航空發(fā)動機試驗與測試技術(shù)發(fā)展分析

對氣動性能、總體結(jié)構(gòu)、各部件及系統(tǒng)進行相應的試驗驗證，能夠?qū)崿F(xiàn)對新型航空發(fā)動機性能、安全性、可靠性、耐久性和可操作性的考核。測試則是貫穿發(fā)動機試驗各個環(huán)節(jié)的關鍵技術(shù)，只有通過測試才能快速而準確地獲取發(fā)動機的狀態(tài)和性能。航空發(fā)動機試驗測試技術(shù)是集流體力學、熱力學、計算機、電子學、控制學、材料學、結(jié)構(gòu)力學等為一體的綜合性學科。無論在研制過程中，還是在批產(chǎn)、使用過程中，發(fā)動機試驗都是一個至關重要的環(huán)節(jié)，大多數(shù)的技術(shù)質(zhì)量問題可以在這個環(huán)節(jié)暴露。一方面必須要按照相應規(guī)范和要求，開展大量考核性驗證和試驗，滿足產(chǎn)品安全性、可靠性和使用壽命要求；另一方面由于實際工作的復雜性、使用狀態(tài)的差異性、客觀現(xiàn)實的不適應性等原因，目前還不能完全通過數(shù)值仿真和分析預測來解決發(fā)動機全包線范圍內(nèi)的所有問題。因此，在航空發(fā)動機技術(shù)發(fā)展過程中，試驗及測試貫穿于研制過程和技術(shù)發(fā)展的各個環(huán)節(jié)且占比依然很大。建設滿足基礎技術(shù)、應用技術(shù)、產(chǎn)品研制和使用發(fā)展等方面要求的、完整且能逼真模擬航空發(fā)動機實際使用工況的試驗測試能力體系，成為發(fā)動機技術(shù)進步的重要標志之一。渦軸發(fā)動機試車航空發(fā)動機試驗與測試技術(shù)特點航空發(fā)動機試驗特點航空發(fā)動機試驗種類很多，試驗設備、試驗條件和試驗環(huán)境等也是千差萬別。按試驗對象，可分為零部件試驗、系統(tǒng)試驗、核心機試驗、整機試驗。按學科專業(yè)，可分為氣動、燃燒、換熱、控制、機械傳動、結(jié)構(gòu)強度、材料、工藝等各類試驗。按最終目的，可分為科學研究試驗、型號研制考核試驗和批生產(chǎn)發(fā)動機試驗。按試驗項目，可分為基本性能試驗、基本功能試驗、可靠性試驗、環(huán)境試驗、生存能力試驗。由于試驗種類多、試驗項目多，所以航空發(fā)動機試車臺也迥然不同，整機試車臺主要有性能試車臺、起動規(guī)律試車臺、姿態(tài)試車臺、高空模擬試車臺、電磁兼容試車臺、軸功率試車臺、螺旋槳試車臺等。由于試車臺的功能不同，所包含的系統(tǒng)也千差萬別，如臺架系統(tǒng)、進氣和排氣系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、測試系統(tǒng)等不盡相同。航空發(fā)動機測試技術(shù)特點航空發(fā)動機測試技術(shù)涉及到的技術(shù)包括信號傳感、信號處理、信號傳輸、數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲技術(shù)等；涉及到的學科包括流體力學、熱力學、計算機技術(shù)、光學技術(shù)、電子技術(shù)、材料技術(shù)等綜合性多學科技術(shù)。隨著發(fā)動機性能、可靠性、安全性和經(jīng)濟性等要求的提高，發(fā)動機對測試技術(shù)的要求也越來越高，主要呈現(xiàn)出以下特點：一是測量參數(shù)種類繁多，涵蓋了溫度、壓力、流量、密度、濕度、推力、扭矩、位移、轉(zhuǎn)速等氣動熱力參數(shù)，還包括振動、噪聲、應力、間隙等強度振動參數(shù)和電壓、電流、頻率等電工參數(shù)；二是發(fā)動機測點數(shù)越來越多，整機上測點數(shù)動輒幾百個，有的多達上千個，因此測試引線復雜困難；三是發(fā)動機內(nèi)部流場環(huán)境復雜多變，氣流溫度達到2000℃，氣流速度超過600m/s（不含加力），這些都給發(fā)動機測試帶來嚴苛的挑戰(zhàn)。