基于單發(fā)飛機的渦扇發(fā)動機空中起動試飛方案設(shè)計

熊蓓文，劉志林，熊宇琳，尹夢驕

(成都飛機工業(yè)(集團)有限責(zé)任公司，成都 610092)

1 引言

航空發(fā)動機的空中起動性能事關(guān)飛行安全，其起動包線是否準(zhǔn)確、起動過程是否穩(wěn)定可靠，都需要通過試飛來進(jìn)行考核和驗證，因此發(fā)動機空中起動性能的考核是發(fā)動機鑒定試飛的關(guān)鍵項目。長期以來，空中起動試飛都是試飛領(lǐng)域受到高度關(guān)注與重視的風(fēng)險科目，尤其是在單發(fā)飛機上進(jìn)行的新研發(fā)動機空中起動試飛，相比雙發(fā)飛機難度更大、風(fēng)險更高，GJB 626A-2006《軍用固定翼飛機和旋翼飛機科研試飛風(fēng)險科目》[1]將單發(fā)飛機的空中起動試飛列為Ⅰ類風(fēng)險科目。通常，國內(nèi)外新研發(fā)動機的鑒定試飛都盡量安排在雙發(fā)飛機上進(jìn)行，試飛時試驗飛機上配裝一臺成熟發(fā)動機和一臺用于鑒定的新發(fā)動機，以減少和化解新研發(fā)動機不可靠、不成熟所帶來的風(fēng)險。一般來講，新研發(fā)動機只有在雙發(fā)飛機上試飛成熟并定型后才會配裝單發(fā)飛機，但有時由于缺乏合適的雙發(fā)飛機平臺，個別新研發(fā)動機只能在單發(fā)飛機上開展鑒定試飛，這就大大增加了試飛的難度和風(fēng)險。尤其是試飛時發(fā)動機空中起動一旦失敗，飛行員只能選擇空滑迫降或棄機跳傘，因此空中起動試飛方案的設(shè)計是單發(fā)飛機進(jìn)行新研發(fā)動機鑒定試飛的重要內(nèi)容。

由于各型飛機及其配裝的發(fā)動機在設(shè)計上的差別，發(fā)動機空中起動的種類和方式各不相同。如按發(fā)動機停車后的狀態(tài)有慣性起動和風(fēng)車起動之分，按渦輪起動機是否參與起動有輔助帶轉(zhuǎn)起動和非輔助帶轉(zhuǎn)起動之分，按飛行員是否參與起動過程有自動起動和手動起動之分。受飛機飛行包線的影響，同樣的發(fā)動機在不同的飛機上其起動包線范圍也會不一樣，其試驗點的選擇就比較關(guān)鍵。另外，發(fā)動機的起動過程也各具特點，有的發(fā)動機起動時會帶著飛機附件機匣上的交流發(fā)電機和液壓泵等負(fù)載工作，而有的則不需要。因此，在設(shè)計空中起動試飛方案時要根據(jù)飛機和發(fā)動機的特點，明確空中起動類型和方式，選擇合適的試驗點，確定相應(yīng)的試驗架次和試驗順序，規(guī)定試驗的方法和操作流程，制定試飛監(jiān)控方案，指導(dǎo)如何開展空中起動試飛前的空滑迫降演練等。

2 空中起動試飛方案設(shè)計思路

與雙發(fā)飛機相比，單發(fā)飛機空中起動有以下特點：①一旦起動失敗，要么飛機迫降，要么飛行員棄機跳傘；②停車后由發(fā)動機驅(qū)動的飛機交直流發(fā)電機和液壓泵停止工作，機上的供電和液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)換為由應(yīng)急或備份系統(tǒng)保障，轉(zhuǎn)換過程飛機會出現(xiàn)告警和故障現(xiàn)象；③發(fā)動機起動過程中往往存在帶著交流發(fā)動機和液壓泵等負(fù)載的情況，增大了發(fā)動機風(fēng)車起動難度。為此，單發(fā)飛機空中起動試飛方案設(shè)計的思路主要為：

(1) 根據(jù)試飛目的和試飛要求設(shè)計試飛科目，確定空中起動試飛類型，明確進(jìn)行慣性起動還是風(fēng)車起動，是否進(jìn)行輔助帶轉(zhuǎn)起動還是只進(jìn)行非輔助帶轉(zhuǎn)起動，或者兼而有之。并根據(jù)飛機飛行包線和發(fā)動機起動包線范圍及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、要求，選擇空中起動試驗點，明確試驗條件、試驗次數(shù)和試驗順序。

