陸思達(dá)，王玉東，嚴(yán)紅明

（中國航發(fā)商用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200241）

0 引言

民航將標(biāo)高1500～2438 m 的機(jī)場定義為高原機(jī)場，2438 m 以上的機(jī)場定義為高高原機(jī)場[1]。目前全球共有高高原機(jī)場42 個，主要集中于中國、中亞和南美等[2]，其中，中國有15個，主要分布在四川、青海、新疆和西藏等省、自治區(qū)，是世界上擁有高高原機(jī)場數(shù)量最多的國家。相比于平原，高高原機(jī)場海拔高、大氣壓力低、空氣密度小、環(huán)境溫度低。這些因素會導(dǎo)致飛機(jī)在高高原機(jī)場執(zhí)行任務(wù)復(fù)雜度高，對飛機(jī)和發(fā)動機(jī)的要求也更高，發(fā)動機(jī)起動更加困難，飛機(jī)起飛著陸性能也受到很大影響。目前中國能夠在高原和高高原運行的民航機(jī)型有5個，分別是空客319、330、340和波音737-700、757-200，均為國外制造的飛機(jī)。中國研制的民用飛機(jī)若要在高高原機(jī)場運營，其發(fā)動機(jī)必須具備在高高原機(jī)場起動的能力。所以，研究民用發(fā)動機(jī)高高原起動問題是非常必要的。

目前部分國外民用發(fā)動機(jī)具備高高原起動和運營的能力，但是國內(nèi)外關(guān)于民機(jī)高高原起動詳細(xì)研究的相關(guān)文獻(xiàn)很少。Léo 等[3]對高海拔條件下航空發(fā)動機(jī)燃燒室的點火過程進(jìn)行了大渦模擬研究；Sukhovii等[4]和Asgari 等[5]分別研究了模擬航空發(fā)動機(jī)高原起動過程的建模方法；賴安卿等[6]基于QAR 數(shù)據(jù)對某型大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)高高原冷發(fā)起動失效和熱發(fā)起動成功時的關(guān)鍵性能數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析。相關(guān)的軍用發(fā)動機(jī)的高原起動研究成果也可作為借鑒。李大為等[7]根據(jù)高原環(huán)境，對發(fā)動機(jī)起動過程的影響進(jìn)行了理論分析，提出了優(yōu)化發(fā)動機(jī)高原起動的措施；李文峰等[8]針對軍用渦扇發(fā)動機(jī)進(jìn)行了高原起動試驗研究發(fā)現(xiàn)，通過增大起動機(jī)功率以及減小起動負(fù)載的辦法可以解決高原起動的問題；喬洪信等[9]通過試車和仿真計算，給出了某型發(fā)動機(jī)高原起動供油規(guī)律；王兆銘等[10]通過對某型發(fā)動機(jī)起動工作過程和起動供油調(diào)節(jié)分析，研究了平原起動供油和高原起動供油關(guān)系；此外中國諸多高校對發(fā)動機(jī)的起動過程建模[11-13]也進(jìn)行了研究。但是對于發(fā)動機(jī)起動過程建模同時針對高高原環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，并結(jié)合高高原飛行試驗安全性的研究尚未開展。

本文簡要介紹了發(fā)動機(jī)在高高原起動的過程，研究了起動方案設(shè)計方法，制定了提高發(fā)動機(jī)高高原起動成功率、確保飛機(jī)試飛安全性的試驗流程。

1 高高原起動定義

1.1 發(fā)動機(jī)地面起動定義

發(fā)動機(jī)從零轉(zhuǎn)速過渡到慢車轉(zhuǎn)速的過程稱為起動過程[14]，是發(fā)動機(jī)開始運行所經(jīng)歷的第一階段。這個過程中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不斷增加，經(jīng)歷點火、發(fā)動機(jī)工作線上移、渦輪功率從小于壓氣機(jī)功率到大于壓氣機(jī)功率從而能夠自主加速等變化，為發(fā)動機(jī)內(nèi)部運行狀態(tài)最為復(fù)雜的階段。

