房劍鋒
(中國飛行試驗(yàn)研究院,陜西 西安 710089)
在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中,為暴露設(shè)計(jì)缺陷或問題,驗(yàn)證設(shè)計(jì)符合性,提升產(chǎn)品的成熟度,需要開展大量的整機(jī)試驗(yàn)。通用飛行臺(tái)是基于成熟的飛機(jī)平臺(tái)(通常為配裝多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)輸機(jī)/客機(jī)/轟炸機(jī)),經(jīng)過對(duì)原機(jī)結(jié)構(gòu)、機(jī)電系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)等改造,并加裝獨(dú)立于原機(jī)的試驗(yàn)任務(wù)系統(tǒng)后,用于承擔(dān)新型航空動(dòng)力飛行試驗(yàn)的空中試驗(yàn)平臺(tái),通用飛行臺(tái)與地面試驗(yàn)臺(tái)、高空模擬臺(tái)并稱為航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)的三大手段[1-3]。
美俄等航空強(qiáng)國的發(fā)動(dòng)機(jī)研制歷史及發(fā)展表明,通用飛行臺(tái)在新原理、新技術(shù)、新工藝、新材料等關(guān)鍵技術(shù)的演示驗(yàn)證試飛,以及新型動(dòng)力科研試飛、鑒定試飛或適航研發(fā)、取證試飛等方面發(fā)揮著不可替代的作用。美國通用電氣公司、普惠公司以及英國羅羅公司均擁有大量的通用飛行臺(tái),并基于相關(guān)平臺(tái)完成了大量的航空發(fā)動(dòng)機(jī)飛行試驗(yàn)[4-7]。歐洲空客公司以A380飛機(jī)為載機(jī)平臺(tái),改造研制了航空發(fā)動(dòng)機(jī)通用飛行臺(tái),并在該平臺(tái)上完成了如Trent XWB-84/97等多款商用發(fā)動(dòng)機(jī)的適航取證試飛[8]。俄羅斯在伊爾-76運(yùn)輸機(jī)等飛機(jī)平臺(tái)的基礎(chǔ)上,研制了多架通用飛行臺(tái),先后對(duì)渦噴、渦扇、渦槳等不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)。目前,伊爾-76系列飛行臺(tái)仍然是俄羅斯主要使用的發(fā)動(dòng)機(jī)通用飛行平臺(tái)。
國內(nèi)方面,中國飛行試驗(yàn)研究院先后建設(shè)了兩代通用飛行臺(tái),在平臺(tái)研制及使用方面積累了大量寶貴經(jīng)驗(yàn)[3],并開展了大量的發(fā)動(dòng)機(jī)飛行試驗(yàn)。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)通用飛行臺(tái)研制是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,不亞于一型新機(jī)的研制,不僅需要拆除其中一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)以滿足掛裝一定推力等級(jí)和尺寸范圍的不同類型被試發(fā)動(dòng)機(jī),還需要為被試發(fā)動(dòng)機(jī)提供操縱、顯示、控制等系統(tǒng),涉及飛機(jī)平臺(tái)多個(gè)系統(tǒng)的改造,還需加裝不與原機(jī)交聯(lián)的加載試驗(yàn)任務(wù)系統(tǒng),以及能夠測(cè)量壓力、溫度及振動(dòng)、應(yīng)變等不同類型參數(shù)、具有強(qiáng)大測(cè)試能力的測(cè)試系統(tǒng)。國內(nèi)目前尚未形成航空發(fā)動(dòng)機(jī)通用飛行臺(tái)研制的標(biāo)準(zhǔn)體系。
本文梳理分析了通用飛行臺(tái)與高空模擬臺(tái)的優(yōu)缺點(diǎn),以及飛行臺(tái)承擔(dān)的飛行試驗(yàn)內(nèi)容,提出了飛行臺(tái)能力研制需考慮的主要因素,并提出我國飛行臺(tái)能力建設(shè)的建議,旨在為我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)通用飛行臺(tái)能力研制提供參考。
GJB 241A-2010《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》要求,發(fā)動(dòng)機(jī)初始飛行前規(guī)定試驗(yàn)應(yīng)完成持久試車、附件試驗(yàn)、高空試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)試驗(yàn)等,其中高空試驗(yàn)可在高空模擬臺(tái)或飛行臺(tái)上進(jìn)行。高空模擬臺(tái)試驗(yàn)是在地面模擬飛機(jī)在各種飛行高度、飛行速度時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣條件以及高空環(huán)境條件,具有模擬極限大氣條件、模擬廣闊的飛行包線范圍、安全性好等優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是對(duì)實(shí)際工況模擬的準(zhǔn)確度直接影響試驗(yàn)結(jié)果的有效性和精度。