(2) 按照飛行操作要求和使用特點，設(shè)計空中起動試飛的試驗方法和操作流程。

(3) 根據(jù)獲取試飛數(shù)據(jù)和安全監(jiān)控的需要，制定飛機、發(fā)動機測試改裝要求和試飛監(jiān)控方案。

(4) 明確飛行前地面試驗要求，制定飛行前飛機和發(fā)動機的地面檢查、試驗方案。

(5) 按照方案確定的試驗點和試驗條件設(shè)計相應(yīng)的試飛航線和飛行剖面。

(6) 做好起動失敗被迫進(jìn)行迫降的準(zhǔn)備，空中起動試飛方案應(yīng)包含空滑迫降演練內(nèi)容。

3 空中起動試飛方案設(shè)計

3.1 試飛科目設(shè)計

試飛科目設(shè)計是試飛方案設(shè)計的核心，也是編制試飛大綱的重要內(nèi)容，主要包括空中起動試飛類型、空中起動試驗點及起動次數(shù)和試驗順序。

3.1.1 空中起動試飛類型

無應(yīng)急動力系統(tǒng)的單發(fā)飛機通常不進(jìn)行風(fēng)車起動而只進(jìn)行慣性起動。這是由于風(fēng)車轉(zhuǎn)速很低，此時發(fā)動機帶著交流發(fā)動機和液壓泵等負(fù)載進(jìn)行起動會很困難、失敗的幾率高；如果發(fā)動機的渦輪起動機具有輔助帶轉(zhuǎn)能力，除了進(jìn)行慣性起動外，還應(yīng)進(jìn)行輔助帶轉(zhuǎn)起動試驗以檢查其輔助帶轉(zhuǎn)起動功能。空中起動試飛需要飛行員把油門桿拉至停車位置人為拉停發(fā)動機，待發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N2降至試驗轉(zhuǎn)速后再推油門桿至慢車位置起動發(fā)動機，因此空中起動試飛只能通過飛行員推油門桿的手動方式進(jìn)行起動。某型飛機無應(yīng)急動力系統(tǒng)，其發(fā)動機也無輔助帶轉(zhuǎn)起動功能，為此該發(fā)動機只進(jìn)行慣性起動，通過油門桿手動起動方式進(jìn)行。

3.1.2 空中起動試驗點及起動次數(shù)

根據(jù)國軍標(biāo)GJB 243A-2004[2]的規(guī)定，空中起動試飛一般在起動包線內(nèi)選取3～4個高度、2～3種速度作為試驗點，重點檢查和考核起動包線邊界(特別是小速度邊界)的起動能力，且每個試驗點的起動次數(shù)不少于3次。典型的空中起動試驗點，通常包括包線中央試驗點、高空左邊界試驗點、低空左邊界試驗點和中高空大速度試驗點幾類。圖1為某發(fā)動機空中起動試驗點安排示意圖，圖中H為飛行高度，Ma為飛行馬赫數(shù)。為充分考核發(fā)動機的空中起動性能，每個試驗點都應(yīng)盡可能進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速的起動試驗。如某試驗點要進(jìn)行3次慣性起動，可安排1次高轉(zhuǎn)速(N2=50%)和2次低轉(zhuǎn)速(N2=35%)起動。

圖1 發(fā)動機空中起動試驗點安排示意圖Fig.1 Scheduling diagram for the engine air-start flight test pointes

3.1.3 空中起動試驗順序

試驗順序安排按照先易后難的原則進(jìn)行。前述幾個典型試驗點相比較，高空左邊界試驗點因空氣稀薄、含氧量低，發(fā)動機空中起動最困難。但由于飛行高度高、處置時間充裕，一旦起動未成功，不僅有多次起動機會，飛行員還能調(diào)整飛機的飛行高度和飛行速度到飛行包線中易起動區(qū)域進(jìn)行起動。低空左邊界試驗點雖然大氣條件對起動有利，但一旦起動不成功往往缺乏回旋余地，無第二次起動機會，只能空滑迫降。包線中央試驗點兼有以上二者優(yōu)點。因此，空中起動試飛一般先在包線中央進(jìn)行，然后依次在高空左邊界、中高空大速度、低空左邊界進(jìn)行。同一個試驗點的空起試飛，則先大轉(zhuǎn)速(N2=50%)、后小轉(zhuǎn)速(N2=35%)。按照上述原則與方法，該型飛機的發(fā)動機空中起動試飛科目設(shè)計如表1所示。