因此，測試傳感器和系統(tǒng)必須具備準確度高、靈敏度高、通道多、小型化、量程廣、抗惡劣環(huán)境、非接觸、動態(tài)響應好等特性才能適應航空發(fā)動機研制和使用要求。壓力場測量除上述共有的特點外，中小型航空發(fā)動機測試工作具有更高的復雜性。中小型航空發(fā)動機具有結(jié)構(gòu)緊湊、流道狹小、轉(zhuǎn)速高、尺寸小、負荷大等特點，可實現(xiàn)的測量手段受到很大的限制。在發(fā)動機氣動參數(shù)測量方面，受到堵塞比的限制，要求探針和傳感器的尺寸盡可能小，有些結(jié)構(gòu)空間小到很難布置探針。在三維流場測量方面，激光風速儀和熱線風速儀僅能夠在特定的場合下使用，三維氣動探針與位移機構(gòu)配合使用的方法仍是目前普遍使用的測量手段，通常要求三維氣動探針小型化、微型化（如五孔探針的探頭直徑僅為2.5mm），盡量減小其對流場的影響。在流量測量方面，由于中小型航空發(fā)動機的流量小，壓氣機放氣、發(fā)動機級間引氣和渦輪葉片冷卻氣等流量非常小，無法模擬真實工況對流量測量設備進行校準，因此氣體小流量的精準測量一直是個難題。在動應力測量方面，由于中小型航空發(fā)動機零部件工作環(huán)境惡劣，動應力測量面臨著高溫、高轉(zhuǎn)速、富油、引線空間狹小等難題，如渦軸發(fā)動機壓氣機葉片的多級軸流葉片小而薄，甚至小于剃須刀刀片，葉片上貼片和引線的難度非常大。三維流場測量試驗發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)為了適應航空發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展需求，需要投入巨額資金建立規(guī)模龐大的試驗基地和高水平試驗設備。在美國，從政府和軍方到企業(yè)和高校，形成了包括基礎研究、應用技術(shù)研究、產(chǎn)品研制和考核取證等在內(nèi)的完整的航空發(fā)動機技術(shù)發(fā)展體系，并建設了大量的試驗研究設施。航空發(fā)動機試驗設備數(shù)量和模擬范圍能夠滿足所有型號發(fā)動機和先進概念驗證的試驗需求，涉及氣動、熱力、高低周疲勞、結(jié)冰、吞咽、污染檢測等內(nèi)容，具備綜合驗證航空發(fā)動機及推進系統(tǒng)的氣動性能、結(jié)構(gòu)特性、動態(tài)特性、環(huán)境特性的能力。發(fā)動機工作條件試驗模擬的逼真程度高，涵蓋穩(wěn)態(tài)飛行條件模擬、過渡態(tài)飛行軌跡模擬、大氣結(jié)冰條件模擬等。在試驗智能化技術(shù)方面，不僅建立起可操作性強、業(yè)內(nèi)統(tǒng)一的成套試驗測試技術(shù)標準，而且在發(fā)動機的驗證試驗策劃、試驗設備控制、試驗流程組織、試驗過程操作、試驗數(shù)據(jù)采集管理、試驗結(jié)果分析、試驗狀態(tài)在線監(jiān)控與設備健康管理等多方面實現(xiàn)了自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化，實現(xiàn)多學科綜合，多系統(tǒng)協(xié)同，虛擬試驗與實物試驗一體，并隨著計算機技術(shù)的進步，誕生了數(shù)字/試驗綜合評估技術(shù)。隨著高速網(wǎng)絡、高性能仿真計算能力的出現(xiàn)，實施了推進系統(tǒng)數(shù)值仿真試驗臺。目前，國內(nèi)航空發(fā)動機已開啟了自主研發(fā)的新機遇期，發(fā)動機試驗需要以設計定型或適航取證為牽引，針對不同的試驗驗證需求開展相應的試驗功能研究。