xiàng)工業(yè)技術(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)于一身，具有不可替代的地位。 1.2高空

5、模擬試驗(yàn)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能調(diào)試與技術(shù)攻關(guān)的最有效途徑航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制是一個(gè)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)的反復(fù)迭代過(guò)程。一臺(tái)新型發(fā)動(dòng)機(jī)的研制需要數(shù)千小時(shí)的空中性能調(diào)試試驗(yàn)。理論上說(shuō)，該試驗(yàn)既可以在高空臺(tái)上進(jìn)行，也可以在飛行臺(tái)上進(jìn)行，還可以直接在原型飛機(jī)上進(jìn)行飛行試驗(yàn)。但最有效的調(diào)試手段是高空臺(tái)試驗(yàn)。首先，從飛機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)的研制來(lái)看，通常要優(yōu)先啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究工作，因而新型發(fā)動(dòng)機(jī)的研制過(guò)程中沒(méi)有原型飛機(jī)可用。即使是飛機(jī)型號(hào)牽引主導(dǎo)的發(fā)動(dòng)機(jī)研制項(xiàng)目，也不會(huì)有成熟可靠的原型機(jī)來(lái)進(jìn)行高空性能調(diào)試試驗(yàn)。其次，用運(yùn)輸機(jī)或轟炸機(jī)改裝的飛行臺(tái)是發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的重要調(diào)試手段之一，但一般僅限于飛行高度低于11km、飛行馬赫數(shù)一般低于0.8

6、5的范圍；飛行臺(tái)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)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(dòng)機(jī)的性能調(diào)試需求。再者，地面高空模擬試驗(yàn)相對(duì)于空中飛行試驗(yàn)而言，參數(shù)測(cè)試能力、試驗(yàn)安全性和試驗(yàn)條件控制方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能調(diào)試與技術(shù)攻關(guān)也非常關(guān)鍵。英國(guó)人曾統(tǒng)計(jì)過(guò)，發(fā)動(dòng)機(jī)高空臺(tái)性能試驗(yàn)一個(gè)月的工作量，相當(dāng)于飛行試驗(yàn)300次起降，而高空模擬試驗(yàn)的每小時(shí)費(fèi)用約為飛行試驗(yàn)費(fèi)用的1/301/6。 1.3先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件研發(fā)需要進(jìn)行深入的高空模擬試驗(yàn)不僅在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制過(guò)程中需要大量的整機(jī)高空模擬試驗(yàn)，而且其部件的研發(fā)也要依賴(lài)于高空臺(tái)，例如，加力燃燒室和核心機(jī)的研發(fā)通常就需要在高空臺(tái)上進(jìn)行大量

7、的研究試驗(yàn)。因?yàn)閷?duì)于關(guān)鍵部件的高空特性，不能僅通過(guò)理論計(jì)算和普通試驗(yàn)來(lái)解決，而要建設(shè)專(zhuān)門(mén)的高空試驗(yàn)設(shè)備，其投資基本與一座高空臺(tái)相當(dāng)，因而通常會(huì)將此類(lèi)試驗(yàn)安排在高空臺(tái)上進(jìn)行。據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)介紹，成功地發(fā)展一個(gè)高性能的加力燃燒室，一般要在高空飛行狀態(tài)下進(jìn)行2000小時(shí)左右的全尺寸加力燃燒室試驗(yàn)。 1.4航空發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)設(shè)計(jì)方法的有效性驗(yàn)證與新型航空動(dòng)力研究都離不開(kāi)高空試驗(yàn)當(dāng)前，虛擬設(shè)計(jì)方法與仿真試驗(yàn)技術(shù)在優(yōu)化試驗(yàn)方案和縮短試驗(yàn)周期方面取得了較好的效果，但這些先進(jìn)方法和技術(shù)的開(kāi)發(fā)與升級(jí)離不開(kāi)大量的試驗(yàn)結(jié)果的支持，其有效性和應(yīng)用范圍的驗(yàn)證也離不開(kāi)真實(shí)工作環(huán)境條件下的試驗(yàn)驗(yàn)證。為了滿(mǎn)足飛機(jī)技術(shù)指標(biāo)不斷提升的要