飛行臺(tái)試驗(yàn)是在實(shí)際使用環(huán)境下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)和研究,實(shí)際飛行過程中一些工作條件如大氣紊流、飛行姿態(tài)、過載等的真實(shí)性及發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)、過渡過程驗(yàn)證,都是飛行臺(tái)試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì),缺點(diǎn)在于高度-速度包線范圍不夠?qū)拸V且有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)[3]。
相對(duì)于優(yōu)缺點(diǎn),高空模擬臺(tái)(以直連式為例)與飛行臺(tái)之間試驗(yàn)結(jié)果也存在一定的差異性。根據(jù)諸多型號(hào)的高空模擬臺(tái)與飛行臺(tái)試驗(yàn)歷史數(shù)據(jù)分析,結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究,造成飛行臺(tái)與高空模擬臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果差異性的原因較為復(fù)雜,是多影響因素耦合后形成的復(fù)雜結(jié)果的直觀反映。
(1)試驗(yàn)設(shè)備不同,導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果存在差異。高空模擬臺(tái)是利用連續(xù)氣源在地面模擬飛機(jī)空中飛行環(huán)境,模擬發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口總溫、總壓和發(fā)動(dòng)機(jī)出口環(huán)境壓力。由于其進(jìn)排氣壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個(gè)具有大慣性、純滯后、非線性和時(shí)變性的龐大而復(fù)雜的控制對(duì)象[9],所模擬的高空真實(shí)環(huán)境與實(shí)際飛行環(huán)境存在一定的差異,因此帶來了高空模擬臺(tái)與飛行臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果的差異性。
(2)試驗(yàn)程序和試驗(yàn)方法不同,導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果存在差異。以空中啟動(dòng)為例,高空模擬臺(tái)在停車前,通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力、溫度設(shè)定對(duì)應(yīng)的高度、速度條件,但啟動(dòng)過程中進(jìn)口壓力、溫度并不完全對(duì)應(yīng)設(shè)定的高度、速度條件,存在不可忽視的較大波動(dòng)[10],這與飛行臺(tái)試驗(yàn)中有所不同,必然會(huì)造成啟動(dòng)過程轉(zhuǎn)子加速情況的差異,進(jìn)而造成空中啟動(dòng)過程試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)差異。美國F100發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果表明,高壓轉(zhuǎn)速40%和25%空中啟動(dòng)的高空臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果與裝機(jī)試飛結(jié)果相比,速度包線邊界往左擴(kuò)大了93km/h[11,12]。
(3)測(cè)試設(shè)備與測(cè)試方法不同,導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果存在差異。以發(fā)動(dòng)機(jī)推力確定為例,高空模擬臺(tái)試驗(yàn)利用測(cè)力臺(tái)架直接測(cè)量推力,并通過相關(guān)高空校準(zhǔn)試驗(yàn)獲得的修正曲線,對(duì)測(cè)量的推力進(jìn)行一定修正后給出試驗(yàn)結(jié)果。飛行臺(tái)試驗(yàn)中無法對(duì)飛行推力進(jìn)行直接測(cè)量,主要通過在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流道截面加裝總溫總壓測(cè)量耙測(cè)量氣動(dòng)參數(shù),利用理想的一維等熵膨脹計(jì)算方法計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)理想推力,再結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管流量系數(shù)與推力系數(shù)曲線,以及地面臺(tái)架校準(zhǔn)獲取的相關(guān)壓力修正曲線,進(jìn)行飛行推力修正。