航空發(fā)動機試驗技術(shù)方面，國內(nèi)已掌握了發(fā)動機性能調(diào)試試驗、性能匹配優(yōu)化試驗、節(jié)流特性試驗、瞬變特性試驗、進氣壓力畸變試驗等性能試驗技術(shù)；掌握了發(fā)動機起動試驗、引氣試驗、電機加載試驗、液壓加載試驗、發(fā)動機燃/滑油加溫試驗、進氣溫度調(diào)節(jié)試驗等功能試驗技術(shù)；掌握了發(fā)動機疲勞試驗、振動和應力特性試驗、滑油中斷試驗、電源失效試驗、超溫/超轉(zhuǎn)/超扭試驗等可靠性試驗技術(shù)；突破了吞鳥和吞冰試驗、吸入沙石試驗、吞水試驗、吞煙試驗、側(cè)風試驗、排氣污染試驗等使用環(huán)境試驗的部分關鍵技術(shù)；逐步開展了雷達截面測量試驗、紅外輻射試驗、自動化試車控制技術(shù)、電磁干擾試驗、噪聲試驗等生存能力試驗的關鍵技術(shù)研究，并取得階段性成果。我國航空發(fā)動機試驗技術(shù)主要面臨以下問題與挑戰(zhàn)。一是試驗基礎技術(shù)薄弱。復雜環(huán)境、吞咽、壽命預測等試驗基礎技術(shù)薄弱；發(fā)動機生存能力試驗及其技術(shù)研究開展明顯不足；發(fā)動機動態(tài)氣動特性和穩(wěn)定性試驗技術(shù)深度不夠；虛擬試驗和故障診斷能力開展較晚，試驗設備故障診斷技術(shù)基本處于空白。二是缺乏特種試車臺或試驗設備，一些特種試驗目前還無法開展，如發(fā)動機整機結(jié)冰試驗、渦槳發(fā)動機1P載荷加載模擬試驗、整機包容性試驗和溫度畸變試驗等。三是試車臺自動化水平較低。我國航空發(fā)動機研制起步較晚，初期發(fā)動機壽命都非常有限，國內(nèi)試車臺普遍存在自動化水平較低的問題。隨著航空發(fā)動機壽命快速增加，整機試驗時間越來越長，人力資源缺乏和試驗周期加長的矛盾日益凸顯。四是部分試驗設備仍需依賴進口。如高速水力測功器、高精度閥門、高速測扭器等試驗設備在一定程度上仍無法實現(xiàn)自主生產(chǎn)。測試技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)對于測試技術(shù)，國外目前正著力開發(fā)微型化、高精度、復合式的探針以及高精度、高速度、小型化、分布式的測試儀器，并朝綜合化、標準化、系列化、規(guī)范化的方向發(fā)展。在非接觸測振技術(shù)方面，發(fā)動機動應力遙測技術(shù)應用發(fā)展較為成熟，遙測系統(tǒng)應用較為廣泛，最高測溫達1450℃，精度可達±5℃。在高溫測試方面，如歐洲的用于燃氣渦輪發(fā)動機壽命優(yōu)化、性能和狀態(tài)監(jiān)測的高溫氣動-熱精確測量（HEATTOP）計劃，專門研究航空發(fā)動機高溫燃氣和熱端部件測量問題；此外，還開發(fā)了非接觸紅外光纖溫度計測溫系統(tǒng)以及黑體藍寶石/氧化鋯光纖溫度計測溫系統(tǒng)，并應用激光進行高溫燃燒產(chǎn)物溫度和濃度的測量技術(shù)。總體而言，歐美國家在測試基礎研究、先進傳感器研究、先進測試方法和設備研究、測試保障體系建設等方面有較為堅實的基礎和豐富的經(jīng)驗，虛擬化和數(shù)字化試驗測試技術(shù)已得到充分發(fā)展，網(wǎng)絡化、智能化測試和診斷技術(shù)迅速發(fā)展，非接觸光學測試技術(shù)已有廣泛應用，基本解決了航空發(fā)動機復雜內(nèi)流測試、高溫環(huán)境氣動熱力參數(shù)測試、高速轉(zhuǎn)子葉片動應力測試、排氣污染檢測等難題，為發(fā)動機重要特性評估提供數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)支持。高溫測試探針國內(nèi)常規(guī)的發(fā)動機測試技術(shù)已比較成熟，建立了相應的測試技術(shù)體系，形成了相關規(guī)范和標準，實現(xiàn)了發(fā)動機研制過程中基本性能參數(shù)可測和測得準確，具備了整機和零部件試驗的測試保障能力；結(jié)構(gòu)強度參數(shù)測試方面，近年發(fā)展了非接觸測振、高溫應變測試、高溫葉尖間隙測試技術(shù)，但缺少自主研發(fā)和極端環(huán)境下的準確可靠測量設備；在發(fā)動機氣動/熱力參數(shù)測試方面，發(fā)展了紅外測溫、晶體測溫、非標高溫熱電偶測溫等高溫熱端部件測試應用技術(shù)；壓力敏感涂料（PSP）、溫度敏感涂料（TSP）、粒子圖像測速PIV）等光學測試技術(shù)在葉柵風洞、葉輪機低速環(huán)境、粒子分離器及燃油噴嘴中開展了較多的工程應用。