徐雨生

（中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，北京 100120）

航空發(fā)動機在露天試車臺進行的特種試驗任務(wù)是型號研制過程中必須開展的工作，航空發(fā)動機露天試驗主要是利用空曠的場地、露天大氣環(huán)境、配套專用的試驗設(shè)施、測量設(shè)備來開展航空發(fā)動機整機試驗。本文針對不同露天試驗設(shè)施的工藝特點，總結(jié)出露天試驗基地選址的幾大因素，為露天試驗?zāi)芰σ?guī)劃建設(shè)提供建議。

1 航空發(fā)動機露天試驗分類

1.1 基準性能試驗

基準性能試驗主要是在露天區(qū)域進行的整機試驗，由于周邊氣流流速為零，多用于室內(nèi)整機試車臺的推力校準和性能標(biāo)定。基準性能試驗臺同時可以完成噪聲測試，主要是在發(fā)動機全部運轉(zhuǎn)工作狀態(tài)下，測量發(fā)動機噪聲等場強線圖的不連續(xù)頻率與帶寬的噪聲成分。為控制周邊噪聲，需要在試車臺進氣道處增設(shè)導(dǎo)流裝置，典型的進氣導(dǎo)流裝置見圖1。

圖1 安裝了整流屏的噪聲研究試車臺

1.2 發(fā)動機紅外輻射測量試驗

對于軍用飛機，航空發(fā)動機的紅外特征是衡量其生存力的重要指標(biāo)，GJB 241A-2007《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機通用規(guī)范》中提出了發(fā)動機紅外輻射特征分析和測試試驗的要求。

根據(jù)紅外輻射測量特點，在進行全尺寸試驗件臺架試車時，需要選擇具有足夠紅外輻射測量場地的露天試車臺或在機場裝飛機進行，同時，試驗過程對方位角也有相關(guān)要求，如圖2 所示。

圖2 發(fā)動機排氣系統(tǒng)紅外測試試驗方位角要求示意圖

1.3 發(fā)動機吞咽試驗

民用適航條例要求軍用航空發(fā)動機須進行特種試驗，如抗外物損傷試驗、包容試驗等，具體包括吞鳥、吞冰、吞水、吞砂等。此類試驗具有較大的破壞性和危害性，不適合在室外試驗設(shè)施中進行，為減少破壞后的損失，節(jié)省防護費用等，一般在室外露天試車臺進行。

1.4 環(huán)境適應(yīng)性試驗

（1）結(jié)冰試驗。環(huán)境結(jié)冰試驗是模擬飛機在存在過冷水滴、冰晶及雪花的大氣中飛行時，發(fā)動機的零部件，特別是進氣部件前緣可能發(fā)生的結(jié)冰情況。目的就是驗證發(fā)動機進氣系統(tǒng)結(jié)冰情況和防冰系統(tǒng)的工作能力，驗證防冰系統(tǒng)的可靠性。

（2）側(cè)風(fēng)試驗。飛機在寬廣的空域和復(fù)雜的氣象條件下進行，隨時都可能遇到與發(fā)動機中心線成各種夾角的風(fēng)切變的影響，特別是強側(cè)風(fēng)可能會造成發(fā)動機進口流場畸變，從而造成壓氣機工作不穩(wěn)定。側(cè)風(fēng)試驗一般是利用人造風(fēng)源（最大風(fēng)速可達31m/s）進行逆風(fēng)、側(cè)風(fēng)和順風(fēng)試驗，測量各種風(fēng)向?qū)Πl(fā)動機性能的影響。

1.5 航空發(fā)動機姿態(tài)試驗

GJB241A-2010 規(guī)定發(fā)動機能在飛機飛行的各種姿態(tài)下工作，諸如起飛、爬升、倒飛、空戰(zhàn)機動、加油、地形跟蹤。對于發(fā)動機設(shè)計，這些工作狀態(tài)的持續(xù)時間是一項重要的考慮。姿態(tài)試車臺是為了實現(xiàn)小涵道比發(fā)動機姿態(tài)試驗以及常規(guī)試驗而設(shè)計的露天試車臺，其主要功能為模擬發(fā)動機俯仰、橫滾姿態(tài)動作并承受發(fā)動機試車時推力。