成功的發(fā)動機(jī)起動過程中不應(yīng)發(fā)生喘振、超溫、懸掛、熄火和超時等不利現(xiàn)象。

發(fā)動機(jī)地面起動有3 種引氣方式，分別是從APU引氣、地面氣源車引氣和交輸引氣（從另一臺運轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)級間引氣）。

按照發(fā)動機(jī)前序工作狀態(tài)，發(fā)動機(jī)起動可以分為冷發(fā)起動和熱發(fā)起動。冷發(fā)起動是指發(fā)動機(jī)完全冷卻，內(nèi)部溫度也降至環(huán)境溫度時進(jìn)行起動。熱發(fā)起動是指發(fā)動機(jī)尚未完全冷卻，內(nèi)部溫度明顯高于環(huán)境溫度時進(jìn)行起動。

1.2 起動階段劃分

起動階段發(fā)動機(jī)高壓軸和起動機(jī)通過傳動軸機(jī)械相連接，起動機(jī)帶轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)高壓軸轉(zhuǎn)動并加速，在合適的轉(zhuǎn)速進(jìn)行點火，發(fā)動機(jī)在自身動力（或阻力）和起動機(jī)帶轉(zhuǎn)的合力下加速，直至慢車。起動過程按階段劃分為冷運轉(zhuǎn)、點火、加速、起動機(jī)脫開，最終自主加速并穩(wěn)定在慢車轉(zhuǎn)速。

起動過程發(fā)動機(jī)高壓軸的扭矩和功率變化如圖1、2所示。圖1中紅色虛線為起動機(jī)扭矩。在起動過程中起動機(jī)提供正扭矩，發(fā)動機(jī)在自平衡轉(zhuǎn)速之前扭矩為負(fù)，為便于對比將起動機(jī)的正扭矩畫在負(fù)值區(qū)域。起動機(jī)扭矩在發(fā)動機(jī)扭矩（藍(lán)色線）下方（絕對值更大），可知發(fā)動機(jī)和起動機(jī)的合扭矩為正扭矩，可以帶轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)到比自平衡轉(zhuǎn)速更高的轉(zhuǎn)速。圖2 中紅色虛線為起動機(jī)最大輸出功率。起動過程中起動機(jī)提供正功率，發(fā)動機(jī)在自平衡轉(zhuǎn)速之前功率為負(fù)，為便于對比將起動機(jī)的功率畫在負(fù)值區(qū)域。起動機(jī)功率在發(fā)動機(jī)功率下方（絕對值更大）可知發(fā)動機(jī)和起動機(jī)的合功率為正功率，可以帶轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)到比自平衡轉(zhuǎn)速更高的轉(zhuǎn)速。

圖1 發(fā)動機(jī)起動過程中高壓軸扭矩變化

圖2 發(fā)動機(jī)起動過程中高壓軸功率變化

1.3 高高原起動的定義

在高高原機(jī)場的發(fā)動機(jī)起動過程為高高原起動。

航空發(fā)動機(jī)高高原起動的過程，也是包含起動機(jī)帶轉(zhuǎn)、點火、加速、最終穩(wěn)定到慢車等幾個過程。隨著機(jī)場海拔升高，大氣壓力、溫度以及密度均會降低，大大增加了高原起動難度。另外，地形和天氣條件等使高高原機(jī)場運行環(huán)境也比一般機(jī)場復(fù)雜很多，可以說高高原運行對發(fā)動機(jī)可靠性提出了更高要求[15]，特殊的高高原環(huán)境將對航空發(fā)動機(jī)的高高原起動性能同樣產(chǎn)生不容忽視的影響。

