航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)技術(shù)探討

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)的重要作用

由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的復(fù)雜性和研制的高風(fēng)險(xiǎn)性以及使用要求的高可靠性，特別是工作范圍的不斷擴(kuò)大和設(shè)計(jì)指標(biāo)的日益提高，使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的每一個(gè)環(huán)節(jié)都離不開廣泛而深入的試驗(yàn)研究與試驗(yàn)，尤其是高空模擬試驗(yàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一種新型發(fā)動(dòng)機(jī)研制一般需要10萬小時(shí)左右的零部件試驗(yàn)、4萬小時(shí)左右的材料試驗(yàn)、1萬小時(shí)左右的整機(jī)地面臺(tái)試驗(yàn)和2000小時(shí)以上的高空模擬試驗(yàn)。如F119發(fā)動(dòng)機(jī)的驗(yàn)證機(jī)，1985～1998年間在高空臺(tái)上完成了3500小時(shí)的高空模擬試驗(yàn)；在F404基礎(chǔ)上衍生改進(jìn)的F414發(fā)動(dòng)機(jī)，在從1992年5月開始?xì)v時(shí)6年半的工程與制造發(fā)展階段，累計(jì)完成了2.05萬小時(shí)的臺(tái)架試車與飛行試驗(yàn)，其中高空臺(tái)試驗(yàn)約2000小時(shí)。

高空模擬試驗(yàn)，就是在地面上能夠模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空工作環(huán)境和使用工況條件并獲取其工作性能/特性的高空臺(tái)上進(jìn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)。因高空臺(tái)特有的發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件真、模擬范圍寬、測試能力強(qiáng)、試驗(yàn)效率高、風(fēng)險(xiǎn)易控和重復(fù)性好等突出優(yōu)勢，使得高空模擬試驗(yàn)是自主研制先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和推進(jìn)系統(tǒng)不可或缺的最有效的試驗(yàn)手段。事實(shí)上，高空臺(tái)和高空模擬試驗(yàn)是唯一能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中實(shí)現(xiàn)其全工作包線范圍內(nèi)性能/特性摸索與考核的唯一手段，是發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中最有效的性能調(diào)試和技術(shù)攻關(guān)手段；是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)部分關(guān)鍵部件研制的重要手段。這就是世界航空強(qiáng)國和航空大國不惜巨資改擴(kuò)建高空臺(tái)和研究高空模擬試驗(yàn)技術(shù)的要因。

高空模擬試驗(yàn)技術(shù)研究的主要內(nèi)容

高空模擬試驗(yàn)技術(shù)是提高試驗(yàn)效率和準(zhǔn)確獲知發(fā)動(dòng)機(jī)空中工作性能/特性的核心和關(guān)鍵，試驗(yàn)技術(shù)研究首先就要確保高空工作環(huán)境條件模擬的不失真、發(fā)動(dòng)機(jī)工作信息和參數(shù)測試的準(zhǔn)確性、發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能/特性確定與評估的正確度，與此同時(shí)還要研究新型動(dòng)力高空模擬的關(guān)鍵試驗(yàn)技術(shù)。其中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空工作環(huán)境模擬技術(shù)研究，主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)空中工作的進(jìn)、排氣壓力與溫度環(huán)境模擬技術(shù)；發(fā)動(dòng)機(jī)空中啟動(dòng)與地面特殊環(huán)境啟動(dòng)環(huán)境模擬技術(shù)；空中工作條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)/發(fā)匹配特性模擬技術(shù)；智能化控制與虛擬試驗(yàn)技術(shù)。高空模擬試驗(yàn)測試計(jì)量技術(shù)，主要包括：推力/功率測量與校準(zhǔn)技術(shù)；燃油流量測量與校準(zhǔn)技術(shù)；空氣流量測量與校準(zhǔn)技術(shù)；動(dòng)溫/動(dòng)壓測量與校準(zhǔn)技術(shù)；特種測試與傳感技術(shù)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空性能/特性的確定與評定技術(shù)，主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)高空性能/功能的試驗(yàn)確定與評定技術(shù)；發(fā)動(dòng)機(jī)高空強(qiáng)度與振動(dòng)特性的試驗(yàn)確定與評定技術(shù)；使用環(huán)境對發(fā)動(dòng)機(jī)性能/特性的影響分析與評定技術(shù)；發(fā)動(dòng)機(jī)地面臺(tái)-高空臺(tái)-飛行臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性研究。新型動(dòng)力高空模擬的關(guān)鍵試驗(yàn)技術(shù)研究，主要包括：變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬的關(guān)鍵試驗(yàn)技術(shù)；渦輪沖壓組合動(dòng)力（TBCC）高空模擬的關(guān)鍵試驗(yàn)技術(shù)；新型動(dòng)力高空模擬試驗(yàn)基礎(chǔ)保障條件建設(shè)與調(diào)試技術(shù)研究。

