來源-兩機(jī)動力控制
導(dǎo)讀：
一型航空發(fā)動機(jī)在正式定型之前，要經(jīng)歷大大小小、從地面到空中各種種類繁多的試驗，試驗累計時間長達(dá)幾萬小時，試驗周期長達(dá)幾年乃至十年左右。經(jīng)歷了各種磨礪之后，一型發(fā)動機(jī)才能作為一顆強(qiáng)勁而可靠的“心”推動飛機(jī)翱翔藍(lán)天。那么，航空發(fā)動機(jī)的試驗都有哪些項目呢，具體又是如何進(jìn)行的呢？為了了解清楚以上問題，本刊特邀請了著名航空發(fā)動機(jī)專家劉大響院士為我們娓娓道來。
試驗的重要性
記者（以下簡稱記）：劉院士您好，我們了解到，一型航空發(fā)動機(jī)在投入正式使用之前要做各種試驗，而且試驗項目很多，試驗時間很長。為什么航空發(fā)動機(jī)要做如此多、如此長的試驗?zāi)兀?/span>
劉大響院士（以下簡稱劉）：航空發(fā)動機(jī)是推動飛機(jī)飛行的動力，與地面、水面運(yùn)輸工具的動力裝置不同，地面、水面運(yùn)輸工具動力裝置出現(xiàn)問題時，可以停車或者停泊排除故障，而航空發(fā)動機(jī)其“工作崗位”是在數(shù)千上萬米的空中。發(fā)動機(jī)一旦在空中出現(xiàn)問題，飛機(jī)將失去動力，就無法保持飛行高度和速度，輕則導(dǎo)致飛機(jī)無法完成任務(wù)，重則會造成機(jī)毀人亡的重大事故。同時，與其他機(jī)械裝置相比，發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，零件數(shù)目達(dá)數(shù)萬個，不僅如此，發(fā)動機(jī)主要零部件的工作環(huán)境十分惡劣，常常處于高溫（最高可接近2000攝氏度)、高壓（幾十個大氣壓）和高速轉(zhuǎn)動（轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘幾萬轉(zhuǎn)）的工作狀態(tài)，任何一個零件出現(xiàn)問題，都可能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)停車或破壞，并引發(fā)災(zāi)難性后果。因此，在任何一臺航空發(fā)動機(jī)正式投入使用（服役）前，必須通過各種試驗對其性能、功能、強(qiáng)度以及可靠性有充分的認(rèn)識和了解，以便安全、有效、合理地使用。
另一方面，由于航空發(fā)動機(jī)的研制和發(fā)展是一項涉及空氣動力學(xué)、工程熱物理、傳熱傳質(zhì)、機(jī)械、強(qiáng)度、傳動、密封、電子、自動控制等多學(xué)科的復(fù)雜的綜合性系統(tǒng)工程，航空發(fā)動機(jī)內(nèi)部的氣動、熱力和結(jié)構(gòu)材料特性又是非常復(fù)雜，以至于到目前為止，仍然不能夠從理論上給予詳盡而準(zhǔn)確的描述，只有依靠實際發(fā)動機(jī)的試驗來獲得。通過試驗，可以驗證設(shè)計的合理性、擴(kuò)展已有的經(jīng)驗，并有可能促進(jìn)對物理機(jī)理的進(jìn)一步認(rèn)識。此外，航空發(fā)動機(jī)設(shè)計能力的提高也主要依靠試驗數(shù)據(jù)的不斷擴(kuò)大和完善、對已有經(jīng)驗的擴(kuò)展以及理論分析的完善。近百年來國內(nèi)外研制航空發(fā)動機(jī)的實踐證明，新型航空發(fā)動機(jī)的誕生，發(fā)動機(jī)的改進(jìn)、改型都離不開試驗。航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展史就是一個設(shè)計、制造、試驗、修改、再制造、再試驗…，一個不斷摸索和反復(fù)完善的過程。甚至有人說發(fā)動機(jī)主要是靠試出來的。由此可見，試驗在航空發(fā)動機(jī)研制過程中起著舉足輕重的作用。
記：發(fā)動機(jī)的試驗是如此重要，這種重要性在試驗中是如何體現(xiàn)出來的呢？
