渦噴/渦扇發(fā)動機試車臺比對試驗校準(zhǔn)研究

時至今日，試車臺試驗依然是航空渦噴/渦扇發(fā)動機技術(shù)驗證、型號研制和批產(chǎn)交付的重要手段。在相關(guān)部門的協(xié)調(diào)下，開展渦噴/渦扇發(fā)動機試車臺比對試驗校準(zhǔn)研究是完全可行的，也是非常必要的。

發(fā)動機的相關(guān)各方（試驗、設(shè)計以及最終用戶等）都對試驗結(jié)果（尤其是推力、耗油率等主要性能參數(shù)結(jié)果）的準(zhǔn)確性和權(quán)威性十分重視，因為這直接關(guān)系著發(fā)動機技術(shù)發(fā)展、型號研制和批產(chǎn)交付。由于航空發(fā)動機研制與生產(chǎn)的需要，我國渦噴/渦扇發(fā)動機試車臺數(shù)量多并分布在不同地域，其結(jié)構(gòu)和測試方法不盡相同，加之以往難以有效落實和嚴(yán)格貫徹GJB721—1989《渦噴/渦扇發(fā)動機試車臺校準(zhǔn)規(guī)范》和HB7508—1997《渦噴/渦扇發(fā)動機露天基準(zhǔn)試車臺基準(zhǔn)試車要求》，因而導(dǎo)致同一型甚至同一臺發(fā)動機在不同試車臺上試驗的推力、耗油率等主要性能參數(shù)結(jié)果可能不一致，使得發(fā)動機試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性與權(quán)威性受到質(zhì)疑，給我國發(fā)動機試驗?zāi)酥裂兄乒ぷ鞫紟砹瞬焕绊憽?/p>

渦噴/渦扇發(fā)動機試車臺校準(zhǔn)方法

發(fā)動機在室內(nèi)試車臺上試車時，空間有限和發(fā)動機排氣引射的影響使得氣流通過試車臺進氣系統(tǒng)時產(chǎn)生壓力損失，以及對發(fā)動機有一定迎面速度、外流沿發(fā)動機軸向存在靜壓變化和摩擦阻力、發(fā)動機尾噴口處的環(huán)境靜壓降等都會引起測量推力損失。因此，要準(zhǔn)確確定發(fā)動機試驗性能和實現(xiàn)不同試車臺試驗結(jié)果之間的有效共享和傳遞，有必要對試車臺進行校準(zhǔn)。試車臺校準(zhǔn)常用的方法就是比對試驗校準(zhǔn)法。

1號艙和4號艙之間的計量標(biāo)定與比對試驗結(jié)果

我國試車臺校準(zhǔn)方法

我國GJB721校準(zhǔn)規(guī)范對用于發(fā)動機科研生產(chǎn)的新建試車臺、結(jié)構(gòu)布局與氣動特性發(fā)生顯著變化的試車臺、試驗對象進排氣特性發(fā)生顯著變化（指試驗發(fā)動機的進排氣特性變化）和超過校準(zhǔn)有效期的試車臺，都明確規(guī)定了用基準(zhǔn)試車臺對渦噴/渦扇發(fā)動機試車臺進行校準(zhǔn)的方法。GJB721校準(zhǔn)規(guī)范的主要校準(zhǔn)思想，是用基準(zhǔn)試車臺（含露天和室內(nèi)兩種）上基準(zhǔn)試車得到的校準(zhǔn)發(fā)動機及其標(biāo)定性能對被校試車臺進行校準(zhǔn)——校準(zhǔn)試車并確定被校試車臺的修正值（或修正系數(shù)）。GJB721中規(guī)定，在基準(zhǔn)試車和校準(zhǔn)試車前必須對車臺的測試系統(tǒng)進行校準(zhǔn)，而且其測試精度必須滿足GJB241《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機通用規(guī)范》的要求，即對推力、轉(zhuǎn)速、燃油流量、空氣流量、壓力、溫度等測試通道進行計量標(biāo)定。簡言之，GJB721所指的發(fā)動機試車臺校準(zhǔn)，其實質(zhì)就是兩個或多個試車臺（其中有且僅有一個是基準(zhǔn)試車臺）之間按照預(yù)先規(guī)定的條件和程序，通過同一臺發(fā)動機整機試車來確定（被校）試車臺能力與特性的試車臺比對校準(zhǔn)。