世界航空強(qiáng)國的發(fā)展事實(shí)證明,飛行臺(tái)和高空模擬臺(tái)受各自本身技術(shù)能力制約,在各自試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著不同的作用,兩者之間是相互補(bǔ)充、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、相互驗(yàn)證的關(guān)系,不可相互替代[13]。
HB 7507-2014《航空發(fā)動(dòng)機(jī)飛行試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)要求》規(guī)定了航空發(fā)動(dòng)機(jī)通用飛行臺(tái)試飛的科目和內(nèi)容。本文結(jié)合國內(nèi)外飛行臺(tái)使用過程中實(shí)際試飛科目和內(nèi)容,梳理總結(jié)通用飛行臺(tái)試驗(yàn)內(nèi)容。
(1)常規(guī)試驗(yàn)內(nèi)容。通用飛行臺(tái)可開展的常規(guī)試驗(yàn)內(nèi)容主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性試飛、發(fā)動(dòng)機(jī)性能特性試飛及進(jìn)發(fā)相容性試飛。同時(shí),利用試驗(yàn)任務(wù)系統(tǒng),變換從發(fā)動(dòng)機(jī)提取的功率和引氣量,可驗(yàn)證不同功率提取和引氣量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)特性、性能的影響。對(duì)于大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)飛行臺(tái)試飛,一般配裝與原型機(jī)構(gòu)型一致的發(fā)動(dòng)機(jī)短艙,還可開展冷卻通風(fēng)、防火、氣體泄漏、排液、防冰等短艙相關(guān)的科目內(nèi)容試飛,以及反推系統(tǒng)試飛。伊爾-76飛行臺(tái)掛裝大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)試飛如圖1所示。
圖1 俄羅斯伊爾-76飛行臺(tái)掛裝大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)
(2)非常規(guī)試驗(yàn)內(nèi)容。通用飛行臺(tái)加裝特殊的試驗(yàn)設(shè)備或配備試驗(yàn)機(jī),可模擬發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的場(chǎng)景和條件,開展模擬進(jìn)氣壓力畸變、吞吸火藥氣體、自然結(jié)冰等非常規(guī)科目內(nèi)容試飛。模擬進(jìn)氣畸變可采用在進(jìn)氣道中加裝擾流板、模擬網(wǎng)、高溫氣體發(fā)生器等,主動(dòng)產(chǎn)生壓力、溫度畸變,驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的抗壓力、溫度畸變能力以及消喘系統(tǒng)的有效性。模擬自然結(jié)冰,則是通過與結(jié)冰噴水機(jī)前后編隊(duì)試飛,準(zhǔn)確地向被試發(fā)動(dòng)機(jī)噴入過冷水滴,驗(yàn)證短艙及發(fā)動(dòng)機(jī)的防冰、除冰能力。飛行臺(tái)加裝擾流板、高溫氣體發(fā)生器開展試飛如圖2所示。
(3)特殊環(huán)境試驗(yàn)內(nèi)容。通用飛行臺(tái)空間移動(dòng)便捷,還可輾轉(zhuǎn)各地捕獲有利環(huán)境,開展高溫、高寒、高原、高濕、吸雨、自然結(jié)冰、沙塵、大側(cè)風(fēng)等特殊環(huán)境試驗(yàn),其可開展的特殊環(huán)境試驗(yàn)種類之豐富、條件之真實(shí),是高空模擬臺(tái)、氣候?qū)嶒?yàn)室等模擬試驗(yàn)手段所不能比擬的。
通用飛行臺(tái)的研制要立足于未來30年(通用飛行臺(tái)使用壽命可達(dá)20~30年)我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制需求,充分利用現(xiàn)有的載機(jī)資源,發(fā)揮我國載機(jī)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、制造等技術(shù)優(yōu)勢(shì),綜合考慮飛行安全性、載機(jī)飛行包線、掛載能力、載機(jī)來源等方面的因素。
