渦軸發(fā)動機(jī)吞鳥試驗(yàn)方法研究

康 飛 盛 騰 許明文 朱明明

鳥撞機(jī)即鳥與高速飛行的航空器相碰撞的事件。鳥撞機(jī)是威脅航空安全的重要因素之一，自1988 年以來，鳥撞機(jī)引起的墜機(jī)事故已至少造成200 多人的死亡[1-2]。

在直升機(jī)領(lǐng)域，雖然該種航空器相對于固定翼飛機(jī)通常航速較低，但對于裝備直升機(jī)的渦軸發(fā)動機(jī)來說，鳥撞機(jī)的危害依然是致命的。因此無論國內(nèi)外民機(jī)適航取證還是軍機(jī)設(shè)計(jì)定型渦輪軸發(fā)動機(jī)的抗撞鳥性能都提出一定的要求。所以在發(fā)動機(jī)研制階段組織實(shí)施地面試車臺的發(fā)動機(jī)吞鳥試驗(yàn)科目是必需的。

1 試驗(yàn)方法及內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

發(fā)動機(jī)吞鳥試驗(yàn)工作分為三個階段：試驗(yàn)平臺的搭建、投擲裝置的調(diào)試，試驗(yàn)實(shí)施。

1.2 試驗(yàn)平臺搭建

首先需按照場地規(guī)模和試驗(yàn)要求搭建吞鳥試驗(yàn)平臺。該平臺應(yīng)至少有試驗(yàn)件臺架、投擲裝置及高速攝影裝置三個部分。該試驗(yàn)平臺布置示意如圖1 所示。試驗(yàn)平臺的布置應(yīng)能滿足以下基本要求：

a.投擲裝置布置應(yīng)能保證飛鳥投入試驗(yàn)件入口。

b.試驗(yàn)平臺應(yīng)滿足高速攝影器材測速需要。

c.試驗(yàn)平臺中各種儀器設(shè)備之間應(yīng)無相互干擾或其他安全隱患。

圖1 吞鳥試驗(yàn)平臺布置

1.3 投擲裝置調(diào)試

投擲裝置調(diào)試的主要目的是保證預(yù)想射速與實(shí)際射速相一致以確保實(shí)際試驗(yàn)中飛鳥的實(shí)際射速滿足試驗(yàn)要求。

本文所述投擲裝置為空氣炮，其基本原理是依靠壓縮空氣在炮管內(nèi)膨脹過程推動投擲物（含飛鳥）由靜止加速到預(yù)定速度繼而從炮口拋出。調(diào)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示，可見該型投擲裝置預(yù)設(shè)射速與實(shí)際射速值存在較大偏差。所以需依據(jù)該型氣體炮投射的物理原理對投射速度v 進(jìn)行擬合。

本文采用最小二乘法[3]擬合二次曲線的策略，根據(jù)空氣炮空氣壓力能與投擲物動能的線性關(guān)系構(gòu)造如下曲線式。

圖2 某空氣炮射速X 與Y 的二次曲線擬合

Y=aX2+bX+c；

X=v；

Y=K；

式中：v—射速；

P—發(fā)射初始?xì)鈮海?/p>

m—投擲物（含飛鳥）總質(zhì)量。

擬合曲線如圖2 所示。

經(jīng)擬合的二次曲線式。

由（2）、（3）式即可求得該空氣炮發(fā)射壓力P 與速度v 的對應(yīng)關(guān)系。

表1 投擲裝置射速及偏差度

1.4 試驗(yàn)實(shí)施

試驗(yàn)實(shí)施階段要點(diǎn)：

a.確保試驗(yàn)安全。

b.確保投擲物（飛鳥）的實(shí)際質(zhì)量與實(shí)際投擲速度符合試驗(yàn)要求。

試驗(yàn)方法：首先檢查各試驗(yàn)器材狀況確認(rèn)其能正常運(yùn)行，現(xiàn)場對活的飛鳥進(jìn)行現(xiàn)場宰殺并稱量其質(zhì)量，若同組多只鳥毛色接近則需對不同的飛鳥先進(jìn)行區(qū)別標(biāo)記（羽毛涂顏色）。

