航空發(fā)動(dòng)機(jī)露天試驗(yàn)基地選址分析

徐雨生

（中國航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100120）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在露天試車臺進(jìn)行的特種試驗(yàn)任務(wù)是型號研制過程中必須開展的工作，航空發(fā)動(dòng)機(jī)露天試驗(yàn)主要是利用空曠的場地、露天大氣環(huán)境、配套專用的試驗(yàn)設(shè)施、測量設(shè)備來開展航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)。本文針對不同露天試驗(yàn)設(shè)施的工藝特點(diǎn)，總結(jié)出露天試驗(yàn)基地選址的幾大因素，為露天試驗(yàn)?zāi)芰σ?guī)劃建設(shè)提供建議。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)露天試驗(yàn)分類

1.1 基準(zhǔn)性能試驗(yàn)

基準(zhǔn)性能試驗(yàn)主要是在露天區(qū)域進(jìn)行的整機(jī)試驗(yàn)，由于周邊氣流流速為零，多用于室內(nèi)整機(jī)試車臺的推力校準(zhǔn)和性能標(biāo)定。基準(zhǔn)性能試驗(yàn)臺同時(shí)可以完成噪聲測試，主要是在發(fā)動(dòng)機(jī)全部運(yùn)轉(zhuǎn)工作狀態(tài)下，測量發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲等場強(qiáng)線圖的不連續(xù)頻率與帶寬的噪聲成分。為控制周邊噪聲，需要在試車臺進(jìn)氣道處增設(shè)導(dǎo)流裝置，典型的進(jìn)氣導(dǎo)流裝置見圖1。

圖1 安裝了整流屏的噪聲研究試車臺

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)紅外輻射測量試驗(yàn)

對于軍用飛機(jī)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的紅外特征是衡量其生存力的重要指標(biāo)，GJB 241A-2007《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》中提出了發(fā)動(dòng)機(jī)紅外輻射特征分析和測試試驗(yàn)的要求。

根據(jù)紅外輻射測量特點(diǎn)，在進(jìn)行全尺寸試驗(yàn)件臺架試車時(shí)，需要選擇具有足夠紅外輻射測量場地的露天試車臺或在機(jī)場裝飛機(jī)進(jìn)行，同時(shí)，試驗(yàn)過程對方位角也有相關(guān)要求，如圖2 所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)紅外測試試驗(yàn)方位角要求示意圖

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)吞咽試驗(yàn)

民用適航條例要求軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)須進(jìn)行特種試驗(yàn)，如抗外物損傷試驗(yàn)、包容試驗(yàn)等，具體包括吞鳥、吞冰、吞水、吞砂等。此類試驗(yàn)具有較大的破壞性和危害性，不適合在室外試驗(yàn)設(shè)施中進(jìn)行，為減少破壞后的損失，節(jié)省防護(hù)費(fèi)用等，一般在室外露天試車臺進(jìn)行。

1.4 環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)

（1）結(jié)冰試驗(yàn)。環(huán)境結(jié)冰試驗(yàn)是模擬飛機(jī)在存在過冷水滴、冰晶及雪花的大氣中飛行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件，特別是進(jìn)氣部件前緣可能發(fā)生的結(jié)冰情況。目的就是驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰情況和防冰系統(tǒng)的工作能力，驗(yàn)證防冰系統(tǒng)的可靠性。

（2）側(cè)風(fēng)試驗(yàn)。飛機(jī)在寬廣的空域和復(fù)雜的氣象條件下進(jìn)行，隨時(shí)都可能遇到與發(fā)動(dòng)機(jī)中心線成各種夾角的風(fēng)切變的影響，特別是強(qiáng)側(cè)風(fēng)可能會造成發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流場畸變，從而造成壓氣機(jī)工作不穩(wěn)定。側(cè)風(fēng)試驗(yàn)一般是利用人造風(fēng)源（最大風(fēng)速可達(dá)31m/s）進(jìn)行逆風(fēng)、側(cè)風(fēng)和順風(fēng)試驗(yàn)，測量各種風(fēng)向?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。

1.5 航空發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)試驗(yàn)

GJB241A-2010 規(guī)定發(fā)動(dòng)機(jī)能在飛機(jī)飛行的各種姿態(tài)下工作，諸如起飛、爬升、倒飛、空戰(zhàn)機(jī)動(dòng)、加油、地形跟蹤。對于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，這些工作狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間是一項(xiàng)重要的考慮。姿態(tài)試車臺是為了實(shí)現(xiàn)小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)試驗(yàn)以及常規(guī)試驗(yàn)而設(shè)計(jì)的露天試車臺，其主要功能為模擬發(fā)動(dòng)機(jī)俯仰、橫滾姿態(tài)動(dòng)作并承受發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)推力。

1.6 航空發(fā)動(dòng)機(jī)陀螺試驗(yàn)