經(jīng)過60多年的努力，我國航空發(fā)動機測試能力有了長足發(fā)展，但從發(fā)動機的發(fā)展需求來看仍面臨以下問題和挑戰(zhàn)。一是發(fā)動機內(nèi)部復雜流動的精細化測試能力不足。目前，國內(nèi)中小型航空發(fā)動機級間參數(shù)測試參數(shù)較少，葉型探針設計和加工能力有待提高；轉(zhuǎn)子部件溫度實時監(jiān)測仍存在一定困難，晶體測溫技術(shù)應用較少；高溫測試技術(shù)急需突破，熱流測試技術(shù)、高溫動態(tài)溫度測試仍需開展工程應用研究，復合材料的高溫測試技術(shù)還有待進一步發(fā)展。二是測試校準體系不健全。國內(nèi)校準能力不能完全滿足實際工作需求，部分校準裝置老化嚴重，技術(shù)指標落后于型號需求，如高溫氣體流量的校準等。三是早期故障預警能力較差。對于軸承故障、封嚴裝置磨損、齒輪故障的實時監(jiān)測及故障預判能力較弱；燃燒室、渦輪等高溫部件的燒蝕無法開展實時監(jiān)測；發(fā)動機喘振和失速等報警及預警目前仍主要依靠人工判斷。四是試驗數(shù)據(jù)信息化管理與試驗數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)有待提高。目前，國內(nèi)對于發(fā)動機長期性能衰減、整機試驗數(shù)據(jù)分析等基本依靠人工分析。試驗數(shù)據(jù)的實時智能處理與分析能力不強，對試驗過程中的參數(shù)異常情況報警能力不足。五是部分測試設備仍需依賴進口。一些常用的測試設備還需依賴進口，如壓力掃描閥、溫度掃描閥、高精度動態(tài)傳感器等，國內(nèi)相應測試設備的測量精度、穩(wěn)定性和可靠性仍存在一定差距。未來發(fā)展趨勢試驗技術(shù)近期發(fā)展要以型號需求為牽引，借鑒先進的試驗理念，逐步完善發(fā)動機整機試驗技術(shù)體系。一是進一步完善試驗技術(shù)，如自動化試車控制技術(shù)、整機電磁兼容試驗技術(shù)；二是突破復雜環(huán)境模擬、發(fā)動機生存能力、智能化試車等試驗急需關鍵技術(shù)；三是開發(fā)并完善大功率渦軸、渦槳發(fā)動機試驗設備；四是開展水蒸氣模擬試驗技術(shù)、溫度畸變試驗技術(shù)、整機振動試驗技術(shù)、渦軸/渦槳發(fā)動機陀螺試驗技術(shù)的深化研究。試驗技術(shù)遠期發(fā)展需按國家相關標準、裝備試驗鑒定條例和適航條款要求全面考核，建立起支撐未來航空發(fā)動機發(fā)展需求的試驗能力。一是特殊環(huán)境下的關鍵試驗技術(shù)達到國際先進水平；二是建成發(fā)動機試驗故障庫和故障診斷知識庫、試驗設備仿真模型庫；三是建成系統(tǒng)性強、規(guī)范健全、試驗研究與鑒定手段完善的試驗技術(shù)體系；四是實現(xiàn)智能試驗和虛擬試驗，建成發(fā)動機試驗健康管理專家系統(tǒng)。測試技術(shù)近期發(fā)展重在實現(xiàn)部分特種測試參數(shù)從不能測到可測；常規(guī)測試參數(shù)從可測到測得更全面、更準確。一是要實現(xiàn)發(fā)動機內(nèi)流場精細化測量；二是要實現(xiàn)轉(zhuǎn)子部件多參數(shù)測量，完善發(fā)動機健康監(jiān)測技術(shù)；三是要實現(xiàn)燃燒室高溫燃氣測量；四是要縮小與國際先進測試技術(shù)的差距。測試技術(shù)遠期發(fā)展需探索航空發(fā)