航空發(fā)動機的發(fā)展與形勢解析

1、航空發(fā)動機的發(fā)展與形勢解析 本文 0引言 航空發(fā)動機的氣動熱力學問題、機械系統(tǒng)問題、匹配性問題及控制規(guī)律問題等都必須通過高空臺模擬試驗進行充分的調試、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，并獲取發(fā)動機高空性能/特性的大型試驗設備，是先進航空發(fā)動機自主研制必不可少的一種關鍵設備。一個沒有高空臺的國家，是不可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)的蓬勃發(fā)展和航空發(fā)動機重大專項設立的順利推進，對高空臺的試驗能力和高空模擬試驗技術都提出了更高的要求。 1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，高空模擬是自主研制先進航空發(fā)動機必不可少的重要手段和工具，一

2、個國家的高空模擬能力和技術水平已成為該國自主研制先進航空發(fā)動機能力和水平的一個重要標志。 1.1高空臺是先進航空發(fā)動機研制不可或缺的重要手段和工具航空動力是集合了復雜氣動、熱力、結構和控制的高技術產品。由于航空動力技術的復雜性和研制的高風險性，特別是工作范圍的不斷擴大和設計指標的日益提高，包括概念研究在內的航空動力發(fā)展的每一個環(huán)節(jié)都離不開廣泛而深入的研究與試驗。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)動機的工作參數隨飛行條件變化而急劇改變，而且發(fā)動機的部件性能、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)動機工作特性，已經與地面狀態(tài)的性能大不相同，不能僅靠普通地面試車臺上的臺架試驗結果通過傳統(tǒng)的相似換算方法得到，而必須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、機械系統(tǒng)、匹配性和控制規(guī)律等四大類。在整機試驗中，各種問題的耦合使航空

4、發(fā)動機高空模擬試驗更具復雜性。在高空臺上調試、驗證、探索發(fā)動機改進改型方案須有詳細的部件特性的支持，以及整機仿真技術的支持，才能有效地提高高空模擬試驗結果的置信度，而且整機仿真技術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，其相關的高空模擬試驗技術支撐則更重要。通過合理、充分地安排航空發(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，并大幅降低試驗經費、大大縮短研發(fā)周期。高空臺作為重要的獲取空中工作參數以驗證發(fā)動機部件匹配性能的地面設備，集設計、制造工藝、控制、測試、試驗等多項工業(yè)技術和發(fā)動機技術于一身，具有不可替代的地位。 1.2高空

5、模擬試驗是航空發(fā)動機性能調試與技術攻關的最有效途徑航空發(fā)動機研制是一個設計與試驗的反復迭代過程。一臺新型發(fā)動機的研制需要數千小時的空中性能調試試驗。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)動機的研究工作，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的發(fā)動機研制項目，也不會有成熟可靠的原型機來進行高空性能調試試驗。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試手段之一，但一般僅限于飛行高度低于11km、飛行馬赫數一般低于0.8

6、5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，參數測試能力、試驗安全性和試驗條件控制方面具有獨特的優(yōu)勢，對發(fā)動機性能調試與技術攻關也非常關鍵。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。 1.3先進航空發(fā)動機的關鍵部件研發(fā)需要進行深入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)也要依賴于高空臺，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

7、的研究試驗。因為對于關鍵部件的高空特性，不能僅通過理論計算和普通試驗來解決，而要建設專門的高空試驗設備，其投資基本與一座高空臺相當，因而通常會將此類試驗安排在高空臺上進行。據國外經驗介紹，成功地發(fā)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。 1.4航空發(fā)動機先進設計方法的有效性驗證與新型航空動力研究都離不開高空試驗當前，虛擬設計方法與仿真試驗技術在優(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的開發(fā)與升級離不開大量的試驗結果的支持，其有效性和應用范圍的驗證也離不開真實工作環(huán)境條件下的試驗驗證。為了滿足飛機技術指標不斷提升的要

8、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研究。而這些動力裝置的研究，如用于鄰近空間高超聲速飛行器的渦輪沖壓組合動力的研究，不僅要進行深入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?？梢院敛豢鋸埖卣f，高空模擬試驗測試的技術水平與能力決定了高超聲速飛行器動力研究的進程。 2高空臺的發(fā)展現狀 自20世紀30年代世界首個高空臺建成以來，其試驗測試能力與試驗測試技術隨發(fā)動機發(fā)展而不斷提升。當前世界上建有幾十個高空模擬試驗研究基地，有近百個高空試驗艙。 2.1國外高空臺發(fā)展現狀

