陳偉博 姜繁生 于明

摘要：本文介紹了一種基于首飛科目的初始飛行前持久試車載荷譜設(shè)計方法，包括首飛任務科目的確定、飛行任務剖面的編制、持久試車載荷譜的編制等。本文的研究內(nèi)容具有一定的工程實用性，為新研制的航空發(fā)動機首飛前的持久試車載荷譜設(shè)計提供了方法。

Abstract： This paper introduces a design method of the endurance test load spectrum before the first flight based on the first flight subjects， including the determination of the first flight mission subjects， the compilation of the flight mission profile， the compilation of the endurance test load spectrum，etc..The research content of this paper has certain engineering practicability， which provides a method for the design of the endurance test load spectrum of the newly developed aeroengine before the first flight.

關(guān)鍵詞：首飛科目;初始飛行前;持久試車載荷譜

Key words： first flight subjects;before the first flight;endurance test load spectrum

中圖分類號：V263.1? ? ? ? ? ? ? ?; ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）24-0010-03

0? 引言

在《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發(fā)動機通用規(guī)范》中，將航空發(fā)動機研制分為三個階段，即初始飛行前階段、設(shè)計定型階段、生產(chǎn)定型階段，每個階段均需完成相應的考核試驗才能進入下一研制階段。在各階段的考核試驗中，持久試車是最為重要且難度最大的整機試驗，是對發(fā)動機的性能保持、結(jié)構(gòu)完整性、強度壽命的全面考核，對發(fā)動機的技術(shù)鑒定具有重要意義。[1-4]

在發(fā)動機初始飛行前持久試車技術(shù)要求中，《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發(fā)動機通用規(guī)范》規(guī)定了試車載荷譜的制定應與飛行任務有關(guān)，即試車載荷譜的載荷要求需滿足飛行任務剖面的載荷要求。試車載荷譜的普遍制定方法為收集發(fā)動機外場飛行參數(shù)，從中選取出典型任務剖面，根據(jù)典型任務剖面確定出持久試車載荷譜。這種方法對于改進型發(fā)動機或衍生型發(fā)動機而言，通?？梢詤⒄沾罅康幕鶞市桶l(fā)動機飛參數(shù)據(jù)制定飛行任務剖面，對于全新研制的發(fā)動機而言，發(fā)動機性能、用途差異較大，無法沿用其它型號的發(fā)動機飛行參數(shù)，故有必要開展相關(guān)研究，使初始飛行前的持久試車載荷譜既能滿足發(fā)動機考核要求，又不超出首飛所需的強度、壽命等要求，以便發(fā)動機可以順利進入下一階段的研制。

1? 持久試車載荷譜設(shè)計流程

針對全新研制的航空渦輪發(fā)動機，本文介紹一種通過確定發(fā)動機首飛任務科目，結(jié)合飛發(fā)協(xié)調(diào)計算等結(jié)果制定首飛任務剖面，最終根據(jù)飛行任務剖面確定持久試車載荷譜的方法。具體設(shè)計流程見圖1。

具體設(shè)計流程說明如下：

①確定首飛任務科目：首飛任務科目是飛行任務剖面的基礎(chǔ);

②計算各任務科目完成所需的時間：根據(jù)飛發(fā)協(xié)調(diào)結(jié)果確定飛機爬升、水平加速等典型任務科目所需時間;

③設(shè)計首飛任務剖面：在首飛任務科目及所需時間確定后，根據(jù)發(fā)動機典型工作特點，按照暖機、起飛、爬升、飛行至預定高度、開展飛行任務、返航、冷機等內(nèi)容編制飛行任務剖面;

④根據(jù)飛行任務剖面，編制持久試車載荷譜。

2? 首飛任務科目的確定

首飛任務科目主要驗證發(fā)動機研制要求中的關(guān)鍵性能指標及主要功能，一般包含用戶所關(guān)注的大部分戰(zhàn)技指標，通常有如下部分：

①發(fā)動機油門桿-轉(zhuǎn)速跟隨性：驗證發(fā)動機推力響應是否滿足指標要求;