2 高高原起動設(shè)計

2.1 起動設(shè)計方法

起動設(shè)計包括起動供油規(guī)律設(shè)計、點火轉(zhuǎn)速設(shè)計、定義起動過程關(guān)鍵轉(zhuǎn)速、定義起動包線內(nèi)關(guān)鍵點等。

首先，建立發(fā)動機(jī)起動模型，主要包括起動機(jī)模型、阻力模型、吸放熱模型、部件模型及修正。阻力模型包括飛機(jī)附件阻力模塊、發(fā)動機(jī)高壓附件阻力模塊、低壓附件阻力模塊、燃油泵功率損失、滑油泵功率損失、軸承功率損失和壓氣機(jī)盤風(fēng)阻損失等。部件模型包括旋轉(zhuǎn)部件全轉(zhuǎn)速特性和燃燒室特性。修正模型主要考慮旋轉(zhuǎn)部件低轉(zhuǎn)速特性延伸及修正，燃燒室點火及燃油霧化對燃燒效率的影響等。

利用建立的發(fā)動機(jī)模型定義起動供油規(guī)律控制方式。發(fā)動機(jī)常用的起動供油規(guī)律有2 種，轉(zhuǎn)速變化率控制和換算燃油流量控制。轉(zhuǎn)速變化率控制規(guī)律通過定義轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化速率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系控制起動過程發(fā)動機(jī)供油；換算燃油流量控制定義換算燃油流量隨轉(zhuǎn)速變化的供油規(guī)律，在發(fā)動機(jī)全衰退、安裝狀態(tài)下進(jìn)行定義

式中：Wf為燃油質(zhì)量流量；PS3為壓氣機(jī)出口靜壓；T25為壓氣機(jī)進(jìn)口總溫；Tstd為標(biāo)準(zhǔn)天溫度；N2r為高壓軸換算轉(zhuǎn)速。

設(shè)計起動控制規(guī)律時，選擇的工況點要能夠代表起動包線內(nèi)所有工況點的起動能力。根據(jù)起動包線，結(jié)合適航33.69 條款[16]驗證需求，選取起動邊界線各頂點及邊界內(nèi)疏密度合適的點進(jìn)行起動控制規(guī)律設(shè)計。為保證起動過程安全可靠，起動控制規(guī)律設(shè)計時需要考慮渦輪葉片強(qiáng)度、高壓壓氣機(jī)穩(wěn)定性、燃燒不穩(wěn)定振蕩、點火條件和燃油泵流量特性等限制條件。點火供油一般參考燃燒室的部件試驗結(jié)果，結(jié)合油氣比優(yōu)化方案，給出易于點火的轉(zhuǎn)速范圍和點火供油量。點火成功后的起動加速階段，需基于壓縮部件和渦輪部件低轉(zhuǎn)速特性的匹配結(jié)果，并留有一定裕度，完成起動供油設(shè)計。起動供油規(guī)律需考慮發(fā)動機(jī)降穩(wěn)后的可用穩(wěn)定裕度、燃油控制器公差、過渡態(tài)熱效應(yīng)、過渡態(tài)葉尖間隙效應(yīng)和放氣等因素對工作線的影響。

起動供油規(guī)律設(shè)計如圖3 所示。黃色曲線為按照喘振裕度邊界設(shè)計的供油曲線，不同顏色的細(xì)曲線為不同壓氣機(jī)進(jìn)口溫度下按照發(fā)動機(jī)排氣溫度限制設(shè)計的供油曲線，紅色曲線為起動供油規(guī)律設(shè)計結(jié)果。起動供油規(guī)律相比于溫度限制供油和喘振限制供油要留有一定裕度，同時要比懸掛和貧油熄火油量高。

圖3 地面起動供油規(guī)律

針對高高原起動的特殊工況和要求，通過計算高高原機(jī)場不同大氣條件下的起動過程對設(shè)計的起動控制規(guī)律進(jìn)行仿真驗證，確保發(fā)動機(jī)滿足高高原起動性能要求，對起動控制規(guī)律的合理性和有效性進(jìn)行驗證。

