■ 單曉明 高倩 魏秀利 / 中國航發(fā)動研所

對氣動性能、總體結構、各部件及系統(tǒng)進行相應的試驗驗證，能夠實現(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，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。

渦軸發(fā)動機試車

航空發(fā)動機試驗測試技術是集流體力學、熱力學、計算機、電子學、控制學、材料學、結構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)的技術質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)動機全包線范圍內的所有問題。因此，在航空發(fā)動機技術發(fā)展過程中，試驗及測試貫穿于研制過程和技術發(fā)展的各個環(huán)節(jié)且占比依然很大。建設滿足基礎技術、應用技術、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)動機技術進步的重要標志之一。

航空發(fā)動機試驗與測試技術特點

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、結構強度、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)動機測試技術特點

航空發(fā)動機測試技術涉及到的技術包括信號傳感、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)存儲技術等；涉及到的學科包括流體力學、熱力學、計算機技術、光學技術、電子技術、材料技術等綜合性多學科技術。

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。

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)動機具有結構緊湊、流道狹小、轉速高、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，有些結構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

壓力場測量

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、應用技術研究、產(chǎn)品研制和考核取證等在內的完整的航空發(fā)動機技術發(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、結冰、吞咽、污染檢測等內容，具備綜合驗證航空發(fā)動機及推進系統(tǒng)的氣動性能、結構特性、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、大氣結冰條件模擬等。在試驗智能化技術方面，不僅建立起可操作性強、業(yè)內統(tǒng)一的成套試驗測試技術標準，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，并隨著計算機技術的進步，誕生了數(shù)字/試驗綜合評估技術。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)動機試驗技術方面，國內已掌握了發(fā)動機性能調試試驗、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；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、進氣溫度調節(jié)試驗等功能試驗技術；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/超扭試驗等可靠性試驗技術；突破了吞鳥和吞冰試驗、吸入沙石試驗、吞水試驗、吞煙試驗、側風試驗、排氣污染試驗等使用環(huán)境試驗的部分關鍵技術；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、電磁干擾試驗、噪聲試驗等生存能力試驗的關鍵技術研究，并取得階段性成果。

我國航空發(fā)動機試驗技術主要面臨以下問題與挑戰(zhàn)。

一是試驗基礎技術薄弱。復雜環(huán)境、吞咽、壽命預測等試驗基礎技術薄弱；發(fā)動機生存能力試驗及其技術研究開展明顯不足；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)。

高溫測試探針

測試技術發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)

對于測試技術，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。在非接觸測振技術方面，發(fā)動機動應力遙測技術應用發(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?？傮w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)字化試驗測試技術已得到充分發(fā)展，網(wǎng)絡化、智能化測試和診斷技術迅速發(fā)展，非接觸光學測試技術已有廣泛應用，基本解決了航空發(fā)動機復雜內流測試、高溫環(huán)境氣動熱力參數(shù)測試、高速轉子葉片動應力測試、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)支撐和技術支持。

國內常規(guī)的發(fā)動機測試技術已比較成熟，建立了相應的測試技術體系，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；結構強度參數(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，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；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)動機內部復雜流動的精細化測試能力不足。目前，國內中小型航空發(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；轉子部件溫度實時監(jiān)測仍存在一定困難，晶體測溫技術應用較少；高溫測試技術急需突破，熱流測試技術、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還有待進一步發(fā)展。

二是測試校準體系不健全。國內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)挖掘技術有待提高。目前，國內對于發(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)動機整機試驗技術體系。一是進一步完善試驗技術，如自動化試車控制技術、整機電磁兼容試驗技術；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；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、溫度畸變試驗技術、整機振動試驗技術、渦軸/渦槳發(fā)動機陀螺試驗技術的深化研究。

試驗技術遠期發(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)動機內流場精細化測量；二是要實現(xiàn)轉子部件多參數(shù)測量，完善發(fā)動機健康監(jiān)測技術；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的差距。

測試技術遠期發(fā)展需探索航空發(fā)動機測試技術的新原理和新方法，實現(xiàn)測試技術的智能化、信息化。一是在非接觸式與特種測量技術方面，實現(xiàn)與國際先進水平并駕齊驅；二是需建立較完備的發(fā)動機特性和故障特征數(shù)據(jù)庫；三是構建完備的網(wǎng)絡化數(shù)據(jù)綜合診斷專家系統(tǒng)；四是實現(xiàn)健康管理技術智能化、信息化，實現(xiàn)機載、遠程智能監(jiān)測、診斷及預報。

結束語

目前，發(fā)動機型號研制對試驗與測試的需求非常迫切，在全流程參數(shù)測量、高溫部件參數(shù)測量、早期故障預測等方面的要求越來越高，對試驗與測試的基礎技術研究需更加重視，對前沿技術（如虛擬試驗、仿真試驗等）的探索有待進一步加強。