試驗(yàn)開始前裝填飛鳥至投擲裝置，對發(fā)動機(jī)及其他試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行檢查，一切正常后起動試驗(yàn)件至目標(biāo)狀態(tài)，透射手操作投擲裝置投送飛鳥，若發(fā)動機(jī)能繼續(xù)安全運(yùn)行則按正常流程結(jié)束試驗(yàn)。若否則操作發(fā)動機(jī)立即停車。試驗(yàn)流程見圖4 所示。

實(shí)踐表明，對投擲物（飛鳥）進(jìn)行標(biāo)記是必要的。多次試驗(yàn)結(jié)果表明投射入發(fā)動機(jī)的飛鳥90%以上均出現(xiàn)肢體不全難以辨識（如圖3 所示）的問題。

圖3 發(fā)動機(jī)流道中的殘肢

破損機(jī)理：飛鳥投擲過程中擁有極高的動量，發(fā)動機(jī)流道[4]進(jìn)口附近存在各種剛性支板及擋板。當(dāng)飛鳥瞬間撞在發(fā)動機(jī)支板或擋板處即出現(xiàn)破損現(xiàn)象，部分飛鳥殘肢高速沖進(jìn)內(nèi)流道可能被內(nèi)流道中的支板瞬間切割。

鑒于該項(xiàng)試驗(yàn)通常要求一次性投擲多只飛鳥，所以投擲前對不同飛鳥的羽毛進(jìn)行區(qū)別染色是非常必要。

實(shí)踐證明對每組拋擲物（飛鳥）挑選遵循以下優(yōu)先原則：

第1 級：宰殺前必須是活的。

第2 級：體重符合要求。

第3 級：基礎(chǔ)毛/羽色色差對比明顯。

第4 級：挑選易于染色（優(yōu)先淺色）的單只鳥。

第5 級：對同組的飛鳥毛色進(jìn)行差異化染色。

圖4 吞鳥試驗(yàn)流程

2 試驗(yàn)結(jié)果

對某投擲器拋射出口速度v 采用最小二乘法擬合二次曲線，該拋擲器在某次試驗(yàn)實(shí)踐中使用該二次曲線進(jìn)行拋射速度控制，其設(shè)置的目標(biāo)拋射速度與實(shí)際拋射速度極為接近（偏差度見表2 所示），該精度完全滿足試驗(yàn)對精度的要求。

表2 投擲速度v 及偏差度

某吞鳥試驗(yàn)中對表3 所示兩組投擲物視情采取不同處理方案，其效果令人滿意。

表3 投擲物組別

3 結(jié)論

實(shí)踐證明使用上述所述試驗(yàn)方法能夠在地面整機(jī)試驗(yàn)臺完成渦軸發(fā)動機(jī)吞鳥試驗(yàn)。渦軸發(fā)動機(jī)地面吞鳥試技術(shù)要點(diǎn)及解決方法如下：

（1）投擲物實(shí)際投擲速度應(yīng)基本符合預(yù)期，為此刻根據(jù)投擲器投擲原理選用最小二乘法擬合二次曲線的方法消除投擲器系統(tǒng)誤差。

（2）投擲物的選擇應(yīng)合理，同一組別應(yīng)選擇毛色差異較大的單只便于試驗(yàn)后對殘?bào)w進(jìn)行區(qū)分，或可使用區(qū)分度強(qiáng)的顏料對同組飛鳥毛/羽色進(jìn)行差異化染色。

（3）投擲器應(yīng)進(jìn)行多次模擬，力求可靠。

研究結(jié)果為渦軸發(fā)動機(jī)吞鳥試驗(yàn)的進(jìn)一步改進(jìn)提供支撐。