基于首飛任務(wù)科目的初始飛行前持久試車載荷譜設(shè)計(jì)

陳偉博 姜繁生 于明

摘要：本文介紹了一種基于首飛科目的初始飛行前持久試車載荷譜設(shè)計(jì)方法，包括首飛任務(wù)科目的確定、飛行任務(wù)剖面的編制、持久試車載荷譜的編制等。本文的研究?jī)?nèi)容具有一定的工程實(shí)用性，為新研制的航空發(fā)動(dòng)機(jī)首飛前的持久試車載荷譜設(shè)計(jì)提供了方法。

Abstract： This paper introduces a design method of the endurance test load spectrum before the first flight based on the first flight subjects， including the determination of the first flight mission subjects， the compilation of the flight mission profile， the compilation of the endurance test load spectrum，etc..The research content of this paper has certain engineering practicability， which provides a method for the design of the endurance test load spectrum of the newly developed aeroengine before the first flight.

關(guān)鍵詞：首飛科目;初始飛行前;持久試車載荷譜

Key words： first flight subjects;before the first flight;endurance test load spectrum

中圖分類號(hào)：V263.1? ? ? ? ? ? ? ?; ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）24-0010-03

0? 引言

在《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》中，將航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制分為三個(gè)階段，即初始飛行前階段、設(shè)計(jì)定型階段、生產(chǎn)定型階段，每個(gè)階段均需完成相應(yīng)的考核試驗(yàn)才能進(jìn)入下一研制階段。在各階段的考核試驗(yàn)中，持久試車是最為重要且難度最大的整機(jī)試驗(yàn)，是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能保持、結(jié)構(gòu)完整性、強(qiáng)度壽命的全面考核，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)鑒定具有重要意義。[1-4]

在發(fā)動(dòng)機(jī)初始飛行前持久試車技術(shù)要求中，《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》規(guī)定了試車載荷譜的制定應(yīng)與飛行任務(wù)有關(guān)，即試車載荷譜的載荷要求需滿足飛行任務(wù)剖面的載荷要求。試車載荷譜的普遍制定方法為收集發(fā)動(dòng)機(jī)外場(chǎng)飛行參數(shù)，從中選取出典型任務(wù)剖面，根據(jù)典型任務(wù)剖面確定出持久試車載荷譜。這種方法對(duì)于改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)或衍生型發(fā)動(dòng)機(jī)而言，通?？梢詤⒄沾罅康幕鶞?zhǔn)型發(fā)動(dòng)機(jī)飛參數(shù)據(jù)制定飛行任務(wù)剖面，對(duì)于全新研制的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，發(fā)動(dòng)機(jī)性能、用途差異較大，無(wú)法沿用其它型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)飛行參數(shù)，故有必要開(kāi)展相關(guān)研究，使初始飛行前的持久試車載荷譜既能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)考核要求，又不超出首飛所需的強(qiáng)度、壽命等要求，以便發(fā)動(dòng)機(jī)可以順利進(jìn)入下一階段的研制。

1? 持久試車載荷譜設(shè)計(jì)流程

針對(duì)全新研制的航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，本文介紹一種通過(guò)確定發(fā)動(dòng)機(jī)首飛任務(wù)科目，結(jié)合飛發(fā)協(xié)調(diào)計(jì)算等結(jié)果制定首飛任務(wù)剖面，最終根據(jù)飛行任務(wù)剖面確定持久試車載荷譜的方法。具體設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖1。

具體設(shè)計(jì)流程說(shuō)明如下：

①確定首飛任務(wù)科目：首飛任務(wù)科目是飛行任務(wù)剖面的基礎(chǔ);

②計(jì)算各任務(wù)科目完成所需的時(shí)間：根據(jù)飛發(fā)協(xié)調(diào)結(jié)果確定飛機(jī)爬升、水平加速等典型任務(wù)科目所需時(shí)間;

③設(shè)計(jì)首飛任務(wù)剖面：在首飛任務(wù)科目及所需時(shí)間確定后，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)典型工作特點(diǎn)，按照暖機(jī)、起飛、爬升、飛行至預(yù)定高度、開(kāi)展飛行任務(wù)、返航、冷機(jī)等內(nèi)容編制飛行任務(wù)剖面;

④根據(jù)飛行任務(wù)剖面，編制持久試車載荷譜。

2? 首飛任務(wù)科目的確定

首飛任務(wù)科目主要驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)研制要求中的關(guān)鍵性能指標(biāo)及主要功能，一般包含用戶所關(guān)注的大部分戰(zhàn)技指標(biāo)，通常有如下部分：