劉：新型航空發(fā)動機(jī)研制強(qiáng)調(diào)走一步試驗一步，從部件到整機(jī)要通過設(shè)計—試制—試驗的幾個循環(huán)才能達(dá)到實用階段，甚至投入使用后仍在試驗。以使設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)充分暴露，并予以改進(jìn)。早在二十世紀(jì)七十年二.在英國一種新型發(fā)動機(jī)被批準(zhǔn)定型投入使用前建造了20臺進(jìn)行試驗，地面運(yùn)轉(zhuǎn)了一萬余小時，飛行兩千多小時。某型發(fā)動機(jī)的研制費(fèi)用中，設(shè)計占10%，制造占40%，而試驗要占50%。
由于重視研究試瞼，航空技術(shù)發(fā)展就有堅實的科學(xué)基礎(chǔ)，同時也保證了產(chǎn)品安全可靠。在美、英、俄三國軍用發(fā)動機(jī)的研制中，用于地面試驗和飛行試驗的發(fā)動機(jī)最少需要51臺，多則114臺才能最后定型。發(fā)動機(jī)地面試驗要上萬小時，最高達(dá)16000小時以上，飛行試驗需5000小時以上。
再如，二十世紀(jì)七十年代中期，發(fā)達(dá)國家在追求航空發(fā)動機(jī)高性能研制思想指導(dǎo)下，忽視了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題，結(jié)果在使用中產(chǎn)生了大量結(jié)構(gòu)故障問題。據(jù)統(tǒng)計，1963?1978年間，美空軍戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)生了3824起飛行事故，其中由于發(fā)動機(jī)原因引起的有1664起，占43.5%，而43.5%中因結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞壽命方面問題導(dǎo)致的事故又占90%以上。美軍方在總結(jié)單純追求發(fā)動機(jī)高性能，而忽視可靠性與耐久性的沉重教訓(xùn)后，執(zhí)行了一項“發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱”。該大綱有五項基本任務(wù)，而其中有三項就與試驗有關(guān)，每項試驗任務(wù)均包含著極其復(fù)雜而周密的試驗項目、試驗?zāi)康?、考核指?biāo)等，這充分體現(xiàn)了發(fā)動機(jī)試驗工作的重要性。
記：既然航空發(fā)動機(jī)的試驗這么重要，那試驗時的分工是不是非常之細(xì)？
劉：對。從航空發(fā)動機(jī)各組成部分的試驗來分類，可分為部件試驗和全臺發(fā)動機(jī)的整機(jī)試驗，一般也將全臺發(fā)動機(jī)的整機(jī)試驗稱為試車。部件試驗主要有：進(jìn)氣道試驗、壓氣機(jī)試驗、燃燒室試驗、加力燃燒室試驗、尾噴管試驗、附件試驗以及零、組件的強(qiáng)度、振動試驗等。整機(jī)試驗有：整機(jī)地面試驗、高空模擬試驗、環(huán)境試驗和飛行試驗等。
如果將一臺發(fā)動機(jī)的設(shè)計看作是一個足球隊的訓(xùn)練和培養(yǎng)，那么部件試驗就相當(dāng)于對每個隊員能力的測試。其中部件性能測試相當(dāng)于隊員足球技術(shù)和基本功的測試，如帶球、控球、傳接球能力等；而零、組件的強(qiáng)度、振動試驗就相當(dāng)于隊員的體能測試，如12分鐘跑、往返跑等；發(fā)動機(jī)的各類整機(jī)試驗則相當(dāng)于全隊的各種教學(xué)或模擬比賽，通過“比賽”來暴露和解決問題，而發(fā)動機(jī)一旦正式投入使用，就好比到了正式的比賽場上?！捌綍r多流汗，賽時少流淚”，正如嚴(yán)格訓(xùn)練才能取得好成績一樣，只有以大量的試驗為基礎(chǔ)，才能保證發(fā)動機(jī)的各項指標(biāo)滿足設(shè)計要求，成為一個合格的產(chǎn)品。
部件試驗
記：從航空發(fā)動機(jī)各組成部分的試驗來看，進(jìn)氣道試驗是如何進(jìn)行的？
劉：一般先進(jìn)行小縮比尺寸模型的風(fēng)洞試驗，主要是驗證和修改初步設(shè)計的進(jìn)氣道靜特性。然后還需在較大的風(fēng)洞上進(jìn)行1/6或1/5的縮尺模型試驗，以便驗證進(jìn)氣道全部設(shè)計要求。進(jìn)氣道與發(fā)動機(jī)是共同工作的，在不同狀態(tài)下都要求進(jìn)氣道與發(fā)動機(jī)的流量匹配和流場匹配，相容性要好。