8、求，當(dāng)前非傳統(tǒng)新型航空動(dòng)力的研發(fā)正如火如荼的進(jìn)行著，尤其是飛行速度為35倍聲速的飛行器動(dòng)力的研究。而這些動(dòng)力裝置的研究，如用于鄰近空間高超聲速飛行器的渦輪沖壓組合動(dòng)力的研究，不僅要進(jìn)行深入廣泛的動(dòng)力高空模擬試驗(yàn)，而且還要求在考慮飛行器與動(dòng)力相互作用影響下的高空模擬試驗(yàn)，以及飛行器與動(dòng)力一體化的高空模擬試驗(yàn)?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，高空模擬試驗(yàn)測(cè)試的技術(shù)水平與能力決定了高超聲速飛行器動(dòng)力研究的進(jìn)程。 2高空臺(tái)的發(fā)展現(xiàn)狀 自20世紀(jì)30年代世界首個(gè)高空臺(tái)建成以來(lái)，其試驗(yàn)測(cè)試能力與試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)隨發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展而不斷提升。當(dāng)前世界上建有幾十個(gè)高空模擬試驗(yàn)研究基地，有近百個(gè)高空試驗(yàn)艙。 2.1國(guó)外高空臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀

9、美國(guó)的高空臺(tái)和高空艙數(shù)量占世界總數(shù)的一半以上。在高空模擬能力絕對(duì)占優(yōu)的情況下，為適應(yīng)進(jìn)氣道/發(fā)動(dòng)機(jī)的相容性能問(wèn)題和大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)研制的高空性能/特性試驗(yàn)問(wèn)題，不惜耗費(fèi)6.5億美元于20世紀(jì)80年代中后期建成了氣源裝機(jī)功率達(dá)450MW的巨型高空臺(tái)ASTF。俄羅斯的高空模擬試驗(yàn)研究中心現(xiàn)有兩個(gè)高空模擬試驗(yàn)基地、5個(gè)在用高空艙。俄羅斯早在20世紀(jì)90年代就著手籌建10m直徑的巨型高空艙，以適應(yīng)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的高空試驗(yàn)需求，其設(shè)備規(guī)模和試驗(yàn)?zāi)芰H次于美國(guó)，是歐洲最大的航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)基地。另外，英、法等國(guó)也有較為完備的高空模擬能力。不僅如此，日本、韓國(guó)和印度等國(guó)，隨著經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提升和發(fā)動(dòng)機(jī)的自主

10、研發(fā)，也于上世紀(jì)末和本世紀(jì)初開(kāi)始建高空臺(tái)。這些國(guó)家在不斷提升高空臺(tái)硬件能力的同時(shí)，更加大對(duì)高空模擬試驗(yàn)技術(shù)的研究。一方面探索新的試驗(yàn)與測(cè)試方法，開(kāi)發(fā)新的試驗(yàn)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(guó)于20世紀(jì)90年代將主要的高空模擬試驗(yàn)基地歸入阿諾德工程發(fā)展中心（AEDC），使其高空模擬設(shè)備能力和技術(shù)水平遙居世界第一?？傮w上說(shuō)，高空模擬試驗(yàn)技術(shù)，已從單純追求發(fā)動(dòng)機(jī)性能的高空性能試驗(yàn)、功能試驗(yàn)階段，發(fā)展到追求綜合高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能功能試驗(yàn)、適用性試驗(yàn)、耐久性試驗(yàn)、數(shù)字化與仿真試驗(yàn)、自動(dòng)化與智能化試驗(yàn)等。 2.2我國(guó)高空臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀 我國(guó)于1965年開(kāi)始高空模擬試驗(yàn)基地的自

11、主建設(shè)工作，于1995年竣工并投入使用。我國(guó)高空模擬試驗(yàn)基地占地400畝、總裝機(jī)功率220MW，其設(shè)備能力與水平居亞洲第一、世界第五。當(dāng)前有4個(gè)高空艙，其直徑分別為3.7m、3.0m、3.0m和2.0m，可承擔(dān)海平面標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)機(jī)的高空模擬試驗(yàn)，主要包括：高空校準(zhǔn)試驗(yàn)、性能試驗(yàn)、功能試驗(yàn)、功率/推力瞬變?cè)囼?yàn)、加力通/斷試驗(yàn)、進(jìn)氣壓力畸變?cè)囼?yàn)、空中起動(dòng)試驗(yàn)、高空風(fēng)車(chē)特性試驗(yàn)、進(jìn)氣加溫加壓試驗(yàn)、高原/高溫/低溫起動(dòng)試驗(yàn)等。高空模擬試驗(yàn)技術(shù)的研究與發(fā)展，源于發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)需求。我國(guó)十分重視高空模擬試驗(yàn)與測(cè)試方法的研究，尤其是自1997年成立航空發(fā)