(1)飛行安全性。飛行試驗(yàn)首重安全性。俄羅斯、美國及歐洲等的飛行臺(tái)載機(jī)通常選用配裝4臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī),如伊爾-76、伊爾-78、伊爾-476、B747、A340、A380等。因此,一般選用成熟的四發(fā)固定翼飛機(jī)作為噴氣式動(dòng)力和渦槳?jiǎng)恿νㄓ蔑w行臺(tái)載機(jī),具備三發(fā)狀態(tài)飛行和安全著陸的能力,不會(huì)因被試發(fā)動(dòng)機(jī)的故障而影響飛行安全。同時(shí)還需要載機(jī)具有氣密艙,可改造成試飛工程師、測(cè)試工程師等上機(jī)工作的艙室(如圖3所示),保障基本的生理需求。
圖3 俄羅斯伊爾-76飛行臺(tái)試飛工程師工作艙室
(2)載機(jī)飛行包線。飛行臺(tái)載機(jī)的飛行包線應(yīng)盡可能寬廣,以滿足試飛不同發(fā)動(dòng)機(jī)的需求。通常飛行臺(tái)的飛行包線在12km以下的亞音速范圍內(nèi),可覆蓋客機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、亞音速轟炸機(jī)等配裝發(fā)動(dòng)機(jī)的絕大部分飛行包線。而對(duì)于加力式渦輪發(fā)動(dòng)機(jī),則高空12km以上及超音速區(qū)域無法覆蓋。研究表明,利用節(jié)流網(wǎng)等設(shè)備可進(jìn)一步擴(kuò)大飛行臺(tái)試飛包線,但相比加力式渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)飛行包線,其仍然十分有限[14]。國外典型飛行臺(tái)載機(jī)飛行包線見表1。
表1 國外典型飛行臺(tái)載機(jī)飛行包線
(3)載機(jī)掛載能力。為最大程度地提高飛行臺(tái)的通用性,飛行臺(tái)應(yīng)可掛載一定推力、尺寸范圍的被試發(fā)動(dòng)機(jī)。制約飛行臺(tái)掛載能力的部件或系統(tǒng)重點(diǎn)在飛機(jī)的機(jī)翼和掛架。因此,為滿足被試發(fā)動(dòng)機(jī)重量、推力或功率等級(jí)的要求,可對(duì)載機(jī)機(jī)翼、掛架進(jìn)行改造,必要時(shí)甚至重新研制。對(duì)于推力等級(jí)、尺寸較小的發(fā)動(dòng)機(jī),除了機(jī)翼可增加額外掛點(diǎn)外,經(jīng)過氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)等方面的評(píng)估,在滿足飛行臺(tái)飛行性能、品質(zhì)及安全的基本要求后,也可在機(jī)頭、機(jī)身等位置掛載。國外通用飛行臺(tái)機(jī)翼和機(jī)頭新增掛點(diǎn)如圖4所示。
圖4 國外通用飛行臺(tái)機(jī)翼和機(jī)頭新增掛點(diǎn)
(4)載機(jī)來源。飛行臺(tái)載機(jī)的選擇應(yīng)綜合考慮多方面的因素??紤]潛在國際政治因素可能對(duì)后續(xù)研制和維護(hù)帶來的影響,應(yīng)盡可能選用國產(chǎn)飛機(jī)作為載機(jī)平臺(tái)。這樣選擇的好處是,一方面,飛行臺(tái)研制能夠不受國外制約,自主可控;另一方面,維護(hù)保障渠道暢通,能夠有效避免因特殊備件難以及時(shí)更換而延誤試飛進(jìn)度,能夠有效減輕日常維護(hù)的壓力,提高平臺(tái)的出勤率和安全性。確定載機(jī)機(jī)型后,在在役飛機(jī)和批產(chǎn)新機(jī)之間抉擇,需要考慮經(jīng)濟(jì)性和使用壽命。相比新機(jī),在役飛機(jī)改為飛行臺(tái)后服役時(shí)間短,但購機(jī)費(fèi)用相對(duì)較低。
在地面高空模擬臺(tái)相對(duì)完善的情況下,國外在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中依然大量使用飛行臺(tái)開展飛行試驗(yàn),俄羅斯、美國、英國等航空發(fā)達(dá)國家始終堅(jiān)持飛行臺(tái)的系列化、規(guī)?;ㄔO(shè),并采用法律/規(guī)范/條例等方式明確了飛行臺(tái)試飛在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制體系中的地位。我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制已呈現(xiàn)系列化的發(fā)展態(tài)勢(shì),通用飛行臺(tái)試飛需求激增,現(xiàn)有資源已難以滿足需求,必須進(jìn)行能力研制和完善。
(1)統(tǒng)籌規(guī)劃通用飛行臺(tái)研制,兼顧軍民用航空動(dòng)力要求。我國民用航空事業(yè)蓬勃發(fā)展,ARJ、C919等民用客機(jī)研發(fā)成功,也將推動(dòng)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的快速發(fā)展。為充分利用試驗(yàn)設(shè)施,通用飛行臺(tái)研制應(yīng)在滿足軍用航空動(dòng)力需求外,還應(yīng)兼顧民用航空動(dòng)力研制的需求,在研制立項(xiàng)論證中統(tǒng)籌規(guī)劃,避免重復(fù)建設(shè)。國外在飛行臺(tái)的利用上,也通常兼顧軍民用航空動(dòng)力研制的需求。如美國利用B-52飛行臺(tái)對(duì)配裝B747飛機(jī)的JT9D、CF6發(fā)動(dòng)機(jī)開展飛行試驗(yàn),俄羅斯利用伊爾-76飛行臺(tái)開展了配裝MS-21系列客機(jī)的PD-14、配裝蘇霍伊超級(jí)噴氣客機(jī)SSJ100的SaM146、配裝伊爾-96客機(jī)和圖-204客機(jī)的PS-90A等發(fā)動(dòng)機(jī)試飛[15](如圖5所示)。
