媒体:中国航空发动机已井喷 就差高空模拟技术

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导读:由于航空发动机技术的复杂性和研制的高风险性以及使用要求的高可靠性,特别是工作范围的不断扩大和设计指标的日益提高,使得航空发动机发展的每一个环节都离不开广泛而深入的试验研究与试验,尤其是高空模拟试验。据统计,一种新型发动机研制一般需要10万小时左右的零部件试验、4万小时左右的材料试验、1万小时左右的整机地面台试验和2000小时以上的高空模拟试验。如F119发动机的验证机,从1985~1998年在高空台上完成了3500小时的高空模拟试验;在F404基础上衍生改进的F414发动机,累计完成了2.05万

由于航空发动机技术的复杂性和研制的高风险性以及使用要求的高可靠性,特别是工作范围的不断扩大和设计指标的日益提高,使得航空发动机发展的每一个环节都离不开广泛而深入的试验研究与试验,尤其是高空模拟试验。据统计,一种新型发动机研制一般需要10万小时左右的零部件试验、4万小时左右的材料试验、1万小时左右的整机地面台试验和2000小时以上的高空模拟试验。如F119发动机的验证机,从1985~1998年在高空台上完成了3500小时的高空模拟试验;在F404基础上衍生改进的F414发动机,累计完成了2.05万小时的台架试车与飞行试验,其中高空台试验约2000小时。

高空模拟试验,就是在地面上能够模拟航空发动机高空工作环境和使用工况条件并获取其工作性能/特性的高空台上进行的发动机试验。因高空台特有的发动机工作条件真、模拟范围宽、测试能力强、试验效率高、风险易控和重复性好等突出优势,使得高空模拟试验是自主研制先进航空发动机和推进系统不可或缺的最有效的试验手段。事实上,高空台和高空模拟试验是唯一能够在发动机研制过程中实现其全工作包线范围内性能/特性摸索与考核的唯一手段,是发动机研制过程中最有效的性能调试和技术攻关手段;是先进航空发动部分关键部件研制的重要手段。

高空模拟试验技术研究的主要内容

高空模拟试验技术是提高试验效率和准确获知发动机空中工作性能/特性的核心和关键,试验技术研究首先就要确保高空工作环境条件模拟的不失真、发动机工作信息和参数测试的准确性、发动机工作性能/特性确定与评估的正确度,同时还要研究新型动力高空模拟的关键试验技术。

其中,航空发动机高空工作环境模拟技术研究,主要包括:发动机空中工作的进、排气压力与温度环境模拟技术;发动机空中起动与地面特殊环境起动环境模拟技术;空中工作条件下的发动机进/发匹配特性模拟技术;智能化控制与虚拟试验技术。

高空模拟试验测试计量技术主要包括:推力/功率测量与校准技术;燃油流量测量与校准技术;空气流量测量与校准技术;动温/动压测量与校准技术;特种测试与传感技术。

航空发动机高空性能/特性的确定与评定技术主要包括:发动机高空性能/功能的试验确定与评定技术;发动机高空强度与振动特性的试验确定与评定技术;使用环境对发动机性能/特性的影响分析与评定技术;发动机地面台-高空台-飞行台试验结果相关性研究。

新型动力高空模拟的关键试验技术研究主要包括:变循环发动机高空模拟的关键试验技术;涡轮冲压组合动力(TBCC)高空模拟的关键试验技术;新型动力高空模拟试验基础保障条件建设与调试技术研究。

国内外高空模拟试验技术的发展趋势

1.国外发展趋势

高空台建设和高空模拟技术研究基本上可分为五个阶段。

第一阶段是诞生期,从上世纪40年代初到50年代中期。该阶段主要因为涡喷发动机诞生并使飞机突破声障后,喷气发动机研制要求在模拟空中飞行条件下进行试验,因此航空发动机高空模拟试验设备应运而生。本阶段高空模拟主要针对第一代喷气发动机和发动机的空中(稳态)性能。

第二阶段是成长期或迅发期,从50年代中期到60年代中期。该阶段主要因为飞机飞行范围迅速扩大和喷气发动机快速发展,发动机研发要求试验全包线范围内的工作性能,因而高空模拟设施得到蓬勃发展。本阶段高空模拟主要针对第二代喷气发动机和发动机的空中性能/功能,如美、俄、英、法等国在该阶段建设了大量的高空台。其中美国建设了7个高空模拟试验基地16个高空舱,英国建设了3个基地7个舱,俄罗斯(前苏联)建设了两个基地5个舱。