12、動(dòng)機(jī)高空模擬航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以來(lái)，高空模擬試驗(yàn)技術(shù)的水平有了顯著的提升，建立并完善了渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)規(guī)范，解決了渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)和大流量收擴(kuò)噴管渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)難題。我國(guó)當(dāng)前的高空模擬技術(shù)研究主要在性能/功能試驗(yàn)和適用性試驗(yàn)技術(shù)方面，與美、俄的同類(lèi)技術(shù)相比還有差距。 3我國(guó)高空臺(tái)與高空模擬技術(shù)的發(fā)展方向 隨著我國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)由測(cè)繪仿制向自主研制的轉(zhuǎn)變，尤其是由航空大國(guó)向航空強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變，以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)重大科技專(zhuān)項(xiàng)的設(shè)立工作順利推進(jìn)，對(duì)高空模擬試驗(yàn)的技術(shù)和能力提出了新的要求，也為高空臺(tái)的發(fā)展創(chuàng)造了新的機(jī)遇。 3.1我國(guó)高空臺(tái)的發(fā)展要求 為適應(yīng)國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)研究的整機(jī)試驗(yàn)條件保障需求，

13、急需開(kāi)展以下幾方面的高空臺(tái)能力的建設(shè)工作：渦噴、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)?zāi)芰ㄔO(shè)；渦軸、渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)?zāi)芰ㄔO(shè)；大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)?zāi)芰ㄔO(shè)；自由射流試驗(yàn)?zāi)芰ㄔO(shè)；組合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)?zāi)芰ㄔO(shè)；航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性綜合評(píng)定試驗(yàn)?zāi)芰ㄔO(shè)；加力燃燒室/主燃燒室高空模擬試驗(yàn)?zāi)芰ㄔO(shè)；輔助動(dòng)力以及其他附件高空模擬試驗(yàn)?zāi)芰ㄔO(shè)。通過(guò)上述高空臺(tái)能力的綜合評(píng)估與建設(shè)，形成配套國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)與鄰近空間飛行器動(dòng)力自主研發(fā)需要的高空模擬設(shè)備，打造國(guó)際知名、世界一流的我國(guó)高空模擬試驗(yàn)基地。 3.2我國(guó)高空模擬技術(shù)的發(fā)展方向 航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過(guò)15年的建設(shè)和發(fā)展，突破了多項(xiàng)高

14、空模擬試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)，形成了一系列較為成熟的高空模擬試驗(yàn)方法、測(cè)試方法與數(shù)據(jù)處理評(píng)定方法。為更好地適應(yīng)當(dāng)前國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)蓬勃發(fā)展和向航空強(qiáng)國(guó)發(fā)展的發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)需要，迫切需要加大和深化以下幾方面的高空臺(tái)能力研究與建設(shè)工作。1）高空臺(tái)飛行環(huán)境模擬技術(shù)高空臺(tái)進(jìn)氣壓力/溫度模擬技術(shù)；高空臺(tái)排氣環(huán)境模擬技術(shù)；高原、高溫、低溫起動(dòng)環(huán)境模擬技術(shù)；進(jìn)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(yàn)技術(shù)。2）高空模擬試驗(yàn)測(cè)試計(jì)量技術(shù)推力/功率測(cè)量與校準(zhǔn)技術(shù)；燃油流量測(cè)量與校準(zhǔn)技術(shù)；空氣流量測(cè)量與校準(zhǔn)技術(shù)；動(dòng)溫/動(dòng)壓測(cè)量與校準(zhǔn)技術(shù)。3）發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)評(píng)定與仿真技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)評(píng)定技術(shù)；發(fā)動(dòng)機(jī)功能試驗(yàn)評(píng)定技術(shù)；發(fā)動(dòng)機(jī)與高空臺(tái)建模與數(shù)值仿真技術(shù)；地面臺(tái)、高空臺(tái)、飛行臺(tái)相關(guān)性。4）進(jìn)氣道/發(fā)動(dòng)機(jī)匹配試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)氣壓力畸變?cè)囼?yàn)與評(píng)定技術(shù)；進(jìn)氣溫度畸變?cè)囼?yàn)與評(píng)定技術(shù)；進(jìn)氣溫度-壓力組合畸變?cè)囼?yàn)與評(píng)定技術(shù)；進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合試驗(yàn)技術(shù)；降穩(wěn)因子分析與試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)。通過(guò)對(duì)上述高空模擬試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)的研究，形成配套國(guó)內(nèi)航空動(dòng)力高空模擬試驗(yàn)的技術(shù)和方法體系，可為國(guó)內(nèi)先進(jìn)航空動(dòng)力的自主研發(fā)提供技術(shù)條件保障與支持。 4結(jié)束語(yǔ) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)固有的高復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)性，加之飛機(jī)戰(zhàn)技指標(biāo)不斷提高，使得先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制仍然離不開(kāi)大