表1 空中起動試飛科目設(shè)計Table 1 Design of the air-start flight test subject

3.2 試飛方法和流程設(shè)計

3.2.1 試飛方法

空中起動試飛時，飛行員在高于試驗點規(guī)定的高度、速度位置先將油門桿收到停車位置，待發(fā)動機轉(zhuǎn)速降到試驗規(guī)定的轉(zhuǎn)速，飛機也下降到試驗要求的高度、速度范圍后，推油門桿到慢車或慢車以上位置，此時發(fā)動機控制系統(tǒng)發(fā)出起動指令，對燃燒室進(jìn)行補氧、點火，起動發(fā)動機。應(yīng)注意，如果起動過程中發(fā)動機出現(xiàn)轉(zhuǎn)速懸掛、超溫等現(xiàn)象，需將發(fā)動機拉停后重新起動。

3.2.2 操作流程

空中起動試飛時，飛機起飛后飛行員一般要先按照預(yù)先規(guī)劃和設(shè)計的空中起動試飛航線進(jìn)行1～2次模擬操作演練，以熟悉操作流程、方法和飛行航線路徑，待準(zhǔn)備充分后才開始空中起動試驗。圖2為某飛機發(fā)動機空中起動試飛的操作流程，給飛行員提示了試飛的操作流程以及拉停發(fā)動機后飛機的顯示告警和操縱特性變化情況。圖中，N1為發(fā)動機低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，T4為發(fā)動機渦輪后燃?xì)鉁囟取?/p>

3.3 測試改裝和試飛監(jiān)控設(shè)計

圖2 空中起動試飛操作流程Fig.2 Implementation flowchart of the air-start flight test

為獲取試飛數(shù)據(jù)和保障試飛安全，飛機需加裝機載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(ADAS)，采集、記錄飛機的飛行參數(shù)和飛機、發(fā)動機的狀態(tài)信息，并遙測發(fā)送到地面；地面建立試飛監(jiān)控系統(tǒng)(GDAS)。試飛時GDAS實時接收并處理ADAS發(fā)送回地面的試飛數(shù)據(jù)，對飛機和發(fā)動機的相關(guān)參數(shù)與狀態(tài)信息進(jìn)行實時監(jiān)控。發(fā)動機停車后飛機電源系統(tǒng)會故障報警，飛機系統(tǒng)將轉(zhuǎn)為由機上蓄電池或應(yīng)急動力系統(tǒng)供電。為此，空中起動試飛時ADAS應(yīng)自備蓄電池，飛行員在拉停發(fā)動機前通過座艙內(nèi)的電源轉(zhuǎn)換開關(guān)將ADAS由機上電源系統(tǒng)供電轉(zhuǎn)為由自備蓄電池供電，以避免發(fā)動機停車后機上電源故障和供電轉(zhuǎn)換過程導(dǎo)致的試飛數(shù)據(jù)丟失與監(jiān)控信號中斷。

空中起動試飛時，GDAS應(yīng)重點監(jiān)控飛行的高度，速度，飛機航跡和位置，油門桿位置，點火信號，發(fā)動機低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、渦輪后燃?xì)鉁囟?，發(fā)動機燃油入口壓力，滑油壓力等是否正常。起動過程中尤其要重點關(guān)注發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和渦輪后燃?xì)鉁囟鹊淖兓?，一旦出現(xiàn)轉(zhuǎn)速冷懸掛或熱懸掛現(xiàn)象，要立即提醒飛行員采取相應(yīng)處置措施。

3.4 試飛前地面檢查和試驗

不同型號飛機和發(fā)動機根據(jù)其設(shè)計的不同，飛行前各自的地面檢查、試驗內(nèi)容不盡相同。該型飛機空中起動試飛前的地面檢查和試驗主要包括：發(fā)動機流道檢查、起動電氣系統(tǒng)檢查、點火補氧系統(tǒng)檢查，飛機應(yīng)急供電系統(tǒng)檢查、應(yīng)急電動泵檢查、應(yīng)急放起落架檢查、應(yīng)急剎車檢查，發(fā)動機地面模擬空中起動試驗等。