記：進(jìn)氣道后的一個重要部件就是壓氣機(jī)，壓氣機(jī)是如何進(jìn)行試驗的呢？
劉：壓氣機(jī)性能試驗主要是在不同的轉(zhuǎn)速下，測取壓氣機(jī)特性參數(shù)，如空氣流量、增壓比、效率和喘振點等，以便驗證設(shè)計，計算是否正確、合理，找出不足之處，便于修改、完善設(shè)計。具體來說，壓氣機(jī)試驗可分為壓氣機(jī)模型試驗、全尺寸壓氣機(jī)試驗以及在發(fā)動機(jī)上進(jìn)行的全尺寸壓氣機(jī)試驗。壓氣機(jī)模型試驗是用滿足幾何相似的縮小或放大的壓氣機(jī)模型件，在壓氣機(jī)試驗臺上按任務(wù)要求進(jìn)行試驗。全尺寸壓氣機(jī)試驗是用全尺寸的壓氣機(jī)試驗件在壓氣機(jī)試驗臺上測取壓氣機(jī)特性，確定穩(wěn)定工作邊界，研究流動損失及檢查壓氣機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的可靠性。在發(fā)動機(jī)上進(jìn)行的全尺寸壓氣機(jī)試驗是在發(fā)動機(jī)上試驗壓氣機(jī)，主要驗證部件間的匹配等。
記：壓氣機(jī)試驗后所進(jìn)行的是什么部件的試驗？
劉：壓氣機(jī)試驗后所進(jìn)行的是燃燒室的試驗。這個試驗在專門的燃燒室試驗設(shè)備上，模擬發(fā)動機(jī)燃燒室的進(jìn)口氣流條件，包括壓力、溫度、流量，然后進(jìn)行各種試驗。主要試驗內(nèi)容有:燃燒效率、流體阻力、穩(wěn)定工作范圍、加速性、出口溫度分布、火焰筒壁溫與壽命、噴嘴積炭、排氣污染、點火范圍等。由于燃燒室中發(fā)生的物理化學(xué)過程十分復(fù)雜，目前還沒有一套精確的設(shè)計計算方法。因此，燃燒室的研制和發(fā)展主要靠大量試驗來完成。
與燃燒室試驗有關(guān)的試驗有：冷吹風(fēng)試驗、水力模擬試驗、燃油噴嘴試驗、燃?xì)夥治?、壁溫試驗、點火試驗。冷吹風(fēng)試驗是研究氣流流經(jīng)試驗伴時的氣動特性和流動狀態(tài)。水力模擬試驗是根據(jù)流體運(yùn)動相似原理，以水流代替氣流，研究試驗件內(nèi)部各種流動特性。燃油噴嘴試驗是鑒定噴嘴的特性。燃?xì)夥治鍪菍θ紵胰紵蟮臍怏w的化學(xué)成分進(jìn)行定性、定量分析。壁溫試驗是模擬燃燒室的火焰筒壁面冷卻結(jié)構(gòu)，對不同試驗狀態(tài)下的壁面溫度和換熱情況進(jìn)行測量和分析。點火試驗用來研究燃燒室點火和傳焰性能。
記：除了燃燒室試驗外，帶加力燃燒室的發(fā)動機(jī)還有加力燃燒室的試驗吧？
劉：是的。加力燃燒室的試驗是研究加力燃燒室燃燒效率、流體損失、點火、穩(wěn)定燃燒范圍是否滿足設(shè)計要求，以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、操縱系統(tǒng)與調(diào)節(jié)器聯(lián)合工作等性能的試驗。按設(shè)備調(diào)節(jié)可分為全尺寸加力燃燒室地面，高空模擬試車臺和飛行臺的加力試驗。全尺寸加力燃燒室地面試驗。
一般選用成熟合適的發(fā)動機(jī)作主機(jī)，以改型或新設(shè)計的全尺寸的加力室作試驗件，進(jìn)行地面臺架狀態(tài)或模擬狀態(tài)試驗。目的是確定加力燃燒室的性能及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為整機(jī)試驗創(chuàng)造條件，縮短整機(jī)研制周期，在性能調(diào)整試驗合格后再與原型機(jī)聯(lián)試。加力燃燒室高空性能，如高空的推力、耗油率、飛行包線內(nèi)點火和穩(wěn)定燃燒的試驗，則在高空模擬試車臺和飛行臺上進(jìn)行。
記：最后一個大部件尾噴管的試驗是如何進(jìn)行的呢？