2.2 高高原起動優(yōu)化調(diào)節(jié)方法

雖然在設(shè)計階段完成了發(fā)動機(jī)起動包線工況的起動設(shè)計，但是這種設(shè)計存在局限性。設(shè)計局限性主要包括葉輪機(jī)械低轉(zhuǎn)速特性不準(zhǔn)、壓縮部件試驗邊界不確定和點著火后一段時間的燃燒效率仿真度不高等。為了克服上述局限性，在高高原試飛前要通過地面臺和高空臺的起動優(yōu)化試驗及地面臺高空臺逼喘試驗等手段來優(yōu)化發(fā)動機(jī)起動控制規(guī)律。

通過地面臺發(fā)動機(jī)起動性能優(yōu)化調(diào)試試驗，根據(jù)試驗中發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、排氣溫度和壓氣機(jī)出口壓力等性能參數(shù)，優(yōu)化發(fā)動機(jī)起動控制規(guī)律。通過地面臺逼喘試驗得到壓縮部件在整機(jī)地面工作狀態(tài)下的喘振邊界，進(jìn)一步優(yōu)化起動供油和幾何調(diào)節(jié)控制規(guī)律，得到基于地面臺試驗的修正方案。

基于設(shè)計結(jié)果和地面臺修正方案，制定高空臺模擬高高原起動試驗方案。通過調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)進(jìn)出口條件，模擬不同高度高高原機(jī)場環(huán)境條件，進(jìn)行高高原起動性能優(yōu)化試驗。根據(jù)試驗結(jié)果優(yōu)化點火和起動供油控制規(guī)律，得到隨高度變化的供油規(guī)律修正量和隨溫度變化的供油補(bǔ)償量。通過調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)進(jìn)出口面積、供油量和引放氣量等手段，進(jìn)行高空臺逼喘試驗，獲得發(fā)動機(jī)高高原狀態(tài)下壓縮部件的喘振邊界。通過高空臺起動試驗和逼喘試驗結(jié)果，判斷發(fā)動機(jī)喘振裕度是否充足，明確高高原起動控制規(guī)律調(diào)整和優(yōu)化方案。

通過一系列的起動優(yōu)化試驗和逼喘試驗，對設(shè)計的起動控制規(guī)律進(jìn)行修正，優(yōu)化發(fā)動機(jī)高高原起動性能，最大程度的了解發(fā)動機(jī)的性能裕度并提高發(fā)動機(jī)高高原起動能力。

3 高高原起動試驗

3.1 高高原起動試驗科目

發(fā)動機(jī)高高原起動試驗根據(jù)不同階段、不同場景和對發(fā)動機(jī)不同的依賴度，可以分為3 種試驗，分別是高高原簡易地面臺試驗、飛行臺的高高原起動試驗和發(fā)動機(jī)作為動力的高高原試飛試驗。

3.1.1 高高原簡易地面臺起動試驗

將發(fā)動機(jī)運往高高原機(jī)場，在機(jī)場附近搭建簡易試車臺，進(jìn)行高高原起動試驗，主要目的就是基于前序試驗經(jīng)驗和基礎(chǔ)，調(diào)試得到能夠在高高原起動的供油規(guī)律。該試驗不涉及飛行，是發(fā)動機(jī)單獨的科目，因此風(fēng)險較低。

3.1.2 飛行臺高高原起動試驗

發(fā)動機(jī)裝在飛行試驗臺上，飛往高高原機(jī)場進(jìn)行起動試驗，主要目的為飛發(fā)匹配調(diào)整，確保APU 供氣推動起動機(jī)輸出的功率能夠滿足發(fā)動機(jī)起動的需求，同時驗證在飛機(jī)環(huán)境下，起動供油和起動控制方案的可行性。飛行臺可以在被試發(fā)動機(jī)不工作的情況下正常工作，因此即使被試發(fā)動機(jī)高高原起動失敗，飛行臺依然能夠依靠原本的動力返航低海拔平原機(jī)場，風(fēng)險也較低。