①發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)桿-轉(zhuǎn)速跟隨性：驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)推力響應(yīng)是否滿足指標(biāo)要求;

②不同高度、馬赫數(shù)條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)加減速性：驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)不同飛行包線區(qū)域內(nèi)的加減速性是否滿足指標(biāo)要求;

③消喘/防喘檢查：檢查發(fā)動(dòng)機(jī)的消喘/防喘系統(tǒng)是否可以有效投入工作，并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)至正常工作狀態(tài);

④空中風(fēng)車起動(dòng)：檢查發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后空中再起動(dòng)的能力;

⑤空中水平加速：檢查發(fā)動(dòng)機(jī)平飛加速性，是否達(dá)到指標(biāo)要求;

⑥加力通斷檢查：檢查加力通斷邊界及加力燃燒室工作穩(wěn)定性。

以上僅列出部分飛行科目，通常飛行科目由用戶方提出，與發(fā)動(dòng)機(jī)方協(xié)調(diào)確認(rèn)。

3? 主要飛發(fā)協(xié)調(diào)計(jì)算參數(shù)

確定完飛行科目后，需要確定與首飛任務(wù)科目相關(guān)的飛行時(shí)間，飛行時(shí)間的協(xié)調(diào)計(jì)算主要依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的高度-速度特性及飛機(jī)阻力特性，需要飛發(fā)雙方共同制定，主要計(jì)算內(nèi)容如下：

①發(fā)動(dòng)機(jī)爬升時(shí)間：即飛機(jī)在起飛后爬升至目標(biāo)高度所需的時(shí)間。需要根據(jù)飛行高度、馬赫數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)推力、飛機(jī)阻力，確定飛機(jī)爬升到目標(biāo)高度時(shí)所需時(shí)間，得到的爬升時(shí)間將作為每架次飛行任務(wù)剖面的設(shè)計(jì)參數(shù);

②平飛加速時(shí)間：平飛加速主要考核發(fā)動(dòng)機(jī)不同高度下飛機(jī)從初始馬赫數(shù)飛行至目標(biāo)馬赫數(shù)的加速時(shí)間，此時(shí)需要確定相應(yīng)的飛行高度、馬赫數(shù)，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)推力及飛機(jī)阻力，得到平飛加速時(shí)間;

③實(shí)用升限/爬升性能時(shí)間：即采用直接爬升法驗(yàn)證飛機(jī)的實(shí)用升限及采用平飛加速法驗(yàn)證飛機(jī)的爬升性能時(shí)間，需根據(jù)飛發(fā)協(xié)調(diào)結(jié)果計(jì)算爬升時(shí)間。

除上述需計(jì)算的相關(guān)飛行時(shí)間外，還應(yīng)根據(jù)飛發(fā)協(xié)調(diào)結(jié)果確定不同高度、馬赫數(shù)下的穩(wěn)定平飛考核時(shí)間、等表速下滑時(shí)間、各項(xiàng)功能檢查所需的時(shí)間等。

4? 首飛任務(wù)剖面的確定

在確定完首飛任務(wù)科目、相關(guān)飛行時(shí)間之后，可結(jié)合飛行架次安排每一次飛行所需完成的飛行科目，進(jìn)行飛行任務(wù)剖面的編制。飛行任務(wù)剖面通常由發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)、滑行、起飛、爬升、穩(wěn)定平飛、發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)功能檢查、性能驗(yàn)證等任務(wù)科目，通常在發(fā)動(dòng)機(jī)首飛階段試驗(yàn)科目較多，每架次飛行任務(wù)剖面均會(huì)有所不同。部分飛行任務(wù)剖面的制定如圖2～圖5所示。

圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)檢查及加減速檢查飛行任務(wù)剖面，在完成暖機(jī)、起飛、爬升后，在規(guī)定的高度、馬赫數(shù)下開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速工作穩(wěn)定性檢查，之后進(jìn)行加減速檢查，完成后將在其它要求的高度、馬赫數(shù)條件下再次進(jìn)行穩(wěn)態(tài)檢查及加減速檢查。

圖3為發(fā)動(dòng)機(jī)加減速檢查及加力通斷檢查飛行任務(wù)剖面，加力通斷通常包含慢車-全加力、中間-小加力、中間-全加力、小加力-全加力等科目的檢查。

圖4為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)用升限檢查等科目飛行任務(wù)剖面，飛機(jī)起飛至規(guī)定高度后，即以規(guī)定的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)、馬赫數(shù)進(jìn)行爬升。

圖5為發(fā)動(dòng)機(jī)平飛加速等科目飛行任務(wù)剖面，飛機(jī)起飛至規(guī)定高度后，即以規(guī)定的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)飛行至包線右邊界。