根據(jù)陀螺原理，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子在隨飛機(jī)作公轉(zhuǎn)的過程中會產(chǎn)生較大的陀螺力矩，該陀螺力矩通過軸承、軸承座、承力機(jī)匣、安裝節(jié)最終傳至飛機(jī)上。美國空軍研究表明：由于飛機(jī)3.5rad/s 的轉(zhuǎn)彎，軸承載荷可增加15倍，作用在轉(zhuǎn)子單個(gè)葉片上的力可為相應(yīng)氣動(dòng)力的3 倍。為驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)在承受陀螺力矩時(shí)的工作能力，規(guī)范要求進(jìn)行陀螺試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)陀螺試驗(yàn)要求場地較大、工作條件復(fù)雜并存在一定的安全問題，只能在露天條件下進(jìn)行試驗(yàn)。

2 露天試驗(yàn)基地選址分析

根據(jù)露天試驗(yàn)設(shè)備的工藝特點(diǎn)和試驗(yàn)要求，經(jīng)過整理，露天試驗(yàn)區(qū)的選址需要注意以下幾點(diǎn)。

2.1 選址地區(qū)遠(yuǎn)離辦公區(qū)、居住區(qū)

為了使發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)更接近于真實(shí)工作狀態(tài)，露天試驗(yàn)臺設(shè)施無法增加隔聲降噪措施，露天試驗(yàn)的噪聲最大可超過140dB（A），因此，建議露天試驗(yàn)臺建在遠(yuǎn)離辦公區(qū)和居住人口較少的城市遠(yuǎn)郊區(qū)或空礦山區(qū)。國內(nèi)早年建成的上海航空發(fā)動(dòng)機(jī)露天試車臺和西安266 號露天試車臺，就因?yàn)樵胍魡栴}無法投入正常使用。建議規(guī)劃場界周圍約3 公里范圍內(nèi)作為噪聲影響區(qū)，可以耕種，但不能有人居住。

2.2 選址地區(qū)建設(shè)場地空曠

露天特種試驗(yàn)設(shè)備種類不一，但共同特征是對周邊場地要求較大。噪聲試驗(yàn)需要周邊空曠以不影響噪聲測量，紅外試驗(yàn)考慮噴口安全距離和周邊紅外干擾等因素也需要較為空曠的場地，吞咽試驗(yàn)、陀螺試驗(yàn)等則是涉及安全問題周邊一定距離不宜設(shè)置建構(gòu)筑物和人員集中區(qū)域。

2.3 露天試驗(yàn)設(shè)施間距較大

除了選址場地空曠、占地面積大外，露天試驗(yàn)基地的選址還要考慮各露天試驗(yàn)設(shè)施特點(diǎn)、氣流影響、噪聲影響、人員安全等因素。

（1）氣流影響區(qū)域。露天試車臺占地與室內(nèi)車臺不同，不能僅僅考慮臺架本身及附屬設(shè)施占地的情況，還要考慮臺架周邊的氣流影響區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)不能建設(shè)其他臺架，否則，進(jìn)排氣會相互影響。根據(jù)相關(guān)資料，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣前方應(yīng)保持50m、90°扇形區(qū)作為安全空間，排氣部分應(yīng)保持200m、45°扇形區(qū)域作為安全區(qū)域。主要依據(jù)主要考慮溫度和氣流速度的影響，在200m左右的距離溫度基本可以降低到300K，流速基本控制在10m/s 左右。

（2）噪聲測量需求。進(jìn)行噪聲測量的試車臺（渦扇和渦槳基準(zhǔn)性能試車臺）在周圍75m 距離內(nèi)不應(yīng)存在任何地面建筑，周圍150 ～200m 不應(yīng)存在較高建筑，地勢平坦，以防止噪聲反射。

（3）紅外輻射測量試驗(yàn)臺。用于紅外輻射測量試驗(yàn)的測量噴管具有最高不低于2150K 的熱射流，在確保人員和設(shè)備安全的前提下，需要較長距離才能測試0°方向的紅外輻射（對紅外輻射這是最重要的方向）。紅外測試儀器受測試鏡頭攝入角度的限制，進(jìn)入紅外測試儀器的目標(biāo)尺寸隨測試距離的增加而變大。如噴口射流長度為20m，測試距離需要60m。

（4）試車安全間距。以陀螺試車臺為例，由于其本身處于旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，必須保證其周圍的安全空間，因此，將陀螺試車臺置于一個(gè)相對孤立的區(qū)域，根據(jù)計(jì)算分析，建議確定500m 半徑以內(nèi)作為控制區(qū)域，不得建設(shè)其他建構(gòu)筑物。

2.4 選址地區(qū)海拔高度不宜過高

研究表明，當(dāng)環(huán)境壓力在70kPa 以上或海拔高度在3km 以下時(shí)，環(huán)境壓力對發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車臺試驗(yàn)換算結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)，其試驗(yàn)得到的發(fā)動(dòng)機(jī)換算性能與在標(biāo)準(zhǔn)大氣海平面靜止條件下得到的發(fā)動(dòng)機(jī)性能是一致的。