3.1.3 發(fā)動機(jī)作為動力的高高原試飛

發(fā)動機(jī)裝在預(yù)定的裝機(jī)對象上，作為動力裝置負(fù)責(zé)提供飛機(jī)的所有動力，飛往高高原機(jī)場進(jìn)行試飛。這是對飛機(jī)和發(fā)動機(jī)作為1 個整體的考核試飛，起動試驗?zāi)康臑轵炞C在裝機(jī)目標(biāo)環(huán)境下發(fā)動機(jī)的起動性能。該試驗中每個發(fā)動機(jī)都是被試對象，需要具備高高原起動能力，否則飛機(jī)有滯留機(jī)場無法轉(zhuǎn)場的風(fēng)險，因此首次高高原試飛的風(fēng)險較高。

3.2 影響高高原起動成功的因素

3.2.1 起動機(jī)能力降低

發(fā)動機(jī)地面起動的前半程需要依靠起動機(jī)的帶轉(zhuǎn)，到自平衡轉(zhuǎn)速后，發(fā)動機(jī)才有自行加速的能力，因此發(fā)動機(jī)的起動能力在一定程度上依靠起動機(jī)的能力，發(fā)動機(jī)的起動特性也依賴于起動機(jī)的特性。

根據(jù)大氣性質(zhì)，空氣密度隨海拔上升而下降，因此空氣渦輪起動機(jī)的輸出扭矩和功率會隨著海拔的上升而下降。使用發(fā)動機(jī)模型進(jìn)行仿真計算，得到隨海拔升高的發(fā)動機(jī)起動仿真結(jié)果（起動時間、起動機(jī)扭矩和功率做百分?jǐn)?shù)處理）見表1。地面起動和高高原起動用時對比如圖4 所示。不同海拔條件下的起動機(jī)最大輸出扭矩和功率的變化趨勢如圖5 所示。從表1 中可見，假設(shè)海平面輸出功率和扭矩為100%，在2438 m 的高高原機(jī)場，起動機(jī)輸出功率和扭矩分別降低27.07%和25.76%；而在3658 m 時，起動機(jī)輸出功率和扭矩分別降低38.13%和36.44%；當(dāng)?shù)竭_(dá)4572 m 的高高原時，起動機(jī)輸出功率和扭矩分別只有53.9%和56.55%。

表1 隨海拔升高的發(fā)動機(jī)起動仿真結(jié)果

圖4 地面起動和高高原起動用時對比

圖5 起動機(jī)最大功率和扭矩隨海拔變化

因此，高高原機(jī)場試飛中高海拔造成起動機(jī)能力降低，對發(fā)動機(jī)起動有不利的影響。

3.2.2 轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)阻力增大

高高原的環(huán)境溫度普遍比平原的低，低溫對起動過程的影響較為復(fù)雜，為研究溫度對發(fā)動機(jī)物理特性的影響，利用發(fā)動機(jī)冷運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。試驗結(jié)果如圖6 所示。從圖中可見，隨著環(huán)境溫度降低，發(fā)動機(jī)帶轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)速上升速率降低，在大氣溫度低于-10 ℃以后尤為顯著。起動機(jī)脫開后，轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)時間明顯縮短，轉(zhuǎn)速下降速率升高。

圖6 不同溫度下冷運轉(zhuǎn)帶轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速對比

不同溫度下發(fā)動機(jī)阻力矩隨高壓軸轉(zhuǎn)速的變化如圖7 所示。從圖中可見，隨著溫度降低阻力矩顯著增大?；宛ざ入S溫度降低呈指數(shù)增大，軸承阻力隨著滑油黏度增大而增大，因此在冷天發(fā)動機(jī)的阻力將急劇增大[17]。