1992—1995年，我國SB101高空臺1號試驗艙（下面簡稱1號艙）與俄羅斯中央航空發(fā)動機研究院（CIAM）高空臺C-4N試驗艙（下面簡稱4號艙）之間的對比標(biāo)定試驗，即通過測量系統(tǒng)計量標(biāo)定來確定高空臺的推力、空氣質(zhì)量流量、燃油質(zhì)量流量、壓力、溫度、濕度、轉(zhuǎn)速、熱態(tài)噴口面積等8個參數(shù)的數(shù)據(jù)精度，通過比對試驗來確定發(fā)動機飛行推力和耗油率的確定方法和數(shù)據(jù)精度，就是GJB721校準(zhǔn)規(guī)范用于高空臺之間校準(zhǔn)的典型案例。其中俄羅斯4號艙及其試車分別作為基準(zhǔn)試車臺和基準(zhǔn)試車，校準(zhǔn)發(fā)動機是一臺空氣流量70kg/s級的俄制渦噴發(fā)動機。此外，1999—2004年，在我國1號艙和A109試車臺之間進行的交叉比對試驗就是用1號艙作為基準(zhǔn)試車臺來確定該地面臺的氣動特性和推力修正系數(shù)，校準(zhǔn)發(fā)動機是一臺空氣流量110kg/s級的俄制渦扇發(fā)動機，也是GJB721校準(zhǔn)規(guī)范用于渦噴/渦扇發(fā)動機試車臺校準(zhǔn)的典型案例。另外，我國還一度存在用所謂的“標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機”直接去校準(zhǔn)試車臺的情況，不過由于“標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機”自身標(biāo)準(zhǔn)的有效性存在問題，目前基本不再使用該校準(zhǔn)方法。

美國試車臺校準(zhǔn)方法

美國ARP741《渦噴/渦扇發(fā)動機試車臺交叉校準(zhǔn)》提供了不同試車臺之間試驗結(jié)果相關(guān)性確定的一種方法，其實質(zhì)是基準(zhǔn)試車臺與被校試車臺之間的比對試驗方法。該方法利用一臺性能穩(wěn)定且已知的發(fā)動機在基準(zhǔn)試車臺和被校試車臺上進行試車（比對），來校準(zhǔn)被校試車臺并確定其修正值（修正系數(shù)），試車前要嚴(yán)格對車臺測試系統(tǒng)和發(fā)動機性能參數(shù)測量通道進行計量標(biāo)定。普惠公司在1983年用一臺PW2037發(fā)動機在X-217和X-218高空艙進行了比對試驗，完成了對新建高空艙X-218的校準(zhǔn)。北大西洋公約組織（北約）在1980—1990年實施的“發(fā)動機試驗一致性”計劃，用兩臺J57渦噴發(fā)動機在美國、英國、法國、加拿大和土耳其的4個高空艙和4個地面臺之間進行了比對試驗研究，從而統(tǒng)一了北約內(nèi)部發(fā)動機性能參數(shù)確定及不確定度的評定方法，實現(xiàn)了不同試車臺試驗結(jié)果的有效共享和傳遞。

俄羅斯試車臺校準(zhǔn)方法

俄羅斯渦噴/渦扇發(fā)動機試車臺采用測試系統(tǒng)計量標(biāo)定和發(fā)動機比對試驗的校準(zhǔn)方法，并在1985年對《確定燃?xì)鉁u輪發(fā)動機臺架試驗時的推力》（方法53-85）進行過修訂。該方法的關(guān)鍵內(nèi)容包括三方面：首先是計量標(biāo)定參加比對校準(zhǔn)的試車臺測試系統(tǒng)，以確定發(fā)動機穩(wěn)定工作時氣流壓力、溫度、濕度、測量推力、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、燃油流量、噴管面積、流量管面積等直接測量通道的誤差以及發(fā)動機主要性能參數(shù)的間接測量誤差；其次是確定被校試車臺的氣動特性,包括發(fā)動機前氣流流場的均勻性、平均速度、試驗間軸向壓力分布和噴管外表面壓力分布等，以確定進氣沖壓和次流流動以及噴口處負(fù)壓對發(fā)動機推力測量的影響；最后是比對試驗，即用一臺帶工作噴管和剛性收斂噴管的發(fā)動機分別在基準(zhǔn)試車臺和被校試車臺上進行規(guī)定試驗，進而得出被校試車臺試驗該型發(fā)動機的主要性能參數(shù)及其修正系數(shù)。1992—1995年的中俄高空臺和1999—2004年的中國高空臺與地面臺之間的對比試驗就是俄羅斯試車臺校準(zhǔn)方法在我國試車臺比對校準(zhǔn)上的應(yīng)用和實踐。