國內(nèi)外高空模擬試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展趨勢

國外發(fā)展趨勢

高空臺(tái)建設(shè)和高空模擬技術(shù)研究基本上可分為五個(gè)階段，見圖1。

第一階段是誕生期，從上世紀(jì)40年代初到50年代中期。該階段主要因?yàn)闇u噴發(fā)動(dòng)機(jī)誕生并使飛機(jī)突破聲障后，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)研制要求在模擬空中飛行條件下進(jìn)行試驗(yàn)，因此航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。本階段高空模擬主要針對第一代噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的空中（穩(wěn)態(tài)）性能。

第二階段是成長期或迅發(fā)期，從50年代中期到60年代中期。該階段主要因?yàn)轱w機(jī)飛行范圍迅速擴(kuò)大和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)快速發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)要求試驗(yàn)全包線范圍內(nèi)的工作性能，因而高空模擬設(shè)施得到蓬勃發(fā)展。本階段高空模擬主要針對第二代噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的空中性能/功能，如美、俄、英、法等國在該階段建設(shè)了大量的高空臺(tái)。其中美國建設(shè)了7個(gè)高空模擬試驗(yàn)基地16個(gè)高空艙，英國建設(shè)了3個(gè)基地7個(gè)艙，俄羅斯（前蘇聯(lián)）建設(shè)了2個(gè)基地5個(gè)艙。

第三階段是成熟期，從60年代中期到70年代末。該階段主要因?yàn)轱w機(jī)戰(zhàn)技性能提高使發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)/發(fā)相容性問題突出，要求全包線范圍內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)性能/功能試驗(yàn)的同時(shí)，還要對發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)/發(fā)相容性進(jìn)行驗(yàn)證與評估，因而自由射流高空模擬設(shè)施得到較大發(fā)展，同時(shí)高空模擬在發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的重要地位也自然確立。該階段主要針對第三代噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的空中性能、功能與適用性，如美、英分別建設(shè)了推進(jìn)風(fēng)洞、自由射流試驗(yàn)艙，俄也在原有基礎(chǔ)上擴(kuò)充了自由射流試驗(yàn)功能。我國在該階段立項(xiàng)建設(shè)連續(xù)氣源航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)基地，處于建建停停的特殊歷史階段。

第四階段是完備期，從70年代末到90年代中期。該階段主要因?yàn)榇蠛辣葴u扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展和戰(zhàn)斗機(jī)戰(zhàn)技指標(biāo)的進(jìn)一步提升，使已有高空模擬能力不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的高空試驗(yàn)需要，同時(shí)充分認(rèn)識(shí)到?jīng)]有功能完備的高空臺(tái)和先進(jìn)的高空模擬技術(shù)，就不可能研制出先進(jìn)的高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)，因而出現(xiàn)了巨型高空臺(tái)。美國在高空模擬絕對占優(yōu)條件下，及時(shí)投巨資興建了直徑8.5米、氣源功率約450MW的高空臺(tái)并開展了相應(yīng)的高空模擬技術(shù)研究。本階段主要針對第四代噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的空中性能、功能與適用性、耐久性等，同時(shí)也廣泛開展了數(shù)字化技術(shù)研究。我國在該階段完成了高空模擬試驗(yàn)基地建設(shè)，并投入使用。

第五階段是集成期或智能期，從九90年代初期開始。一方面飛機(jī)戰(zhàn)技指標(biāo)持續(xù)提升，另一方面新概念發(fā)動(dòng)機(jī)與飛行器不斷涌現(xiàn)，使高空模擬試驗(yàn)的成本和風(fēng)險(xiǎn)不斷攀升。因此，一個(gè)國家的高空模擬試驗(yàn)基地呈現(xiàn)資源整合與優(yōu)勢集成的發(fā)展勢頭，同時(shí)智能化高空模擬試驗(yàn)技術(shù)研究也得到開展和應(yīng)用，如美國基本上由阿諾德工程發(fā)展中心整合和集成他的航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬資源。值得關(guān)注的是，本階段亞洲鄰國日本、韓國、印度也隨其經(jīng)濟(jì)實(shí)力增長和發(fā)動(dòng)機(jī)研制水平提升而大力開展高空臺(tái)的建設(shè)和高空模擬技術(shù)研究。我國在該階段具備了渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬的試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