劉：尾噴管的試驗是用全尺寸或縮尺模型尾噴管在試驗設(shè)備上模擬各種工作狀態(tài)，測取性能數(shù)據(jù)，考核尾噴管是否達(dá)到設(shè)計要求。尾噴管試驗按試驗內(nèi)容又分為結(jié)構(gòu)試驗、性能試驗。結(jié)構(gòu)試驗主要考驗機(jī)械構(gòu)件、調(diào)節(jié)元件、操縱機(jī)構(gòu)的工作可行性。除用部件模擬試驗外，還要在整機(jī)上對全尺寸尾噴管做地面試驗、模擬高空試驗及飛行試驗。
其實除了以上主要部件的試驗外，發(fā)動機(jī)部件試驗還有很多，例如渦輪試驗、附件試驗、強(qiáng)度試驗等。具體如葉片振動疲勞試驗、葉片包容試驗、渦輪葉片熱沖擊模擬試驗、發(fā)動機(jī)超速試驗、發(fā)動機(jī)超溫試驗、發(fā)動機(jī)低循環(huán)疲勞試驗、外物吞咽試驗、輪盤超轉(zhuǎn)破裂試驗等。
全機(jī)試驗
記：部件試驗完成以后應(yīng)該就是整機(jī)試驗了吧，整機(jī)試驗是不是就相對簡單一點了，現(xiàn)在只是把達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的部件整合在一起而已？
劉：部件試驗完了后就是整機(jī)試驗，整機(jī)試驗項目也很多.像整機(jī)地面試驗、高空模擬試驗、環(huán)境試驗和飛行試驗等，而且大多數(shù)時間很長，因此并不簡單。首先說一下整機(jī)地面試驗。整機(jī)地面試驗一般在專用的發(fā)動機(jī)地面試車臺上進(jìn)行，包括露天試車臺和室內(nèi)試車臺兩類，其中露天試車臺又包括高架試車臺和平面試車臺。發(fā)動機(jī)地面室內(nèi)試車臺由試車間、操縱間、測力臺架和試車臺系統(tǒng)等組成。試車間包括進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和固定發(fā)動機(jī)的臺架。對于噴氣發(fā)動機(jī)，渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，臺架還包括測力系統(tǒng)；對于渦輪軸和渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)則包括測扭系統(tǒng)。試車間內(nèi)要求氣流速度不大于10米/秒，以免影響推力的測量精度；進(jìn)排氣部分還要力求做到表面光滑，氣流流過時流動損失盡量少。整機(jī)模擬試驗完成以后就是高空模擬試驗。
記：高空模擬試驗從字面上理解應(yīng)該就是把發(fā)動機(jī)放置在空中進(jìn)行，而不是在地面上進(jìn)行，如果要把發(fā)動機(jī)放置于空中進(jìn)行試驗，應(yīng)該會借助于專門的高空試驗設(shè)備吧？
劉：簡而言之，高空模擬試驗就是在地面人工“制造”高空飛行條件，模擬飛行狀態(tài)，例如飛行高度、飛行馬赫數(shù)，以及飛行姿態(tài)，像攻角、側(cè)滑角，使安裝在地面上的發(fā)動機(jī)如同工作在高空一樣，從而驗證和考核發(fā)動機(jī)的高空飛行特性，所以高空模擬試驗需要借助專門的高空試驗設(shè)備——高空模擬試車臺。
記：高空模擬試車臺是一種什么樣的試驗設(shè)備？
劉：高空模擬試車臺，就是地面上能夠模擬發(fā)動機(jī)干空中飛行時的高度、速度條件的試車臺，它是研制先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)必不可少的最有效試驗手段之一。高空模擬試車臺是從飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)風(fēng)洞逐步發(fā)展而來的。早在1928年，為了研究活塞發(fā)動機(jī)整流罩和短艙的阻力及冷卻問題，美國就利用蘭利機(jī)場的老式推進(jìn)器研究風(fēng)洞，對活塞發(fā)動機(jī)裝置進(jìn)行過開式吹風(fēng)試驗。為適應(yīng)氣冷活塞發(fā)動機(jī)的發(fā)展，美國于1943年在克利夫蘭建成了世界上第一座真正意義上的發(fā)動機(jī)高空模擬風(fēng)洞，模擬高度達(dá)到16000米，模擬速度達(dá)到225米/秒（810千米/小時），試驗段直徑6.1米，曾用于多種活塞發(fā)動機(jī)的高空試驗。
記：為什么航空發(fā)動機(jī)一定要做高空模擬試驗？