第三阶段是成熟期,从60年代中期到70年代末。该阶段主要因为飞机战技性能提高使发动机的进/发相容性问题突出,要求全包线范围内发动机性能/功能试验的同时,还要对发动机的进/发相容性进行验证与评估,因而自由射流高空模拟设施得到较大发展,同时高空模拟在发动机研制中的重要地位也自然确立。该阶段主要针对第三代喷气发动机和发动机的空中性能、功能与适用性,如美、英分别建设了推进风洞、自由射流试验舱,俄也在原有基础上扩充了自由射流试验功能。我国在该阶段立项建设连续气源航空发动机高空模拟试验基地,处于建建停停的特殊历史阶段。

第四阶段是完备期,从70年代末到90年代中期。该阶段主要因为大涵道比涡扇发动机的发展和战斗机战技指标的进一步提升,使已有高空模拟能力不能满足发动机的高空试验需要,同时充分认识到没有功能完备的高空台和先进的高空模拟技术,就不可能研制出先进的高性能航空发动机,因而出现了巨型高空台。美国在高空模拟绝对占优条件下,及时投巨资兴建了直径8.5米、气源功率约450兆瓦的高空台并开展了相应的高空模拟技术研究。本阶段主要针对第四代喷气发动机和大涵道比涡扇发动机的空中性能、功能与适用性、耐久性等,同时也广泛开展了数字化技术研究。我国在该阶段完成了高空模拟试验基地建设,并投入使用。

第五阶段是集成期或智能期,从90年代初期开始。一方面飞机战技指标持续提升,另一方面新概念发动机与飞行器不断涌现,使高空模拟试验的成本和风险不断攀升。因此,一个国家的高空模拟试验基地呈现资源整合与优势集成的发展势头,同时智能化高空模拟试验技术研究也得到开展和应用,如美国基本上由阿诺德工程发展中心整合和集成他的航空发动机高空模拟资源。值得关注的是,本阶段亚洲邻国日本、韩国、印度也随其经济实力增长和发动机研制水平提升大力开展高空台的建设和高空模拟技术研究。我国在该阶段具备了涡轴发动机高空模拟的试验能力。

2.国内发展趋势

我国高空台建设和高空模拟研究大致可分为三个阶段。

第一阶段是建设期,从1965年到1997年。该阶段主要是高空台的建设调试和涡喷发动机高空模拟试验技术研究,其标志是1995年高空台竣工和1997年成立航空发动机高空模拟重点实验室。本阶段高空模拟主要针对涡喷发动机和发动机的空中性能/功能,建立了涡喷发动机高空模拟试验规范,完成了测仿发动机的高空模拟任务。

第二阶段是成长期,从1997年到2005年。该阶段主要是高空台能力适应性扩充和大流量涡扇发动机高空模拟试验技术研究,其标志是高空模拟试验对象从涡喷拓展到涡扇并进一步拓展到涡轴、涡桨(不带桨叶)发动机,试验范围涵盖航空发动机研制中的技术攻关和设计定型高空模拟试验,同时充分认识到高空模拟在自主研制航空发动机中的不可或缺性和重要性。本阶段高空模拟主要针对涡喷、涡扇、涡轴、涡桨发动机的空中性能/功能,完成了型号发动机研制中空中性能摸索与设计定型的高空模拟任务。

第三阶段是机遇期,从2005年开始至今。该阶段高空模拟研究与发展的机遇,主要基于两个方面,一是“5·12”汶川大地震后的航空发动机高空模拟试验研究基地异地新建的国家战略决策,二是当前航空发动机的历史发展机遇,尤其是航空发动机与燃气轮机重大科技发展专项的启动和实施,对高空模拟设备能力与试验技术需求呈井喷式增长。其标志是绵阳新基地的建设和高空模拟技术向自动化、智能化研究方向发展。本阶段高空模拟试验仍然以发动机性能/功能试验为主,但适应性与耐久性试验以及自动化、智能化试验技术研究也在如火如荼展开。

我国高空模拟试验技术的发展对策

1.当前存在问题

技术创新能力和基础技术研究水平与当前高空模拟需求不相适应,是当前我国高空模拟技术发展中的主要问题。首先,多年来我国发动机研发一直由测仿和引进主导,测仿与低水平引进对高空模拟试验的需求相对不高。其次,多年来我国发动机研发重型号轻预研与经费投入不足,致使我国高空模拟技术创新和基础技术研究的投入长期匮乏,甚至空白。再者,我国航空发动机在本世纪以来呈井喷式发展,对高空模拟的设备能力和试验技术提出了新要求。从而,使得现有的基础创新能力与技术基础研究与当前发动机迅速发展态势对高空模拟剧增的需求不相适应。

