飛機(jī)發(fā)動機(jī)空中起動試飛方法研究

劉杰 張建湘 趙曉明

摘 要：飛機(jī)發(fā)動機(jī)的空中起動能力關(guān)系到飛機(jī)的飛行安全。飛機(jī)交付用戶之前，組織飛機(jī)發(fā)動機(jī)空中起動試飛是必要的。結(jié)合某飛機(jī)發(fā)動機(jī)出廠試飛為例，本文從飛機(jī)發(fā)動機(jī)空中起動試飛的重要性入手，識別試飛中的風(fēng)險(xiǎn)并制定了相應(yīng)控制措施，分析飛機(jī)發(fā)動機(jī)空中起動特性并制定發(fā)動機(jī)空中起動的試飛操作程序。

關(guān)鍵詞：風(fēng)車起動;風(fēng)險(xiǎn)分析;試飛操作程序

中圖分類號：V263.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）22-0081-02

0 引言

裝配渦扇發(fā)動機(jī)的在遇到意外擾動情況下，極易出現(xiàn)空中熄火停車現(xiàn)象，需通過可靠的空中起動，保障飛機(jī)的戰(zhàn)斗力，規(guī)避等級事故的出現(xiàn)。因此，發(fā)動機(jī)空中停車后，空中起動成功與否，關(guān)系到飛行安全。飛機(jī)發(fā)動機(jī)性能檢測可通過地面模擬試驗(yàn)完成，而地面模擬條件難以呈現(xiàn)高空的大氣環(huán)境、發(fā)動機(jī)負(fù)載參數(shù)變化、飛機(jī)與發(fā)動機(jī)的動態(tài)匹配等參數(shù)，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)飛機(jī)發(fā)動機(jī)空中起動的問題。在飛機(jī)交付用戶前，需對發(fā)動機(jī)開展空中起動試飛試驗(yàn)，檢驗(yàn)飛機(jī)發(fā)動機(jī)空中起動的可靠性。

1 飛機(jī)發(fā)動機(jī)空中起動試飛方法分析

1.1 試飛項(xiàng)目概況

本文將某型號的飛機(jī)出廠試飛為研究對象，空中起動類型包括慣性起動與風(fēng)車起動等，前者是指在發(fā)動機(jī)出現(xiàn)空中以外停車現(xiàn)象時(shí)，控制系統(tǒng)可在飛行員了解狀況前，自動開啟空中起動程序。就渦扇發(fā)動機(jī)而言，其空中起動試飛不易出現(xiàn)空中意外停車，飛機(jī)在沒有測試改裝的情況下，無法達(dá)到驗(yàn)證慣性起動功能的目的。

風(fēng)車起動是發(fā)動機(jī)空中起動的一種重要方式，是指發(fā)動機(jī)在風(fēng)車狀態(tài)下提高速度，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槁嚑顟B(tài)的過程。這里的風(fēng)車狀態(tài)為發(fā)動機(jī)出現(xiàn)空中意外停車，且燃燒室保持熄火或不運(yùn)行狀態(tài)，氣流進(jìn)入到發(fā)動機(jī)內(nèi)，并在阻力矩、空氣與轉(zhuǎn)子慣性的協(xié)調(diào)作用下，推動發(fā)動機(jī)機(jī)軸，使其在某一時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，進(jìn)入亞穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，是發(fā)動機(jī)獨(dú)有的工作狀態(tài)，和以往的發(fā)動機(jī)燃燒運(yùn)轉(zhuǎn)有顯著差異。就發(fā)動機(jī)的運(yùn)行原理可知，渦輪與壓氣機(jī)均屬于制動器的一種，需在能量供給的情況下運(yùn)行。在發(fā)動機(jī)進(jìn)入風(fēng)車狀態(tài)后，并無動物供給，需通過飛機(jī)的飛行速度提供能源。就此，在風(fēng)車起動過程中，能量變化流程如下：飛行速度→轉(zhuǎn)子機(jī)械能，推動轉(zhuǎn)子運(yùn)行。另外，就做功角度而言，飛機(jī)飛行速度使飛機(jī)產(chǎn)生迎面氣流，該氣流可推動壓氣機(jī)的葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)，使其做功。該原理也適用于渦輪部件，在迎面氣流進(jìn)入到渦輪收斂通道內(nèi)，可進(jìn)入膨脹加速狀態(tài)，推動渦輪運(yùn)轉(zhuǎn)，使其做功，獲得的功率會傳輸?shù)綁簹鈾C(jī)中?；谏鲜鲈恚陲w機(jī)出現(xiàn)空中意外停車后，飛車啟動是飛機(jī)狀態(tài)冷轉(zhuǎn)過程到風(fēng)車狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。

分析飛機(jī)發(fā)動機(jī)起動試飛方法，針對某型號的飛機(jī)出廠試飛，選取風(fēng)車起動方法對發(fā)動機(jī)的空中起動性能進(jìn)行檢查。

1.2 渦扇發(fā)動機(jī)的空中起動特點(diǎn)