英國試車臺校準(zhǔn)方法

英國試車臺校準(zhǔn)采用標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機和標(biāo)準(zhǔn)試車臺方法，即用標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機在標(biāo)準(zhǔn)試車臺和被校試車臺上進行比對試驗來校準(zhǔn)被校試車臺；或者直接用標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機試車來校準(zhǔn)被校試車臺；或者在沒有標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機和標(biāo)準(zhǔn)試車臺時，就用高空臺或者海平面露天試車臺試驗來得到“標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機”，進而用該標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機試車來校準(zhǔn)被校試車臺。英國的這三種方法本質(zhì)上都是基準(zhǔn)試車臺與被校試車臺之間的比對試驗校準(zhǔn)。該校準(zhǔn)方法也包括測試系統(tǒng)計量標(biāo)定、試車臺氣動特性測試（進氣沖壓、臺架阻力等）和比對試驗三個部分，與美國ARP741校準(zhǔn)規(guī)范是內(nèi)在一致的。我國在斯貝發(fā)動機引進中，就用英國羅羅公司生產(chǎn)的性能合格、使用時間較短、狀態(tài)較好的一臺發(fā)動機作為標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機，在羅羅公司一個試車臺（基準(zhǔn)試車臺）和我國的一個試車臺（被校試車臺）之間進行了比對試驗，從而確定了該試車臺試驗斯貝發(fā)動機的試驗結(jié)果的有效性和性能修正系數(shù)。

試車臺校準(zhǔn)與試驗結(jié)果的權(quán)威性面臨困境

試車臺按照GJB721校準(zhǔn)規(guī)范通過校準(zhǔn)后，其試車結(jié)果和發(fā)動機性能的有效性和權(quán)威性就有了根本保障，而且保證了發(fā)動機性能在不同試車臺之間和發(fā)動機相關(guān)各方之間的共享和有效傳遞，因此試車臺按規(guī)定進行校準(zhǔn)無疑是有益的、應(yīng)當(dāng)?shù)摹?/p>

不過，由于國內(nèi)航空發(fā)動機試驗條件建設(shè)的不完善，以前一直沒有嚴(yán)格意義上的渦噴/渦扇發(fā)動機基準(zhǔn)試車臺。盡管我國高空臺1號艙經(jīng)過了與俄高空臺4號艙的嚴(yán)格比對校準(zhǔn)，然而由于試驗任務(wù)一直飽滿，加之國內(nèi)發(fā)動機研制生產(chǎn)單位的試車任務(wù)較多而且試車結(jié)果也“基本可以接受”，致使我國SB101高空臺未能有效擔(dān)當(dāng)基準(zhǔn)試車臺的使命。

與此同時，國內(nèi)目前也沒有與在研渦噴/渦扇發(fā)動機試驗相適應(yīng)的基準(zhǔn)發(fā)動機。盡管引進過斯貝、阿勒-31等所謂的“標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機”，但由于發(fā)動機自身性能衰減和技術(shù)狀態(tài)變化，也難以確保其基準(zhǔn)的地位。這些使得GJB721校準(zhǔn)規(guī)范有效執(zhí)行面臨的問題越來越多，尤其是對新研發(fā)動機而言,難以找到和確定與之相應(yīng)的發(fā)動機作為基準(zhǔn)發(fā)動機載體來進行比對試驗校準(zhǔn), 致使試車臺發(fā)動機試驗性能準(zhǔn)確性和權(quán)威性的疑問一直擱置和受到嚴(yán)重關(guān)切，影響到了發(fā)動機性能指標(biāo)的科學(xué)評定。

再者，試車臺比對校準(zhǔn)涉及到發(fā)動機資源、試車臺資源、試車臺測試系統(tǒng)計量標(biāo)定、試車臺氣動特性精細(xì)測量和大量的比對試驗工作，使得試車臺校準(zhǔn)的周期長、費用高，這也是試車臺在建設(shè)和使用中未能嚴(yán)格執(zhí)行GJB721校準(zhǔn)規(guī)范的重要因素。

我國試車臺比對校準(zhǔn)的機遇與可行性

試車臺比對校準(zhǔn)的機遇

為適應(yīng)“兩機”專項發(fā)動機研發(fā)的試驗需要，我們還需要新建和改造相當(dāng)數(shù)量的試車臺，而且同一型甚至同一臺發(fā)動機在不同單位和不同地域試車臺上實施試驗分析與試驗鑒定工作在所難免。這些試車臺證明其能夠真實反映和客觀評價被試發(fā)動機的性能、保證試車臺的良好狀態(tài)和不同車臺之間試驗結(jié)果的一致性的最有效和簡易的方法，就是按GJB721校準(zhǔn)規(guī)范進行試車臺之間的比對試驗。這就為試車臺比對校準(zhǔn)提供了前所未有的資源、素材和緊迫需求。我國至今已建有4個高空試驗艙（其中3個為不同流量和推力量級的渦噴/渦扇發(fā)動機試驗艙）和1個露天試車臺區(qū)（4個試車臺），這些艙和臺為按GJB721校準(zhǔn)規(guī)范進行比對試驗校準(zhǔn)提供了較為充裕的基準(zhǔn)試車臺資源。