过渡阶段高空模拟硬件能力下降与任务需求增加的突出供需矛盾。高空台设备从建成至投入使用已三四十年工作了,受基础设备老化以及汶川大地震损坏的双重影响,设备性能下降,随着我国近代航空发动机科研技术的迅猛发展,高空模拟试验的发动机数量增加,试验内容和科目增加,因此在新的试验基地建成投运前的过渡阶段,高空模拟硬件能力下降与任务需求增加就成为当前存在的突出供需矛盾。

2.发展机遇

尽管高空模拟研究存在问题,但也有前所未有的发展机遇。首先,是国内航空业界普遍认识到并重视了高空模拟在发动机研制中不可或缺的重要作用。目前,不仅新研制发动机和重大改进改型发动机要在高空台进行试验与试验研究,而且发动机性能调试与故障排除中主动要求进行高空模拟试验,还有在发动机探索和概念研究阶段也重视和积极寻求高空模拟试验研究。其次,当前的国内航空发动机发展形势为高空模拟带来了严峻挑战与发展动力。随着国际军事形势越来越复杂,飞机尤其是军用飞机的作用越来越重要,我国国防在军用飞机的投入力度加大,国内飞机发动机的研制进度逐渐提上日程,航空发动机迎来前所未有机遇的同时,就对高空模拟能力尤其是为高空模拟技术研究和发展带来了严峻挑战与强劲发展动力。最后,“5·12”汶川地震后异地重建高空模拟基地为高空模拟跨越发展提供了新机遇。既然是异地建设,在设备规划与研究平台方面就不受现有基地条件的约束,可以充分利用多年高空模拟使用维护与技术研究的经验成果,可以利用当前发动机高空模拟需求的信息资源,这就为我国高空模拟的跨越发展创造了新的机遇。

侯敏杰,博士,研究员,中航工业集团公司首席技术专家,现任中国燃气涡轮研究院副院长,从事航空动力装置设计与试验技术。

刘志友,博士,研究员,现任中国燃气涡轮研究院副总工程师,从事航空发动机高空模拟试验研究与高空模拟试车台建设规划。

彭生红,硕士,高级工程师,在中国燃气涡轮研究院从事航空发动机高空模拟试验技术与气动稳定性研究。

3.发展思考

(一)有的放矢,强化高空模拟关键技术研究

针对国内发动机研发对高空模拟能力与技术的需求和我国高空模拟技术与世界同类先进技术之间的差距,有的放矢,加大高空模拟关键技术和前瞻技术的研究。主要有:航空发动机工作过程动态模拟和实时模拟的飞行环境模拟技术研究;虚拟化、数字化试验测试技术;网络化与智能化试验测试技术;实时与瞬态试验测试技术;特种试验测试技术研究;加速任务试验测试技术;试验测试数据库技术加大。

(二)践行技术创新理论与方法,提升基础技术研究和技术创新能力

航空发动机高空模拟是国防科技领域的核心技术,美国等西方发达国家一直对我国进行严密的技术封锁,就是先进的测试设备也一直未对我国高空模拟试验领域开放。可见,高空模拟技术既换不来,也买不到,必须走自主创新的发展道路。

(三)做好总体策划与风险管理,保证过渡阶段的发动机高空模拟条件

21世纪初期以来,随着现代航空科研技术的不断发展,现代高性能的航空发动机研制都大量采用新概念、新技术、新材料和新工艺,为此,除必要的研究、设计工作外,必须进行大量的试验进行验证。因此,为充分发挥高空台资源价值和尽可能保证当前的高空模拟任务,须将所有高空模拟试验任务纳入统一的大计划中,做好总体策划与风险管理,实施动态管理和调控。

(四)加强知识管理与人才培养,全面提升发动机高空模拟的综合能力

当前是科技与信息的时代,同行业单位间的技术能力差距很大程度上取决于知识管理水平的差距,竞争优势很大程度上取决于高素质人才优势。在知识经济时代,占主导地位的资源和生产要素已不是资本和一般劳动力,而是知识和信息,是拥有知识和才能的知识劳动者。据统计,许多有实力的公司、企业,其有形资产和无形资产的比例都达到1∶2或者说1∶3。因此要提升我国发动机高空模拟的综合实力,必须加强知识管理和人才培养工作,尤其是高素质和领军高空模拟试验人才的培养工作。

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