圖7 不同溫度下阻力矩對比曲線

3.2.3 燃油噴嘴霧化效果差

燃油的點火和燃燒是一個復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程。燃油被燃油泵送至噴嘴，在噴嘴完成與空氣的摻混和霧化，然后被噴入燃燒室參與燃燒。

燃油霧化顆粒的尺寸大小常用油霧平均直徑（索太爾平均直徑）SMD表示。SMD是1 個假想值，用SMD直徑代替原來燃油液霧的特征值，是其總體積和總表面積的比值[18]

式中：n為直徑D的液滴數(shù)。

SMD越小，表示油霧越細(xì)，更易于蒸發(fā)和燃燒；同時其總表面積越大，蒸發(fā)得越快。

當(dāng)噴射壓力低時，油霧顆粒比較大，噴射壓力高時，油霧的顆粒較細(xì)，隨著壓力的增高，油霧顆粒呈現(xiàn)出逐漸細(xì)化的趨勢。SMD隨噴射壓力的變化如圖8 所示[19]。

圖8 某噴嘴SMD隨噴射壓力的變化

噴孔孔徑不變時，隨著噴射壓力的提高，燃油流速將進(jìn)一步增大，摩擦力也隨之增大，燃油被磨成非常細(xì)的油滴，燃油噴霧將由油束變?yōu)橛挽F，其形狀由細(xì)長型變成具有一定噴霧錐角且穩(wěn)定的形狀。發(fā)動機(jī)在高高原工作時，進(jìn)氣質(zhì)量流量減少，為了保持油氣比，供油量也會減少。由于燃油噴嘴的物理結(jié)構(gòu)不會變化，燃油流量的下降是供油壓力和流速降低的結(jié)果，因此隨著SMD增大，燃油霧化效果變差，發(fā)動機(jī)起動變得困難。

3.2.4 部件效率和穩(wěn)定性降低

在高空低馬赫數(shù)條件下，雷諾數(shù)處于非自模區(qū)，遠(yuǎn)低于臨界雷諾數(shù)，壓氣機(jī)、渦輪部件效率明顯降低，壓縮部件效率降低可達(dá)1.5%，渦輪部件效率降低可達(dá)1.2%，對發(fā)動機(jī)性能影響顯著，其風(fēng)扇/壓氣機(jī)喘振邊界向下移動，穩(wěn)定裕度降低[20-21]，部件效率和穩(wěn)定性下降也會對起動性能產(chǎn)生不利影響。

通過對發(fā)動機(jī)高高原環(huán)境下的雷諾數(shù)修正，并進(jìn)行整機(jī)仿真模擬對比分析，得出雷諾數(shù)效應(yīng)會降低部件的壓比和效率，使壓縮部件的喘振邊界向下移動[22]，同時導(dǎo)致風(fēng)扇、增壓級、高壓壓氣機(jī)特性圖上的共同工作線上移。因此喘振邊界下移和工作線上移雙向作用對起動性能產(chǎn)生不利影響。

3.3 提高高高原起動成功率的方法

3.3.1 循序漸進(jìn)原則

為確保試飛安全性，遵循循序漸進(jìn)的原則，先進(jìn)行高高原地面臺、飛行臺試驗，各項參數(shù)均達(dá)標(biāo)后再進(jìn)行高高原機(jī)場試飛。飛機(jī)進(jìn)行高高原試飛前要做大量的飛發(fā)聯(lián)合仿真和模擬機(jī)試驗，以模擬試飛中飛機(jī)的操穩(wěn)特性和性能，為即將要在高高原試飛中的試驗點或者動作做出分析，模擬機(jī)也可以讓飛行機(jī)組事先熟悉飛機(jī)的響應(yīng)。