1.2.1 無需起動機(jī)提供輔助

通過上述分析可知，迎面氣流的出現(xiàn)可帶動飛機(jī)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使壓氣機(jī)與渦輪的運(yùn)行參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值差距加大，此時(shí)發(fā)動機(jī)的運(yùn)行效率低下，但進(jìn)入平衡的風(fēng)車狀態(tài)后，可保持飛機(jī)的穩(wěn)定。而在飛機(jī)風(fēng)車狀態(tài)下，噴管的可用壓力降逐漸減少，直到低于臨界壓力降，此時(shí)飛行馬赫數(shù)會影響發(fā)動機(jī)的換算轉(zhuǎn)速，二者間的關(guān)系趨近于正相關(guān)關(guān)系;在可用壓力降并未低于臨界壓力降，且無限趨近時(shí)，飛行馬赫數(shù)不會影響發(fā)動機(jī)的換算轉(zhuǎn)速，此時(shí)飛機(jī)的風(fēng)車轉(zhuǎn)速逐漸加大，最高可達(dá)最大轉(zhuǎn)速的70%，可滿足飛機(jī)的自動空中起動，無需利用起動機(jī)提供輔助。

1.2.2 難以進(jìn)入完全風(fēng)車狀態(tài)

在發(fā)動機(jī)出現(xiàn)空中意外停車后，可通過立即點(diǎn)火，起動發(fā)動機(jī)，提升轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。但在實(shí)踐操作中，飛行員極易錯(cuò)過發(fā)動機(jī)的最佳打火時(shí)機(jī)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不斷下降，在其數(shù)值小于空中起動下限轉(zhuǎn)速時(shí)，燃料并未達(dá)到最佳霧化質(zhì)量，且空氣進(jìn)入效果不佳，不能在燃燒室內(nèi)有效點(diǎn)火，生成的火源不夠穩(wěn)定，發(fā)動機(jī)難以進(jìn)入完全風(fēng)車狀態(tài)。就此，針對該問題，飛行員需利用起動機(jī)提供輔助，或者操縱飛機(jī)完成俯沖，提升轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，創(chuàng)設(shè)最佳打火條件，使發(fā)動機(jī)進(jìn)入完全風(fēng)車狀態(tài)。

1.2.3 空中點(diǎn)火條件惡劣

飛機(jī)的飛行環(huán)境為高空，具有溫度低、密度小與壓力小等特征，使得發(fā)動機(jī)的周圍空氣流量，遠(yuǎn)小于地面狀態(tài)下的數(shù)值。在飛機(jī)空中起動過程中，剩余扭矩的降低，加大了燃燒室進(jìn)口的空氣速度。同時(shí)，高空條件下的燃燒室進(jìn)口壓力減小，使燃燒室的余氣系數(shù)越小。此時(shí)點(diǎn)火難以生成穩(wěn)定的火源，空中起動難度較大。飛機(jī)的飛行高度越高，點(diǎn)火條件越惡劣。可見，在飛機(jī)空中起動中，其包線范圍會受點(diǎn)火條件的影響。

1.3 風(fēng)車轉(zhuǎn)速與高度、速度特性

在相同高度下，飛機(jī)的飛行速度與風(fēng)車轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)關(guān)系，但高壓轉(zhuǎn)子的速度一直低于低壓轉(zhuǎn)子。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于風(fēng)車狀態(tài)下的發(fā)動機(jī)部件功能轉(zhuǎn)變，原本提供動力的部件，會在風(fēng)車狀態(tài)下負(fù)責(zé)提供阻力。當(dāng)迎面氣流進(jìn)入發(fā)動機(jī)內(nèi)部時(shí)，部分阻力轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，部分阻力被消耗。在上述過程中，飛機(jī)的飛行速度越快，產(chǎn)生的能量就越大，使轉(zhuǎn)子獲得更多的動能，提升其轉(zhuǎn)速。

在相同的速度下，隨著高度的升高，風(fēng)車轉(zhuǎn)速略有增大。在飛行速度不變的情況下，飛機(jī)所處的高度越高，大氣密度越小，風(fēng)扇前方的空氣流量隨之降低。在迎面氣流進(jìn)入風(fēng)扇內(nèi)部部件后，一部分氣流沿外涵道流通;一部分氣流沿內(nèi)涵道流通。內(nèi)涵道流通的氣流會進(jìn)入到核心機(jī)中。飛機(jī)的飛行高度會提升核心機(jī)進(jìn)入的流量，但由于風(fēng)扇的內(nèi)外涵道呈相互補(bǔ)充狀態(tài)，內(nèi)涵道的增多，會降低外涵道（即風(fēng)扇進(jìn)口部位）的流量。此時(shí)，風(fēng)扇核心機(jī)的壓氣機(jī)受到更大的沖力，可提升風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。

通過上述分析可知，在一定的高度下，飛行速度的增加，會提升風(fēng)車轉(zhuǎn)速;在一定的飛行速度下，高度的增加，也會提升風(fēng)車轉(zhuǎn)速，但提升效果低于上一種狀況。

2 飛機(jī)發(fā)動機(jī)空中起動試飛風(fēng)險(xiǎn)分析

飛機(jī)發(fā)動機(jī)空中起動試飛屬于高風(fēng)險(xiǎn)試飛科目，存在多種風(fēng)險(xiǎn)，威脅試飛人員與飛機(jī)的安全，試飛工程技術(shù)人員和試飛員需掌握發(fā)動機(jī)空中起動試飛的風(fēng)險(xiǎn)，試飛最大的風(fēng)險(xiǎn)是被試發(fā)動機(jī)空中起動不成功。采取針對性預(yù)防與規(guī)避措施，確保飛行安全。