劉：隨著飛機(jī)飛行高度、速度的不斷提高，發(fā)動機(jī)在整個飛行包線，即發(fā)動機(jī)正常工作的速度和高度界限范圍內(nèi)的進(jìn)氣溫度、壓力和空氣流量等參數(shù)有很大變化，這些變化對發(fā)動機(jī)內(nèi)部各部件的特性及其工作穩(wěn)定性，對低溫低壓下的點火及燃燒，對發(fā)動機(jī)的推力、耗油率和自動調(diào)節(jié)均有重大影響。另外，發(fā)動機(jī)在高空的性能與地面性能大不相同，影響發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的最惡劣的氣動、熱力負(fù)荷點已不在地面諍止?fàn)顟B(tài)條件下，而是在中、低空高速條件下，如中空的2.5?3.0馬赫，接近地面的低空1.2?1.5馬赫。
在這種情況下，發(fā)展一臺新的現(xiàn)代高性能航空發(fā)動機(jī)，除了要進(jìn)行大量的零部件試驗和地面臺試車之外，還必須利用高空模擬試車臺進(jìn)行整個飛行包線范圍內(nèi)，以及各種模擬飛行狀態(tài)下的部件和全臺發(fā)動機(jī)試驗。美國國防部和NASA（美國國家骯空航天局）聯(lián)合調(diào)查組宣稱，一個現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)的研制計劃，在5?6年的周期中，高空試驗要進(jìn)行5000多小時，并要用3?4個試驗艙。正因為如此，從二十世紀(jì)四十年代中期開始，美、英、蘇、法等國家，均不惜花費(fèi)巨額投資，進(jìn)行了大量的試驗研究工作，這對迅速提高發(fā)動機(jī)研制水平起了重大作用。
記：從理論上講，將新研制的發(fā)動機(jī)裝在其將要配裝的飛機(jī)上直接進(jìn)行試飛，就可以在發(fā)動機(jī)的全部飛行范圍內(nèi)考核其性能，為什么不采取這樣更簡單、直接的辦法？
劉：理論歸理論，但實際上，這樣做有很多問題。首先，新研制的發(fā)動機(jī)將要配裝的飛機(jī)一般也是新研制的，將全新的飛機(jī)和發(fā)動機(jī)放在一起進(jìn)行試飛，其風(fēng)險是很大的，飛機(jī)和發(fā)動機(jī)的問題糾纏在一起，將使試飛中的故障診斷和分析過程變得十分復(fù)雜和困難，會嚴(yán)重影響研制進(jìn)度；而且，一般情況下，飛機(jī)和發(fā)動機(jī)的研制進(jìn)度和周期是不相同的，發(fā)動機(jī)的研制進(jìn)度往往落后于飛機(jī)，會造成飛機(jī)和發(fā)動機(jī)互相等待、牽制的局面。
因此，一般采用新飛機(jī)加現(xiàn)役發(fā)動機(jī)首先試飛的辦法，先解決新飛機(jī)自身的問題。而對于新研制的發(fā)動機(jī)，在裝新飛機(jī)之前，一般需先裝在飛行試驗臺或現(xiàn)役飛機(jī)上進(jìn)行試飛，但由于飛行試驗臺或現(xiàn)役飛機(jī)的性能往往不能達(dá)到新飛機(jī)的性能，這就使新發(fā)動機(jī)的性能不能得到充分的驗證和考核。而高空模擬試驗則可以方便、靈活地改變發(fā)動機(jī)的進(jìn)、排氣條件，完全模擬發(fā)動機(jī)在整個飛行范圍內(nèi)的工作狀況，甚至可以模擬超出飛行范圍的極限情況，進(jìn)行廣泛的試驗研究。這是其他任何飛行試驗臺所無法做到的。
記：高空模擬試車臺可不可以模擬現(xiàn)實飛行中很難遇到的惡劣的環(huán)境條件？
劉：當(dāng)然可以。惡劣的環(huán)境條件有兩個方面的含義，一方面是指在實際飛行中不可能出現(xiàn)、但有關(guān)發(fā)動機(jī)規(guī)范中要求的環(huán)境條件。如我國《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)通用規(guī)范》規(guī)定，在發(fā)動機(jī)的某些試車階段，要求發(fā)動機(jī)應(yīng)在一定飛行高度和速度下可能出現(xiàn)的最大壓力和溫度下工作。事實上，實際飛行中，發(fā)動機(jī)進(jìn)口的空氣壓力和溫度值不可能同時出現(xiàn)最大值，但規(guī)范規(guī)定要在比實際情況更惡劣的條件下考核發(fā)動機(jī)。顯然，這種現(xiàn)實中不可能出現(xiàn)的情況只能依靠高空模擬試驗來達(dá)到。另一方面是指在實際飛行中可能會遇到、但很難在需要的時候出現(xiàn)的情況，典型的如地面高、低溫和高原發(fā)動機(jī)起動加速試驗。