5? 持久試車載荷譜設(shè)計(jì)

5.1 設(shè)計(jì)原則

在持久試車載荷譜的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)大狀態(tài)（中間及以上）工作時(shí)間、低循環(huán)疲勞次數(shù)、加力點(diǎn)火次數(shù)（帶加力燃燒室的航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)）等。

發(fā)動(dòng)機(jī)低循環(huán)疲勞次數(shù)通常以三循環(huán)方式進(jìn)行編制，即Ⅰ類循環(huán)（停車-最大/中間-停車）、Ⅱ類循環(huán)（慢車-最大/中間-慢車）、Ⅲ類循環(huán)（巡航-最大/中間-巡航），在發(fā)動(dòng)機(jī)載荷統(tǒng)計(jì)時(shí)，通常利用雨流計(jì)數(shù)法得到所有循環(huán)，并將Ⅱ類循環(huán)、Ⅲ類循環(huán)換算為Ⅰ類循環(huán)，得到總累積循環(huán)數(shù)。

發(fā)動(dòng)機(jī)的疲勞損傷通常以總累積循環(huán)數(shù)和大狀態(tài)工作時(shí)間表征，在持久試車載荷譜設(shè)計(jì)過(guò)程中，總累積循環(huán)數(shù)、大狀態(tài)工作時(shí)間和加力點(diǎn)火次數(shù)（帶加力燃燒室的航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)）需不低于飛行任務(wù)剖面統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

5.2 持久試車載荷譜設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)持久試車載荷譜的設(shè)計(jì)方法較多，有系統(tǒng)聚類法、主成分聚類法、模糊聚類法等[5-15]，這些方法普遍適用于外場(chǎng)飛行架次較多、飛行剖面復(fù)雜多變的情況，且需要選取典型任務(wù)剖面進(jìn)行分析?？紤]到飛發(fā)協(xié)調(diào)計(jì)算得到的飛行任務(wù)剖面每架次飛行科目均不相同，本文根據(jù)通用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)載荷譜的編制方法進(jìn)行持久試車載荷譜設(shè)計(jì)，具體步驟如下：

①統(tǒng)計(jì)所有載荷循環(huán)：對(duì)首飛任務(wù)剖面的所有載荷循環(huán)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，包括Ⅰ類循環(huán)、Ⅱ類循環(huán)、Ⅲ類循環(huán);

②生成任務(wù)剖面載荷參數(shù)序列：由以上統(tǒng)計(jì)的循環(huán)數(shù)，根據(jù)飛行總架次及飛行總時(shí)間，生成發(fā)動(dòng)機(jī)各飛行任務(wù)在一定時(shí)間內(nèi)的任務(wù)混頻，得到每一次試車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速狀態(tài)及Ⅱ類循環(huán)、Ⅲ類循環(huán)次數(shù);

③分段統(tǒng)計(jì)各轉(zhuǎn)速狀態(tài)保持時(shí)間：將劃分好的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍根據(jù)飛行任務(wù)剖面分配各載荷狀態(tài)時(shí)間，包括大狀態(tài)時(shí)間、巡航時(shí)間、慢車時(shí)間;

④編制持久試車載荷譜：在得到上述參數(shù)后，根據(jù)試驗(yàn)循環(huán)數(shù)、各轉(zhuǎn)速狀態(tài)工作時(shí)間、生成持久試車載荷譜。

若不同架次首飛任務(wù)剖面的總時(shí)間及低循環(huán)疲勞次數(shù)差異較大，為保證考核充分，生成的試車載荷譜通常需要兩個(gè)以上。以上述協(xié)調(diào)計(jì)算產(chǎn)生的飛行任務(wù)剖面為例，生成的持久試車載荷譜見(jiàn)圖6～圖7所示。

6? 結(jié)論

通過(guò)本文的研究，得到以下結(jié)論：

①對(duì)于新研制的航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，若無(wú)法參考其它發(fā)動(dòng)機(jī)的外場(chǎng)飛行參數(shù)，可通過(guò)飛發(fā)協(xié)調(diào)計(jì)算得到首飛任務(wù)剖面，以此作為初始飛行前持久試車載荷譜的設(shè)計(jì)輸入。

②根據(jù)任務(wù)混頻等設(shè)計(jì)方法，在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)飛行任務(wù)剖面載荷要求的條件下，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的低疲勞循環(huán)次數(shù)、各轉(zhuǎn)速段工作時(shí)間可得出用于試驗(yàn)考核的持久試車載荷譜。

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