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(xué)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(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，并獲取發(fā)動機高空性能/特性的大型試驗設(shè)備，是先進航空發(fā)動機自主研制必不可少的一種關(guān)鍵設(shè)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(shè)立的順利推進，對高空臺的試驗?zāi)芰透呖漳M試驗技術(shù)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，一個

2、國家的高空模擬能力和技術(shù)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(biāo)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(fù)雜氣動、熱力、結(jié)構(gòu)和控制的高技術(shù)產(chǎn)品。由于航空動力技術(shù)的復(fù)雜性和研制的高風(fēng)險性，特別是工作范圍的不斷擴大和設(shè)計指標(biāo)的日益提高，包括概念研究在內(nèi)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(shù)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受

3、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(jīng)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(jié)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(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發(fā)

4、動機高空模擬試驗更具復(fù)雜性。在高空臺上調(diào)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(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(jīng)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(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、控制、測試、試驗等多項工業(yè)技術(shù)和發(fā)動機技術(shù)于一身，具有不可替代的地位。 1.2高空模

5、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(dǎo)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(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，但一般僅限于飛行高度低于11km、飛行馬赫數(shù)一般低于0.85

6、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(diào)試與技術(shù)攻關(guān)也非常關(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(dāng)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(guān)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的

7、研究試驗。因為對于關(guān)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(shè)專門的高空試驗設(shè)備，其投資基本與一座高空臺相當(dāng)，因而通常會將此類試驗安排在高空臺上進行。據(jù)國外經(jīng)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(shè)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(dāng)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工作環(huán)境條件下的試驗驗證。為了滿足飛機技術(shù)指標(biāo)不斷提升的要求

8、，當(dāng)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。可以毫不夸張地說，高空模擬試驗測試的技術(shù)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(xiàn)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(shù)隨發(fā)動機發(fā)展而不斷提升。當(dāng)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(xiàn)狀 美

9、國的高空臺和高空艙數(shù)量占世界總數(shù)的一半以上。在高空模擬能力絕對占優(yōu)的情況下，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(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年代就著手籌建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?zāi)芰H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(jīng)濟實力的提升和發(fā)動機的自主研

10、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(shù)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(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(shè)備能力和技術(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，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(shù)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(xiàn)狀 我國于1965年開始高空模擬試驗基地的自主

11、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)備能力與水平居亞洲第一、世界第五。當(dāng)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(dān)海平面標(biāo)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)動

12、機高空模擬航空科技重點實驗室以來，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(dāng)前的高空模擬技術(shù)研究主要在性能/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。 3我國高空臺與高空模擬技術(shù)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(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)立工作順利推進，對高空模擬試驗的技術(shù)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(yīng)國內(nèi)發(fā)動機研究的整機試驗條件保障需求，急

13、需開展以下幾方面的高空臺能力的建設(shè)工作：渦噴、渦扇發(fā)動機高空模擬試驗?zāi)芰ㄔO(shè)；渦軸、渦槳發(fā)動機高空模擬試驗?zāi)芰ㄔO(shè)；大涵道比發(fā)動機高空模擬試驗?zāi)芰ㄔO(shè)；自由射流試驗?zāi)芰ㄔO(shè)；組合動力發(fā)動機高空模擬試驗?zāi)芰ㄔO(shè)；航空發(fā)動機氣動穩(wěn)定性綜合評定試驗?zāi)芰ㄔO(shè)；加力燃燒室/主燃燒室高空模擬試驗?zāi)芰ㄔO(shè)；輔助動力以及其他附件高空模擬試驗?zāi)芰ㄔO(shè)。通過上述高空臺能力的綜合評估與建設(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。 3.2我國高空模擬技術(shù)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(jīng)過15年的建設(shè)和發(fā)展，突破了多項高空

14、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(dāng)前國內(nèi)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(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)的研究，形成配套