2.5 選址地區(qū)風(fēng)向穩(wěn)定、風(fēng)速較低

露天基準(zhǔn)試車臺對氣動(dòng)性能的具體要求為：校準(zhǔn)試車時(shí)，迎面風(fēng)速不大于2.5m/s，側(cè)向風(fēng)速不大于2.2m/s，必要時(shí)，可以使用擋風(fēng)屏降速。因此，在露天試驗(yàn)區(qū)選址時(shí)，需要選擇風(fēng)向穩(wěn)定且風(fēng)速較低區(qū)域。建議選址環(huán)境風(fēng)向要基本固定，且風(fēng)速不高，一般不大于2.5m/s；大氣溫度應(yīng)接近15℃為宜。

2.6 選址地區(qū)交通便利、能源充足

露天試車臺區(qū)建在淡水資源、電力資源充足的地區(qū)，這樣才能保證試車臺設(shè)施和配套氣源、風(fēng)力裝置等設(shè)施的正常使用。露天試車臺區(qū)建在交通便利、通訊發(fā)達(dá)地區(qū)，這樣有利于物資的運(yùn)輸和對外的溝通聯(lián)系。

2.7 遠(yuǎn)離污染區(qū)、強(qiáng)磁場、強(qiáng)振動(dòng)區(qū)域

為避免對發(fā)動(dòng)機(jī)造成不必要的危害，同時(shí)，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)，建議露天試驗(yàn)臺建在遠(yuǎn)離煙塵、粉塵、沙塵暴頻繁發(fā)生區(qū)域以及存在有害污染源地區(qū)，應(yīng)遠(yuǎn)離對發(fā)動(dòng)機(jī)或試驗(yàn)設(shè)備腐蝕較嚴(yán)重的環(huán)境，以進(jìn)一步提升露天試驗(yàn)設(shè)備的利用率和使用壽命。同時(shí)，露天試車臺區(qū)周圍應(yīng)無強(qiáng)磁場和振動(dòng)源，以免影響試車臺的正常使用和試驗(yàn)測試精度。

3 國外露天試驗(yàn)基地建設(shè)情況

美、英、法、俄等國的發(fā)動(dòng)機(jī)公司均有其用于發(fā)動(dòng)機(jī)研制的露天試車臺，基本情況見表1。

表1 國內(nèi)外主要航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制機(jī)構(gòu)露天試車臺概況

3.1 GE 公司皮勃爾斯試驗(yàn)區(qū)

美國通用電氣公司航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)，有兩個(gè)露天試驗(yàn)區(qū)，分別是皮勃爾斯試驗(yàn)區(qū)和愛德華茲空軍基地試驗(yàn)中心。試驗(yàn)區(qū)共有13 座試車臺，其中9 座室外試車臺，4 座為室內(nèi)試車臺，試驗(yàn)區(qū)還有2 個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配車間。

3.2 PW 公司西棕櫚灘（West PalmBeach）試驗(yàn)區(qū)

美國普拉特·惠特尼（PW）公司也有兩個(gè)露天試驗(yàn)區(qū)，分別在佛羅里達(dá)州西棕櫚海灘和康涅狄克州哈特福德市。西棕櫚灘試驗(yàn)區(qū)位于佛羅里達(dá)州西側(cè)的沼澤區(qū)，試驗(yàn)區(qū)面積約7000 英畝。1952 年建立時(shí)，主要考慮各種試驗(yàn)噪音較大，因此試驗(yàn)區(qū)距離最近的居民區(qū)30 英里。試驗(yàn)區(qū)包括西科斯基直升機(jī)試驗(yàn)中心、航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺等。

3.3 美國海軍推進(jìn)中心

美國海軍推進(jìn)中心的露天試驗(yàn)區(qū)位于新澤西的Lakehurst，占地21 英畝，有3 座露天試車臺，分別為陀螺試驗(yàn)臺、多功能試驗(yàn)臺和姿態(tài)試驗(yàn)臺，用于發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、耐久性、陀螺和姿態(tài)等試驗(yàn)以及紅外、噪聲、排煙等測量。

3.4 RR 公司的露天試車臺

RR 公司曾經(jīng)在英國達(dá)比（Derby）東北約32km 處建設(shè)了4 座航空發(fā)動(dòng)機(jī)露天試車臺，主要承擔(dān)性能試驗(yàn)、側(cè)風(fēng)試驗(yàn)和反推力試驗(yàn)，以及噪聲測量、X 射線測量等。2009 年和2011 年，RR 公司在美國密西西比州陸續(xù)建設(shè)并投入使用了2 座大型發(fā)動(dòng)機(jī)露天試車臺。

3.5 加拿大的露天試驗(yàn)區(qū)

為充分利用自然環(huán)境，GE 公司在加拿大（溫尼伯）占地17 畝與West Canitest 共同建設(shè)充分利用自然資源能模擬各種大氣條件的發(fā)動(dòng)機(jī)露天試車臺。RR 和PW等公司合作分別在加拿大Thompson 分別建設(shè)露天試車臺，主要開展發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰試驗(yàn)。

4 結(jié)語

本文簡要介紹了航空發(fā)動(dòng)機(jī)露天試驗(yàn)的分類，并根據(jù)試驗(yàn)設(shè)施工藝特點(diǎn)總結(jié)了試驗(yàn)基地的選址原則、選址因素及建設(shè)特點(diǎn)，為后續(xù)露天試驗(yàn)園區(qū)的建設(shè)提供參考。