3.3.2 高高原試飛起動試驗流程

發(fā)動機(jī)在高高原簡易地面臺試驗時，可以調(diào)節(jié)起動機(jī)進(jìn)氣壓力、發(fā)動機(jī)引放氣規(guī)律和起動階段供油規(guī)律。發(fā)動機(jī)在飛行臺試驗時，除了APU 供氣起動外，還可以依靠其余發(fā)動機(jī)的交輸引氣起動，即使試驗發(fā)動機(jī)起動不成功，飛行臺也可以依靠其余發(fā)動機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)場飛行，相關(guān)故障或者數(shù)據(jù)可以返回海拔較低機(jī)場進(jìn)行分析。高高原試飛不同于地面臺試驗，也不同于飛行臺試驗，飛機(jī)在高高原機(jī)場降落后，若發(fā)動機(jī)不具備起動能力，飛機(jī)很可能無法起飛被困于機(jī)場，這對于試飛本身和取證工作的進(jìn)行都極為不利。

按照循序漸進(jìn)原則，設(shè)計了高高原起動風(fēng)險規(guī)避試驗流程，如圖9 所示。飛機(jī)降落在高高原機(jī)場后單發(fā)不停車，起動輔助動力裝置APU，如果APU 起動成功，發(fā)動機(jī)干運轉(zhuǎn)使排氣溫度ITT小于120 ℃，APU引氣進(jìn)行熱發(fā)起動。如果熱發(fā)起動成功則關(guān)閉發(fā)動機(jī)，充分冷卻后進(jìn)行冷發(fā)起動，如果冷發(fā)起動成功可結(jié)束APU 起動試驗；如果冷發(fā)起動不成功，使用地面氣源車引氣再試驗冷發(fā)起動，如果仍然不能冷發(fā)起動，提升另一發(fā)推力，使環(huán)控簡圖頁上的引氣壓力達(dá)到最大，使用交輸引氣起動發(fā)動機(jī)，返回低海拔機(jī)場。如果APU 引氣進(jìn)行熱發(fā)起動不成功，嘗試使用地面氣源車引氣進(jìn)行熱發(fā)起動，如果熱發(fā)起動成功，則返回低海拔機(jī)場；如果熱發(fā)起動仍不成功，則使用交輸引氣進(jìn)行熱發(fā)起動返回低海拔機(jī)場。如果APU 起動不成功，接入外部氣源，發(fā)動機(jī)干運轉(zhuǎn)使排氣溫度小于120 ℃后從外部氣源引氣進(jìn)行熱發(fā)起動。如果熱發(fā)起動成功，關(guān)閉發(fā)動機(jī)，充分冷卻后從外部氣源引氣進(jìn)行冷發(fā)起動，如果冷發(fā)起動成功，結(jié)束試驗；如果冷發(fā)起動不成功則使用交輸引氣進(jìn)行冷發(fā)起動返回低海拔機(jī)場。如果從外部氣源引氣進(jìn)行熱發(fā)起動不成功，則使用交輸引氣進(jìn)行熱發(fā)起動返回低海拔機(jī)場。即依次嘗試APU 和地面氣源車的熱發(fā)起動，然后嘗試?yán)浒l(fā)起動。在確認(rèn)發(fā)動機(jī)具備僅依靠APU 或者氣源車引氣在冷浸狀態(tài)實現(xiàn)起動的能力后，再關(guān)閉另一個發(fā)動機(jī)。能順利冷發(fā)起動標(biāo)志著發(fā)動機(jī)高高原起動試驗成功，至此發(fā)動機(jī)的高高原起動能力得到確認(rèn)。

圖9 高高原起動風(fēng)險規(guī)避試驗流程

高高原起動風(fēng)險規(guī)避試驗流程制定的目標(biāo)是把高高原起動不成功的風(fēng)險降到最低，確保飛機(jī)首次轉(zhuǎn)場高高原機(jī)場后不會被困在高高原機(jī)場，能夠繼續(xù)開展試飛取證工作。

3.4 高高原試飛起動試驗流程的驗證

2020 年，某民用飛機(jī)應(yīng)用本文設(shè)計的高高原起動風(fēng)險規(guī)避試驗流程在某高高原機(jī)場完成了首次高高原起動試驗，驗證了試驗流程的有效性。