國內(nèi)發(fā)展趨勢

我國高空臺(tái)建設(shè)和高空模擬研究大致可分為三個(gè)階段，見圖2。

第一階段是建設(shè)期，從1965年到1997年。該階段主要是高空臺(tái)的建設(shè)調(diào)試和渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)技術(shù)研究，其標(biāo)志是1995年高空臺(tái)竣工和1997年成立航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。本階段高空模擬主要針對渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的空中性能/功能，建立了渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)規(guī)范，完成了測仿發(fā)動(dòng)機(jī)的高空模擬任務(wù)。

第二階段是成長期，從1997年到2005年。該階段主要是高空臺(tái)能力適應(yīng)性擴(kuò)充和大流量渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)技術(shù)研究，其標(biāo)志是高空模擬試驗(yàn)對象從渦噴拓展到渦扇并進(jìn)一步拓展到渦軸渦槳（不帶槳葉）發(fā)動(dòng)機(jī)，試驗(yàn)范圍涵蓋航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的技術(shù)攻關(guān)和設(shè)計(jì)定型高空模擬試驗(yàn)，同時(shí)充分認(rèn)識(shí)到高空模擬在自主研制航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的不可或缺性和重要性。本階段高空模擬主要針對渦噴渦扇渦軸渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的空中性能/功能，完成了型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)研制中空中性能摸索與設(shè)計(jì)定型的高空模擬任務(wù)。

第三階段是機(jī)遇期，從2005年開始至今。該階段高空模擬研究與發(fā)展的機(jī)遇，主要基于兩個(gè)方面，一是“5·12”汶川大地震后的航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)研究基地異地新建的國家戰(zhàn)略決策，二是當(dāng)前航空發(fā)動(dòng)機(jī)的歷史發(fā)展機(jī)遇，尤其是航空發(fā)動(dòng)機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)重大科技發(fā)展專項(xiàng)的啟動(dòng)和實(shí)施，對高空模擬設(shè)備能力與試驗(yàn)技術(shù)需求呈井噴式增長。其標(biāo)志是綿陽新基地的建設(shè)和高空模擬技術(shù)向自動(dòng)化、智能化研究方向發(fā)展。本階段高空模擬試驗(yàn)仍然以發(fā)動(dòng)機(jī)性能/功能試驗(yàn)為主，但適應(yīng)性與耐久性試驗(yàn)以及自動(dòng)化、智能化試驗(yàn)技術(shù)研究也在如火如荼展開。

我國高空模擬試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展對策

當(dāng)前存在問題

技術(shù)創(chuàng)新能力和基礎(chǔ)技術(shù)研究水平與當(dāng)前高空模擬需求不相適應(yīng)，是當(dāng)前我國高空模擬技術(shù)發(fā)展中的主要問題。首先，多年來我國發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)一直由測仿和引進(jìn)主導(dǎo)，測仿與低水平引進(jìn)對高空模擬試驗(yàn)的需求相對不高。其次，多年來我國發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)重型號(hào)輕預(yù)研與經(jīng)費(fèi)投入不足，致使我國高空模擬技術(shù)創(chuàng)新和基礎(chǔ)技術(shù)研究的投入長期匱乏，甚至空白。再者，我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)在本世紀(jì)以來呈井噴式發(fā)展，對高空模擬的設(shè)備能力和試驗(yàn)技術(shù)提出了新要求。從而，使得現(xiàn)有的基礎(chǔ)創(chuàng)新能力與技術(shù)基礎(chǔ)研究與當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)迅速發(fā)展態(tài)勢對高空模擬劇增的需求不相適應(yīng)。

過渡階段高空模擬硬件能力下降與任務(wù)需求增加的突出供需矛盾。高空臺(tái)設(shè)備從建成至投入使用已三四十年工作了，受基礎(chǔ)設(shè)備老化以及汶川大地震損壞的雙重影響，設(shè)備性能下降，隨著我國近代航空發(fā)動(dòng)機(jī)科研技術(shù)的迅猛發(fā)展，高空模擬試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量增加，試驗(yàn)內(nèi)容和科目增加，因此在新的試驗(yàn)基地建成投運(yùn)前的過渡階段，高空模擬硬件能力下降與任務(wù)需求增加就成為當(dāng)前存在的突出供需矛盾。