3.5 試飛航線和飛行剖面

為確保空中起動不成功時飛機能空滑返回機場進(jìn)行迫降，每次空中起動試飛前要根據(jù)空中起動試驗的高度、速度、轉(zhuǎn)速要求，按照飛機的空滑比計算和確定每個空中起動科目動作點(拉停和起動發(fā)動機)距機場的最佳位置，規(guī)劃和設(shè)計空中起動試飛的航線與飛行剖面(圖3)。試驗前要將計算出的空中起動動作點坐標(biāo)和規(guī)劃的航線加載到飛機上便于飛行員操作，地面監(jiān)控系統(tǒng)也將制作相應(yīng)監(jiān)控畫面在飛行時實時監(jiān)控。

3.6 空滑迫降演練設(shè)計

圖3 空中起動試飛航線和飛行剖面Fig.3 Diagram of the flight line and the flight profile for air-start

為應(yīng)對空中起動失敗后飛機被迫進(jìn)行空滑迫降的情況，空中起動試飛前需先進(jìn)行空滑迫降演練，使飛行員熟悉飛機失去動力后的操縱特性和空滑迫降的操作流程，驗證預(yù)先規(guī)劃的各次試驗的空中停車點、試飛航線、迫降航線是否準(zhǔn)確。空滑迫降演練應(yīng)包括地面飛行模擬器演練和飛行演練兩部分。飛行模擬器演練是根據(jù)以往試飛數(shù)據(jù)、飛機的升阻比和空滑比等參數(shù)在模擬器上建立空滑迫降模型，試飛員和試飛工程師根據(jù)試飛任務(wù)書內(nèi)容進(jìn)行演練；飛行演練則是嚴(yán)格按照每次空中起動預(yù)先設(shè)計的試飛航線和飛行剖面(圖3)，在空中將發(fā)動機油門收至慢車、打開飛機減速板，模擬發(fā)動機停車失去動力后如何通過空滑返回機場進(jìn)行迫降。

4 空中起動試飛試驗

某發(fā)動機試飛中，先后進(jìn)行了15次空中起動試飛，且空中起動均一次成功，充分檢查和驗證了該發(fā)動機的空中起動性能。表2給出了該發(fā)動機空中起動試飛試驗情況。試驗數(shù)據(jù)表明，飛行高度低和速度大對空中起動有利，起動時間相對較短；單發(fā)飛機超聲速起動較難實施，發(fā)動機拉停后飛機減速很快，發(fā)動機降到規(guī)定轉(zhuǎn)速時飛機已變?yōu)閬喡曀亠w行。如進(jìn)行中高空飛行高度(8.0～10.0 km)，大飛行速度(800～850 km/h)、小轉(zhuǎn)速(N2=(35±2)%)空中起動試飛，發(fā)動機在飛行高度8.1 km、飛行速度1 050 km/h時拉停，停車后飛機迅速減速，飛行員操縱飛機通過大角度俯沖直到5.9 km高度才能達(dá)到起動所需的速度要求。

表2 空中起動試飛試驗情況Table 2 Results of the air-start flight test

圖4 發(fā)動機在輔助空中起動試驗期間的參數(shù)變化Fig.4 Parameters history for the turbofan engine during the auxiliary air-start test

另外，試驗中還發(fā)現(xiàn)了飛機相關(guān)系統(tǒng)存在的問題與缺陷。如進(jìn)行高空左邊界N2=(35±2)%慣性起動試驗時，渦輪后燃?xì)鉁囟壬仙芫徛?，起動時間長達(dá)56 s，如圖4所示。經(jīng)分析，其原因是在高空發(fā)動機燃油入口壓力低導(dǎo)致起動時供油不足。為此，飛機燃油系統(tǒng)專門加設(shè)了增壓泵以提高發(fā)動機起動時的燃油入口壓力，并明確了空中起動試飛時發(fā)動機燃油入口壓力值的監(jiān)控要求。改進(jìn)后，再次進(jìn)行該狀態(tài)點的空中起動試飛驗證，起動時間縮短到30 s以內(nèi)，效果明顯。

5 結(jié)束語

介紹了基于單發(fā)飛機的渦扇發(fā)動機空中起動試飛方案設(shè)計的思路、內(nèi)容和方法，以及在某型飛機渦扇發(fā)動機空中起動試飛中的應(yīng)用與試驗情況。該發(fā)動機據(jù)此開展的15次空中起動試飛結(jié)果表明，其空中起動試飛方案內(nèi)容完整、方案合理、方法可行，可滿足單發(fā)飛機空中起動試飛的需要，能安全、穩(wěn)妥、有效地推進(jìn)發(fā)動機空中起動試飛的進(jìn)程。