9、美國的高空臺和高空艙數量占世界總數的一半以上。在高空模擬能力絕對占優(yōu)的情況下，為適應進氣道/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年代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研究中心現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年代就著手籌建10m直徑的巨型高空艙，以適應先進航空發(fā)動機研發(fā)的高空試驗需求，其設備規(guī)模和試驗能力僅次于美國，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能力。不僅如此，日本、韓國和印度等國，隨著經濟實力的提升和發(fā)動機的自主

10、研發(fā)，也于上世紀末和本世紀初開始建高空臺。這些國家在不斷提升高空臺硬件能力的同時，更加大對高空模擬試驗技術的研究。一方面探索新的試驗與測試方法，開發(fā)新的試驗科目，廣泛使用和融入數值仿真技術；另一方面優(yōu)化資源整合，比如美國于20世紀90年代將主要的高空模擬試驗基地歸入阿諾德工程發(fā)展中心（AEDC），使其高空模擬設備能力和技術水平遙居世界第一。總體上說，高空模擬試驗技術，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，發(fā)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、數字化與仿真試驗、自動化與智能化試驗等。 2.2我國高空臺發(fā)展現狀 我國于1965年開始高空模擬試驗基地的自

11、主建設工作，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，其設備能力與水平居亞洲第一、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，可承擔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。高空模擬試驗技術的研究與發(fā)展，源于發(fā)動機的研發(fā)需求。我國十分重視高空模擬試驗與測試方法的研究，尤其是自1997年成立航空發(fā)

12、動機高空模擬航空科技重點實驗室以來，高空模擬試驗技術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鍵技術難題。我國當前的高空模擬技術研究主要在性能/功能試驗和適用性試驗技術方面，與美、俄的同類技術相比還有差距。 3我國高空臺與高空模擬技術的發(fā)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變，尤其是由航空大國向航空強國的轉變，以及航空發(fā)動機重大科技專項的設立工作順利推進，對高空模擬試驗的技術和能力提出了新的要求，也為高空臺的發(fā)展創(chuàng)造了新的機遇。 3.1我國高空臺的發(fā)展要求 為適應國內發(fā)動機研究的整機試驗條件保障需求，

13、急需開展以下幾方面的高空臺能力的建設工作：渦噴、渦扇發(fā)動機高空模擬試驗能力建設；渦軸、渦槳發(fā)動機高空模擬試驗能力建設；大涵道比發(fā)動機高空模擬試驗能力建設；自由射流試驗能力建設；組合動力發(fā)動機高空模擬試驗能力建設；航空發(fā)動機氣動穩(wěn)定性綜合評定試驗能力建設；加力燃燒室/主燃燒室高空模擬試驗能力建設；輔助動力以及其他附件高空模擬試驗能力建設。通過上述高空臺能力的綜合評估與建設，形成配套國內航空發(fā)動機與鄰近空間飛行器動力自主研發(fā)需要的高空模擬設備，打造國際知名、世界一流的我國高空模擬試驗基地。 3.2我國高空模擬技術的發(fā)展方向 航空發(fā)動機高空模擬航空科技重點實驗室，經過15年的建設和發(fā)展，突破了多項高

14、空模擬試驗關鍵技術，形成了一系列較為成熟的高空模擬試驗方法、測試方法與數據處理評定方法。為更好地適應當前國內航空發(fā)動機蓬勃發(fā)展和向航空強國發(fā)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能力研究與建設工作。1）高空臺飛行環(huán)境模擬技術高空臺進氣壓力/溫度模擬技術；高空臺排氣環(huán)境模擬技術；高原、高溫、低溫起動環(huán)境模擬技術；進氣畸變及其他特殊要求使用條件模擬技術；自由射流高空模擬試驗技術。2）高空模擬試驗測試計量技術推力/功率測量與校準技術；燃油流量測量與校準技術；空氣流量測量與校準技術；動溫/動壓測量與校準技術。3）發(fā)動機試驗評定與仿真技術發(fā)動機性能試驗評定技術；發(fā)動機功能試驗評定技術；發(fā)動機與高空臺建模與數值仿真技術；地面臺、高空臺、飛行臺相關性。4）進氣道/發(fā)動機匹配試驗技術進氣壓力畸變試驗與評定技術；進氣溫度畸變試驗與評定技術；進氣溫度-壓力組合畸變試驗與評定技術；進氣道與發(fā)動機聯合試驗技術；降穩(wěn)因子分析與試驗驗證技術。通過對上述高空模擬試驗關鍵技術的研究，形成配套國內航空動力高空模擬試驗的技術和方法體系，可為國內先進航空動力的自主研發(fā)提供技術條件保障與支持。 4結束語 航空發(fā)動機固有的高復雜性和風險性，加之飛機戰(zhàn)技指標不斷提高，使得先進航空發(fā)動機研制仍然離不開大