發(fā)展機(jī)遇

盡管高空模擬研究存在問題，但也有前所未有的發(fā)展機(jī)遇。首先，是國內(nèi)航空業(yè)界普遍認(rèn)識(shí)到并重視了高空模擬在發(fā)動(dòng)機(jī)研制中不可或缺的重要作用。目前，不僅新研制發(fā)動(dòng)機(jī)和重大改進(jìn)改型發(fā)動(dòng)機(jī)要在高空臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)與試驗(yàn)研究，而且發(fā)動(dòng)機(jī)性能調(diào)試與故障排除中主動(dòng)要求進(jìn)行高空模擬試驗(yàn)，還有在發(fā)動(dòng)機(jī)探索和概念研究階段也重視和積極尋求高空模擬試驗(yàn)研究。其次，當(dāng)前的國內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展形勢為高空模擬帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)與發(fā)展動(dòng)力。隨著國際軍事形勢越來越復(fù)雜，飛機(jī)尤其是軍用飛機(jī)的作用越來越重要；我國國防在軍用飛機(jī)的投入力度加大，國內(nèi)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制進(jìn)度逐漸提上日程，航空發(fā)動(dòng)機(jī)迎來前所未有機(jī)遇的同時(shí)，就對高空模擬能力尤其是為高空模擬技術(shù)研究和發(fā)展帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)與強(qiáng)勁發(fā)展動(dòng)力。最后，“5·12”汶川地震后異地重建高空模擬基地為高空模擬跨越發(fā)展提供了新機(jī)遇。既然是異地建設(shè)，在設(shè)備規(guī)劃與研究平臺(tái)方面就不受現(xiàn)有基地條件的約束，可以充分利用多年高空模擬使用維護(hù)與技術(shù)研究的經(jīng)驗(yàn)成果，可以利用當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬需求的信息資源，這就為我國高空模擬的跨越發(fā)展創(chuàng)造了新的機(jī)遇。

發(fā)展思考

1）有的放矢，強(qiáng)化高空模擬關(guān)鍵技術(shù)研究；

針對國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)對高空模擬能力與技術(shù)的需求和我國高空模擬技術(shù)與世界同類先進(jìn)技術(shù)之間的差距，有的放矢，加大高空模擬關(guān)鍵技術(shù)和前瞻技術(shù)的研究。主要有：航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程動(dòng)態(tài)模擬和實(shí)時(shí)模擬的飛行環(huán)境模擬技術(shù)研究；虛擬化、數(shù)字化試驗(yàn)測試技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)化與智能化試驗(yàn)測試技術(shù)；實(shí)時(shí)與瞬態(tài)試驗(yàn)測試技術(shù)；特種試驗(yàn)測試技術(shù)研究；加速任務(wù)試驗(yàn)測試技術(shù)；試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)庫技術(shù)加大。

2）踐行技術(shù)創(chuàng)新理論與方法，提升基礎(chǔ)技術(shù)研究和技術(shù)創(chuàng)新能力；

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬是國防科技領(lǐng)域的核心技術(shù)，美國等西方發(fā)達(dá)國家一直對我國進(jìn)行嚴(yán)密的技術(shù)封鎖，就是先進(jìn)的測試設(shè)備也一直未對我國高空模擬試驗(yàn)領(lǐng)域開放?？梢?，高空模擬技術(shù)既換不來，也買不到，必須走自主創(chuàng)新的發(fā)展道路。

3）做好總體策劃與風(fēng)險(xiǎn)管理，保證過渡階段的發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬條件；

21世紀(jì)初期以來，隨著現(xiàn)代航空科研技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代高性能的航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制都大量采用新概念、新技術(shù)、新材料和新工藝，為此，除必要的研究、設(shè)計(jì)工作外，必須進(jìn)行大量的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。因此，為充分發(fā)揮高空臺(tái)資源價(jià)值和盡可能保證當(dāng)前的高空模擬任務(wù)，須將所有高空模擬試驗(yàn)任務(wù)納入統(tǒng)一的大計(jì)劃中，做好總體策劃與風(fēng)險(xiǎn)管理，實(shí)施動(dòng)態(tài)管理和調(diào)控。

4）加強(qiáng)知識(shí)管理與人才培養(yǎng)，全面提升發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬的綜合能力；

當(dāng)前是科技與信息的時(shí)代，同行業(yè)單位間的技術(shù)能力差距很大程度上取決于知識(shí)管理水平的差距，競爭優(yōu)勢很大程度上取決于高素質(zhì)人才優(yōu)勢。在知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，占主導(dǎo)地位的資源和生產(chǎn)要素已不是資本和一般勞動(dòng)力，而是知識(shí)和信息，是擁有知識(shí)和才能的知識(shí)勞動(dòng)者。據(jù)統(tǒng)計(jì)，許多有實(shí)力的公司、企業(yè)，其有形資產(chǎn)和無形資產(chǎn)的比例都達(dá)到1：2或者說1：3。因此要提升我國發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬的綜合實(shí)力，必須加強(qiáng)知識(shí)管理和人才培養(yǎng)工作，尤其是高素質(zhì)和領(lǐng)軍高空模擬試驗(yàn)人才的培養(yǎng)工作。