1.6 航空發(fā)動機陀螺試驗

根據(jù)陀螺原理，發(fā)動機轉(zhuǎn)子在隨飛機作公轉(zhuǎn)的過程中會產(chǎn)生較大的陀螺力矩，該陀螺力矩通過軸承、軸承座、承力機匣、安裝節(jié)最終傳至飛機上。美國空軍研究表明：由于飛機3.5rad/s 的轉(zhuǎn)彎，軸承載荷可增加15倍，作用在轉(zhuǎn)子單個葉片上的力可為相應(yīng)氣動力的3 倍。為驗證發(fā)動機在承受陀螺力矩時的工作能力，規(guī)范要求進行陀螺試驗，發(fā)動機陀螺試驗要求場地較大、工作條件復(fù)雜并存在一定的安全問題，只能在露天條件下進行試驗。

2 露天試驗基地選址分析

根據(jù)露天試驗設(shè)備的工藝特點和試驗要求，經(jīng)過整理，露天試驗區(qū)的選址需要注意以下幾點。

2.1 選址地區(qū)遠離辦公區(qū)、居住區(qū)

為了使發(fā)動機試驗更接近于真實工作狀態(tài)，露天試驗臺設(shè)施無法增加隔聲降噪措施，露天試驗的噪聲最大可超過140dB（A），因此，建議露天試驗臺建在遠離辦公區(qū)和居住人口較少的城市遠郊區(qū)或空礦山區(qū)。國內(nèi)早年建成的上海航空發(fā)動機露天試車臺和西安266 號露天試車臺，就因為噪音問題無法投入正常使用。建議規(guī)劃場界周圍約3 公里范圍內(nèi)作為噪聲影響區(qū)，可以耕種，但不能有人居住。

2.2 選址地區(qū)建設(shè)場地空曠

露天特種試驗設(shè)備種類不一，但共同特征是對周邊場地要求較大。噪聲試驗需要周邊空曠以不影響噪聲測量，紅外試驗考慮噴口安全距離和周邊紅外干擾等因素也需要較為空曠的場地，吞咽試驗、陀螺試驗等則是涉及安全問題周邊一定距離不宜設(shè)置建構(gòu)筑物和人員集中區(qū)域。

2.3 露天試驗設(shè)施間距較大

除了選址場地空曠、占地面積大外，露天試驗基地的選址還要考慮各露天試驗設(shè)施特點、氣流影響、噪聲影響、人員安全等因素。

（1）氣流影響區(qū)域。露天試車臺占地與室內(nèi)車臺不同，不能僅僅考慮臺架本身及附屬設(shè)施占地的情況，還要考慮臺架周邊的氣流影響區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)不能建設(shè)其他臺架，否則，進排氣會相互影響。根據(jù)相關(guān)資料，發(fā)動機進氣前方應(yīng)保持50m、90°扇形區(qū)作為安全空間，排氣部分應(yīng)保持200m、45°扇形區(qū)域作為安全區(qū)域。主要依據(jù)主要考慮溫度和氣流速度的影響，在200m左右的距離溫度基本可以降低到300K，流速基本控制在10m/s 左右。

（2）噪聲測量需求。進行噪聲測量的試車臺（渦扇和渦槳基準性能試車臺）在周圍75m 距離內(nèi)不應(yīng)存在任何地面建筑，周圍150 ～200m 不應(yīng)存在較高建筑，地勢平坦，以防止噪聲反射。

（3）紅外輻射測量試驗臺。用于紅外輻射測量試驗的測量噴管具有最高不低于2150K 的熱射流，在確保人員和設(shè)備安全的前提下，需要較長距離才能測試0°方向的紅外輻射（對紅外輻射這是最重要的方向）。紅外測試儀器受測試鏡頭攝入角度的限制，進入紅外測試儀器的目標(biāo)尺寸隨測試距離的增加而變大。如噴口射流長度為20m，測試距離需要60m。

（4）試車安全間距。以陀螺試車臺為例，由于其本身處于旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，必須保證其周圍的安全空間，因此，將陀螺試車臺置于一個相對孤立的區(qū)域，根據(jù)計算分析，建議確定500m 半徑以內(nèi)作為控制區(qū)域，不得建設(shè)其他建構(gòu)筑物。

2.4 選址地區(qū)海拔高度不宜過高

研究表明，當(dāng)環(huán)境壓力在70kPa 以上或海拔高度在3km 以下時，環(huán)境壓力對發(fā)動機地面試車臺試驗換算結(jié)果的影響可以忽略不計，其試驗得到的發(fā)動機換算性能與在標(biāo)準大氣海平面靜止條件下得到的發(fā)動機性能是一致的。