飛機(jī)先從某平原機(jī)場轉(zhuǎn)場飛往某高高原機(jī)場，著陸后單發(fā)保持慢車狀態(tài)，試驗發(fā)動機(jī)正常停車，按照高高原起動試驗風(fēng)險規(guī)避流程開始高高原起動試驗。起動APU，APU起動成功后，發(fā)動機(jī)進(jìn)行干運轉(zhuǎn)，然后從APU 引氣起動熱發(fā)。首次熱發(fā)起動過程中，發(fā)動機(jī)起動超溫，本次起動終止。按照發(fā)動機(jī)起動流程，起動超溫保護(hù)終止起動后，發(fā)動機(jī)進(jìn)行二次干運轉(zhuǎn)，然后進(jìn)行第2 次熱發(fā)起動。發(fā)動機(jī)2 次熱發(fā)起動成功。根據(jù)發(fā)動機(jī)手冊定義，地面起動失敗為連續(xù)3 次起動均失敗，因此認(rèn)為APU 引氣熱發(fā)起動成功。按照試驗流程，試驗發(fā)動機(jī)關(guān)車?yán)鋮s并且APU 關(guān)車，等待試驗發(fā)動機(jī)充分冷卻后起動APU，進(jìn)行從APU 引氣的冷發(fā)起動試驗，發(fā)動機(jī)冷發(fā)起動成功。認(rèn)為發(fā)動機(jī)具備在該高高原機(jī)場的APU 引氣冷發(fā)起動能力，APU引氣冷發(fā)起動試驗結(jié)束。

為了充分驗證發(fā)動機(jī)的高高原起動能力，考慮到即使APU 故障，飛機(jī)也可以按照最低設(shè)備放行清單放飛，因此除了APU 引氣起動試驗，還進(jìn)行了地面氣源車引氣和交輸引氣冷發(fā)起動試驗。在進(jìn)行地面氣源車引氣冷發(fā)起動時，發(fā)現(xiàn)在高高原機(jī)場地面氣源車的供氣能力與平原機(jī)場相比有所下降，并且在高高原試驗時地面氣源車供氣壓力有可能發(fā)生波動?？紤]到本次試驗使用的地面氣源車并不是針對高高原運營設(shè)計優(yōu)化的，因此后續(xù)高高原運營時，地面氣源車需要進(jìn)行專項設(shè)計優(yōu)化，以達(dá)到與目前主流高高原運營機(jī)型一致的供氣能力。在進(jìn)行交輸引氣冷發(fā)起動試驗時，起動機(jī)氣源是另一臺發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)級間引氣，因此可以通過調(diào)節(jié)氣源發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)以獲得足夠的氣源壓力。高高原試驗中使用APU 引氣冷發(fā)起動成功的試驗結(jié)果如圖10所示。

圖10 高高原試飛APU引氣冷發(fā)起動

高高原試驗中使用交輸引氣冷發(fā)起動成功的試驗結(jié)果如圖11所示。

圖11 高高原試飛交輸引氣冷發(fā)起動

4 結(jié)論

（1）建立了發(fā)動機(jī)高高原起動模型，提出了發(fā)動機(jī)高高原起動設(shè)計及優(yōu)化方法。

（2）分析了影響發(fā)動機(jī)高高原起動成功的4 項主要因素。利用建立的發(fā)動機(jī)仿真模型計算了隨著海拔高度的增加起動機(jī)最大輸出功率和扭矩的降低量。利用試驗數(shù)據(jù)分析了不同環(huán)境溫度下起動機(jī)帶轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速及阻力矩隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。

（3）提出了提高發(fā)動機(jī)高高原起動成功率的方法，設(shè)計了發(fā)動機(jī)高高原起動風(fēng)險規(guī)避試驗流程，并在高高原機(jī)場完成試驗驗證。