②不同高度、馬赫數(shù)條件下的發(fā)動機加減速性：驗證發(fā)動機不同飛行包線區(qū)域內(nèi)的加減速性是否滿足指標要求;

③消喘/防喘檢查：檢查發(fā)動機的消喘/防喘系統(tǒng)是否可以有效投入工作，并在規(guī)定時間內(nèi)發(fā)動機恢復至正常工作狀態(tài);

④空中風車起動：檢查發(fā)動機熄火后空中再起動的能力;

⑤空中水平加速：檢查發(fā)動機平飛加速性，是否達到指標要求;

⑥加力通斷檢查：檢查加力通斷邊界及加力燃燒室工作穩(wěn)定性。

以上僅列出部分飛行科目，通常飛行科目由用戶方提出，與發(fā)動機方協(xié)調(diào)確認。

3? 主要飛發(fā)協(xié)調(diào)計算參數(shù)

確定完飛行科目后，需要確定與首飛任務科目相關(guān)的飛行時間，飛行時間的協(xié)調(diào)計算主要依據(jù)發(fā)動機的高度-速度特性及飛機阻力特性，需要飛發(fā)雙方共同制定，主要計算內(nèi)容如下：

①發(fā)動機爬升時間：即飛機在起飛后爬升至目標高度所需的時間。需要根據(jù)飛行高度、馬赫數(shù)、發(fā)動機工作狀態(tài)計算發(fā)動機推力、飛機阻力，確定飛機爬升到目標高度時所需時間，得到的爬升時間將作為每架次飛行任務剖面的設(shè)計參數(shù);

②平飛加速時間：平飛加速主要考核發(fā)動機不同高度下飛機從初始馬赫數(shù)飛行至目標馬赫數(shù)的加速時間，此時需要確定相應的飛行高度、馬赫數(shù)，計算發(fā)動機推力及飛機阻力，得到平飛加速時間;

③實用升限/爬升性能時間：即采用直接爬升法驗證飛機的實用升限及采用平飛加速法驗證飛機的爬升性能時間，需根據(jù)飛發(fā)協(xié)調(diào)結(jié)果計算爬升時間。

除上述需計算的相關(guān)飛行時間外，還應根據(jù)飛發(fā)協(xié)調(diào)結(jié)果確定不同高度、馬赫數(shù)下的穩(wěn)定平飛考核時間、等表速下滑時間、各項功能檢查所需的時間等。

4? 首飛任務剖面的確定

在確定完首飛任務科目、相關(guān)飛行時間之后，可結(jié)合飛行架次安排每一次飛行所需完成的飛行科目，進行飛行任務剖面的編制。飛行任務剖面通常由發(fā)動機暖機、滑行、起飛、爬升、穩(wěn)定平飛、發(fā)動機相關(guān)功能檢查、性能驗證等任務科目，通常在發(fā)動機首飛階段試驗科目較多，每架次飛行任務剖面均會有所不同。部分飛行任務剖面的制定如圖2～圖5所示。

圖2為發(fā)動機穩(wěn)態(tài)檢查及加減速檢查飛行任務剖面，在完成暖機、起飛、爬升后，在規(guī)定的高度、馬赫數(shù)下開展發(fā)動機各轉(zhuǎn)速工作穩(wěn)定性檢查，之后進行加減速檢查，完成后將在其它要求的高度、馬赫數(shù)條件下再次進行穩(wěn)態(tài)檢查及加減速檢查。

圖3為發(fā)動機加減速檢查及加力通斷檢查飛行任務剖面，加力通斷通常包含慢車-全加力、中間-小加力、中間-全加力、小加力-全加力等科目的檢查。

圖4為發(fā)動機實用升限檢查等科目飛行任務剖面，飛機起飛至規(guī)定高度后，即以規(guī)定的發(fā)動機狀態(tài)、馬赫數(shù)進行爬升。

圖5為發(fā)動機平飛加速等科目飛行任務剖面，飛機起飛至規(guī)定高度后，即以規(guī)定的發(fā)動機狀態(tài)飛行至包線右邊界。

5? 持久試車載荷譜設(shè)計

5.1 設(shè)計原則

在持久試車載荷譜的設(shè)計過程中，通常需要考慮發(fā)動機大狀態(tài)（中間及以上）工作時間、低循環(huán)疲勞次數(shù)、加力點火次數(shù)（帶加力燃燒室的航空渦輪發(fā)動機）等。