2.5 選址地區(qū)風(fēng)向穩(wěn)定、風(fēng)速較低

露天基準試車臺對氣動性能的具體要求為：校準試車時，迎面風(fēng)速不大于2.5m/s，側(cè)向風(fēng)速不大于2.2m/s，必要時，可以使用擋風(fēng)屏降速。因此，在露天試驗區(qū)選址時，需要選擇風(fēng)向穩(wěn)定且風(fēng)速較低區(qū)域。建議選址環(huán)境風(fēng)向要基本固定，且風(fēng)速不高，一般不大于2.5m/s；大氣溫度應(yīng)接近15℃為宜。

2.6 選址地區(qū)交通便利、能源充足

露天試車臺區(qū)建在淡水資源、電力資源充足的地區(qū)，這樣才能保證試車臺設(shè)施和配套氣源、風(fēng)力裝置等設(shè)施的正常使用。露天試車臺區(qū)建在交通便利、通訊發(fā)達地區(qū)，這樣有利于物資的運輸和對外的溝通聯(lián)系。

2.7 遠離污染區(qū)、強磁場、強振動區(qū)域

為避免對發(fā)動機造成不必要的危害，同時，有利于發(fā)動機的維護，建議露天試驗臺建在遠離煙塵、粉塵、沙塵暴頻繁發(fā)生區(qū)域以及存在有害污染源地區(qū)，應(yīng)遠離對發(fā)動機或試驗設(shè)備腐蝕較嚴重的環(huán)境，以進一步提升露天試驗設(shè)備的利用率和使用壽命。同時，露天試車臺區(qū)周圍應(yīng)無強磁場和振動源，以免影響試車臺的正常使用和試驗測試精度。

3 國外露天試驗基地建設(shè)情況

美、英、法、俄等國的發(fā)動機公司均有其用于發(fā)動機研制的露天試車臺，基本情況見表1。

表1 國內(nèi)外主要航空發(fā)動機研制機構(gòu)露天試車臺概況

3.1 GE 公司皮勃爾斯試驗區(qū)

美國通用電氣公司航空發(fā)動機集團，有兩個露天試驗區(qū)，分別是皮勃爾斯試驗區(qū)和愛德華茲空軍基地試驗中心。試驗區(qū)共有13 座試車臺，其中9 座室外試車臺，4 座為室內(nèi)試車臺，試驗區(qū)還有2 個發(fā)動機裝配車間。

3.2 PW 公司西棕櫚灘（West PalmBeach）試驗區(qū)

美國普拉特·惠特尼（PW）公司也有兩個露天試驗區(qū)，分別在佛羅里達州西棕櫚海灘和康涅狄克州哈特福德市。西棕櫚灘試驗區(qū)位于佛羅里達州西側(cè)的沼澤區(qū)，試驗區(qū)面積約7000 英畝。1952 年建立時，主要考慮各種試驗噪音較大，因此試驗區(qū)距離最近的居民區(qū)30 英里。試驗區(qū)包括西科斯基直升機試驗中心、航空發(fā)動機試車臺、火箭發(fā)動機試車臺等。

3.3 美國海軍推進中心

美國海軍推進中心的露天試驗區(qū)位于新澤西的Lakehurst，占地21 英畝，有3 座露天試車臺，分別為陀螺試驗臺、多功能試驗臺和姿態(tài)試驗臺，用于發(fā)動機的性能、耐久性、陀螺和姿態(tài)等試驗以及紅外、噪聲、排煙等測量。

3.4 RR 公司的露天試車臺

RR 公司曾經(jīng)在英國達比（Derby）東北約32km 處建設(shè)了4 座航空發(fā)動機露天試車臺，主要承擔(dān)性能試驗、側(cè)風(fēng)試驗和反推力試驗，以及噪聲測量、X 射線測量等。2009 年和2011 年，RR 公司在美國密西西比州陸續(xù)建設(shè)并投入使用了2 座大型發(fā)動機露天試車臺。

3.5 加拿大的露天試驗區(qū)

為充分利用自然環(huán)境，GE 公司在加拿大（溫尼伯）占地17 畝與West Canitest 共同建設(shè)充分利用自然資源能模擬各種大氣條件的發(fā)動機露天試車臺。RR 和PW等公司合作分別在加拿大Thompson 分別建設(shè)露天試車臺，主要開展發(fā)動機結(jié)冰試驗。

4 結(jié)語

本文簡要介紹了航空發(fā)動機露天試驗的分類，并根據(jù)試驗設(shè)施工藝特點總結(jié)了試驗基地的選址原則、選址因素及建設(shè)特點，為后續(xù)露天試驗園區(qū)的建設(shè)提供參考。