圖5 伊爾-76飛行臺(tái)試飛PD-14、SaM146民用發(fā)動(dòng)機(jī)
(2)發(fā)展系列化通用飛行臺(tái),推動(dòng)航空動(dòng)力自主創(chuàng)新研制。單獨(dú)一架通用飛行臺(tái),難以滿足多型航空動(dòng)力同時(shí)開展飛行試驗(yàn)的需求。根據(jù)航空動(dòng)力發(fā)展譜系中未來需要開展飛行臺(tái)試飛的新型發(fā)動(dòng)機(jī)推力/功率等級(jí)、幾何尺寸、重量、試飛周期等信息,可規(guī)劃發(fā)展不同類型如渦槳類、渦扇類通用飛行臺(tái),又可細(xì)分為中等推力/功率、大推力/高功率等級(jí)的通用飛行臺(tái),從而發(fā)展系列化通用飛行臺(tái),全面支撐航空動(dòng)力研制過程中不同技術(shù)狀態(tài)的選型、關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)的驗(yàn)證、關(guān)鍵系統(tǒng)工作能力的確認(rèn)等,推動(dòng)自主創(chuàng)新研制。同時(shí),發(fā)展系列化通用飛行臺(tái),還可兼顧電推進(jìn)系統(tǒng),分布式混合推進(jìn)系統(tǒng),氫能源發(fā)動(dòng)機(jī)以及可持續(xù)燃料/清潔燃料發(fā)動(dòng)機(jī)等的飛行演示驗(yàn)證。例如羅羅公司在其波音747-200飛行臺(tái)上開展了可持續(xù)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)試飛[9],經(jīng)過特殊改裝向被試發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)供應(yīng)可持續(xù)燃料,其余3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)常規(guī)航空燃料。
(3)加強(qiáng)長期持續(xù)性投入,保持和提升通用飛行臺(tái)試驗(yàn)?zāi)芰ΑMㄓ蔑w行臺(tái)的研制需要大量的人力、物力、財(cái)力等投入。依托國家專業(yè)試驗(yàn)機(jī)構(gòu),爭(zhēng)取國家投資支持,立足“統(tǒng)籌規(guī)劃、綜合利用、改裝為主、資源共享”的原則,采取分步實(shí)施的策略,分階段、持續(xù)性投入建設(shè);借助承擔(dān)的軍民用航空動(dòng)力飛行試驗(yàn),將飛行臺(tái)的日常維護(hù)、定檢、大修等納入試驗(yàn)經(jīng)費(fèi),保持通用飛行臺(tái)試驗(yàn)?zāi)芰Φ某掷m(xù)性;多渠道拓展,如民用市場(chǎng)、專項(xiàng)支持等,豐富投入來源,用于通用飛行臺(tái)試驗(yàn)?zāi)芰Φ奶嵘?保持通用飛行臺(tái)的先進(jìn)性。
航空動(dòng)力正向設(shè)計(jì)、自主創(chuàng)新發(fā)展道路上,通用飛行臺(tái)作為整機(jī)試驗(yàn)的重要手段之一,發(fā)揮著不可替代的作用,其能力的研制與形成,是我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)“動(dòng)力先行、獨(dú)立發(fā)展”的重要支撐。
(1)通用飛行臺(tái)在高空試驗(yàn)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),與高空模擬臺(tái)的差異性客觀存在,兩者是優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、相互驗(yàn)證的關(guān)系。
(2)通用飛行臺(tái)不僅可承擔(dān)發(fā)動(dòng)機(jī)特性、性能等常規(guī)試驗(yàn)內(nèi)容,還可承擔(dān)進(jìn)氣畸變模擬等非常規(guī)試驗(yàn)內(nèi)容,以及大側(cè)風(fēng)、雨天等特殊環(huán)境試驗(yàn),是新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中不可或缺的關(guān)鍵一環(huán)。
(3)通用飛行臺(tái)研制,應(yīng)立足于未來30年我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制需求,綜合考慮飛行安全性、載機(jī)飛行包線、掛載能力、載機(jī)來源等因素。
(4)通用飛行臺(tái)能力研制,屬重大基礎(chǔ)試驗(yàn)設(shè)施建設(shè),應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃,系列化發(fā)展,并長期持續(xù)性投入,致力于形成通用飛行臺(tái)的系列化、規(guī)?;l(fā)展格局。