為準(zhǔn)確評估渦噴/渦扇發(fā)動機使用、作戰(zhàn)的適用性和有效性，試車臺試驗和試驗鑒定工作就必須要能切實摸清被試發(fā)動機的性能底數(shù)與效能底數(shù)，嚴(yán)格把控發(fā)動機技術(shù)研究的驗證效果和發(fā)動機產(chǎn)品定型、交付的關(guān)口，確保交付的發(fā)動機管用、實用、好用、耐用，這是新的渦噴/渦扇發(fā)動機試驗鑒定工作的主要任務(wù)。要勝任該任務(wù)，試車臺首先就得說清楚自身的技術(shù)狀態(tài)和試驗結(jié)果的有效性和權(quán)威性問題，確保發(fā)動機試驗的“測試準(zhǔn)確、結(jié)果公正”，這就得按GJB721校準(zhǔn)規(guī)范定期進行試車臺的比對試驗校準(zhǔn)。因此試車臺比對校準(zhǔn)會有相當(dāng)需求。

對發(fā)動機試驗而言，試車臺測出的推力、耗油率等性能參數(shù)準(zhǔn)不準(zhǔn)、可不可靠？同一臺發(fā)動機在不同試車臺上試驗得出的結(jié)果是否一致？不一致的原因是什么、有何改進？有無相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范使各類試車臺保持良好狀態(tài)？這些都是試車臺技術(shù)狀態(tài)和試驗質(zhì)量控制必須回答和確保的問題。要回答這些問題，最簡易和令人信服的方法就是按GJB721進行比對試驗。因此，試車臺比對校準(zhǔn)不再僅僅是某個廠所的內(nèi)部事務(wù)，已成為發(fā)動機用戶和發(fā)動機研制單位的共同關(guān)注和需要。

試車臺比對校準(zhǔn)的可行性

首先，分別與俄羅斯、英國合作完成的試車臺比對試驗工作使我國不僅在實踐中有效貫徹了GJB721校準(zhǔn)規(guī)范，而且了解掌握了俄羅斯試車臺計量標(biāo)定和比對試驗校準(zhǔn)、美英等國試車臺交叉校準(zhǔn)的一整套技術(shù)方法，從中獲取了實踐經(jīng)驗，大大降低了技術(shù)風(fēng)險。表1示出了中俄高空臺試驗艙的計量標(biāo)定與比對試驗結(jié)果。

第二，我國新建和改擴建的試車臺和已建成的4個高空艙與露天試車臺區(qū)，為按GJB721校準(zhǔn)規(guī)范開展試車臺比對試驗提供充足的市場需求和軟硬件資源。需要時，還可開展我國高空臺2號艙與1號艙之間的比對試驗，以及高空臺、室內(nèi)地面試車臺和露天試車臺之間的比對試驗。這就意味著需要統(tǒng)籌安排比對試驗經(jīng)費、周期和試車臺的比對試驗與生產(chǎn)研制試驗任務(wù)，但這些與試車臺比對試驗校準(zhǔn)的需求、效益和作用相較而言，都不是難題甚至不再是問題。

第三，根據(jù)新的航空發(fā)動機試驗鑒定工作要求，只有技術(shù)狀態(tài)清楚，能夠準(zhǔn)確、客觀地評價被試發(fā)動機的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能、作戰(zhàn)使用效能和保障效能，并嚴(yán)格把住發(fā)動機定型與交付關(guān)口并能摸清其性能底數(shù)的試車臺，才能作為鑒定試車臺和承擔(dān)發(fā)動機鑒定試驗。因此，試車臺比對校準(zhǔn)已經(jīng)成為中國航空發(fā)動機集團和發(fā)動機最終用戶的強制要求和嚴(yán)重關(guān)切。

結(jié)束語

當(dāng)前，渦噴/渦扇發(fā)動機試驗任務(wù)和試車臺建設(shè)需求都大幅增加，這為發(fā)動機試驗?zāi)芰εc技術(shù)水平提升創(chuàng)造了有利條件。同時“兩機”專項的實施和裝備實戰(zhàn)化能力鑒定的改革也對發(fā)動機推力、耗油率等參數(shù)的試驗結(jié)果的有效性與權(quán)威性提出了更高要求。而試車臺的校準(zhǔn)就是保證試驗結(jié)果有效性和權(quán)威性的重要措施之一。

與航空發(fā)動機發(fā)達(dá)國家相比，試車臺比對校準(zhǔn)研究和比對試驗工作是我國的短板之一。在相關(guān)部門統(tǒng)籌策劃下，開展渦噴/渦扇發(fā)動機試車臺比對試驗校準(zhǔn)研究是非常必要的，也是完全可行的。要想快速打贏自主研制航空發(fā)動機攻堅戰(zhàn)，這項基礎(chǔ)平臺工作必須要落實，否則就會欲速則不達(dá)。