發(fā)動機低循環(huán)疲勞次數(shù)通常以三循環(huán)方式進行編制，即Ⅰ類循環(huán)（停車-最大/中間-停車）、Ⅱ類循環(huán)（慢車-最大/中間-慢車）、Ⅲ類循環(huán)（巡航-最大/中間-巡航），在發(fā)動機載荷統(tǒng)計時，通常利用雨流計數(shù)法得到所有循環(huán)，并將Ⅱ類循環(huán)、Ⅲ類循環(huán)換算為Ⅰ類循環(huán)，得到總累積循環(huán)數(shù)。

發(fā)動機的疲勞損傷通常以總累積循環(huán)數(shù)和大狀態(tài)工作時間表征，在持久試車載荷譜設(shè)計過程中，總累積循環(huán)數(shù)、大狀態(tài)工作時間和加力點火次數(shù)（帶加力燃燒室的航空渦輪發(fā)動機）需不低于飛行任務剖面統(tǒng)計結(jié)果。

5.2 持久試車載荷譜設(shè)計

目前國內(nèi)持久試車載荷譜的設(shè)計方法較多，有系統(tǒng)聚類法、主成分聚類法、模糊聚類法等[5-15]，這些方法普遍適用于外場飛行架次較多、飛行剖面復雜多變的情況，且需要選取典型任務剖面進行分析。考慮到飛發(fā)協(xié)調(diào)計算得到的飛行任務剖面每架次飛行科目均不相同，本文根據(jù)通用標準試驗載荷譜的編制方法進行持久試車載荷譜設(shè)計，具體步驟如下：

①統(tǒng)計所有載荷循環(huán)：對首飛任務剖面的所有載荷循環(huán)數(shù)進行統(tǒng)計，包括Ⅰ類循環(huán)、Ⅱ類循環(huán)、Ⅲ類循環(huán);

②生成任務剖面載荷參數(shù)序列：由以上統(tǒng)計的循環(huán)數(shù)，根據(jù)飛行總架次及飛行總時間，生成發(fā)動機各飛行任務在一定時間內(nèi)的任務混頻，得到每一次試車發(fā)動機轉(zhuǎn)速狀態(tài)及Ⅱ類循環(huán)、Ⅲ類循環(huán)次數(shù);

③分段統(tǒng)計各轉(zhuǎn)速狀態(tài)保持時間：將劃分好的發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍根據(jù)飛行任務剖面分配各載荷狀態(tài)時間，包括大狀態(tài)時間、巡航時間、慢車時間;

④編制持久試車載荷譜：在得到上述參數(shù)后，根據(jù)試驗循環(huán)數(shù)、各轉(zhuǎn)速狀態(tài)工作時間、生成持久試車載荷譜。

若不同架次首飛任務剖面的總時間及低循環(huán)疲勞次數(shù)差異較大，為保證考核充分，生成的試車載荷譜通常需要兩個以上。以上述協(xié)調(diào)計算產(chǎn)生的飛行任務剖面為例，生成的持久試車載荷譜見圖6～圖7所示。

6? 結(jié)論

通過本文的研究，得到以下結(jié)論：

①對于新研制的航空渦輪發(fā)動機，若無法參考其它發(fā)動機的外場飛行參數(shù)，可通過飛發(fā)協(xié)調(diào)計算得到首飛任務剖面，以此作為初始飛行前持久試車載荷譜的設(shè)計輸入。

②根據(jù)任務混頻等設(shè)計方法，在滿足發(fā)動機飛行任務剖面載荷要求的條件下，根據(jù)統(tǒng)計的低疲勞循環(huán)次數(shù)、各轉(zhuǎn)速段工作時間可得出用于試驗考核的持久試車載荷譜。

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