我國幅員遼闊，地形和氣候條件復(fù)雜，既有西部邊陲號稱“世界屋脊”的高原低壓、低溫氣候，也有長江流域和南部沿海有“火爐”之稱的高溫、高濕氣候。為了適應(yīng)不同的飛行作戰(zhàn)環(huán)境，保衛(wèi)祖國的每一寸領(lǐng)土和領(lǐng)空，發(fā)動機(jī)就需要在高原、平原、海上和不同的氣象條件下進(jìn)行考核試驗。但“老天爺”并不歸發(fā)動機(jī)總設(shè)計師管轄，也不太理解發(fā)動機(jī)設(shè)計人員的艱辛和付出，不但不會在發(fā)動機(jī)試驗最關(guān)鍵的時候助一臂之力，反而會與人們開一些大不小的玩笑。
如我國的某型發(fā)動機(jī)在定型試飛時，根據(jù)定型規(guī)范的有關(guān)要求，應(yīng)在大氣溫度-54?+74oC、海拔高度0?4500米的范圍內(nèi)完成發(fā)動機(jī)起動和加速試驗。為了尋找合置的氣候條件，幾十個技術(shù)人員帶著發(fā)動機(jī)，為了“三搶”，即搶高寒、搶高溫、搶高原，飛遍了祖國的大江南北，轉(zhuǎn)戰(zhàn)20多個機(jī)場，行程數(shù)萬千米，先后忙乎了5個多月，結(jié)果只在黑龍江某機(jī)場?！皳尅钡搅?23.4oC的低溫，在長沙“搶”到了+41oC的高溫，在西北某機(jī)場“搶”到了海拔2840米的高原?？梢娙绻麤]有高空模擬試驗，僅僅靠“天”搞發(fā)動機(jī)是很困難的。
記：高空模擬試驗還有哪些好處？
劉：好處還有很多。
第一、可以使發(fā)動機(jī)試驗在更加安全的條件下進(jìn)行。相比于飛行試驗，在地面進(jìn)行的髙空模擬試驗的安全性是不言而喻的。首先是人員的安全，至少不再需要勇敢的試飛員用生命去冒險；其次是發(fā)動機(jī)和設(shè)備的安全，在高空模擬試驗中，一旦出現(xiàn)故障，容易發(fā)現(xiàn)和排除，也容易及時進(jìn)行處理，完全可以防止機(jī)毀人亡的慘劇發(fā)生。
第二，可以提高試驗水平。這主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面，高空模擬試驗的發(fā)動機(jī)進(jìn)口空氣的壓力、溫度、流量等參數(shù)可以得到準(zhǔn)確的控制，使試驗可以多次精確重復(fù)，這對于發(fā)動機(jī)的故障復(fù)現(xiàn)和分析，對于研究孤立參數(shù)對發(fā)動機(jī)性能的影響等都具有重要的作用。而正如前面提到的，由于“老天爺”的不配合，要想在實際飛行中準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)以前的工作狀態(tài)幾乎是不可能的。另一方面，由于受空間和重量等限制，在飛行試驗中不可能采集和測量大量的試驗參數(shù)，而在高空模擬試驗中，由于沒有這種限制，完全可以按照試驗要求，自由地采集測量盡可能多的試驗數(shù)據(jù)，并可以利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，進(jìn)行現(xiàn)場實時處理和分析，從而大大提高了試驗水平。例如，通過發(fā)動機(jī)高空模擬試驗一般可以測量1000?2000個穩(wěn)態(tài)參數(shù)、200?400個動態(tài)參數(shù)，這是任何飛行試驗所無法企及的
第三，縮短新發(fā)動機(jī)研制周期，提高經(jīng)濟(jì)效益。高空模擬試驗由于不受地點、天氣、時間等因素影響，因而可以大大縮短試驗周期，降低研制成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)英國的統(tǒng)計，兩周的高空模擬試驗工作量，相當(dāng)于300次飛行試驗。二十世紀(jì)五十年代，對于高空模擬試驗和用飛機(jī)試驗臺進(jìn)行試驗還存在一些爭議，當(dāng)時正好英國在用“火神”轟炸機(jī)改造的飛行試驗臺進(jìn)行某型發(fā)動機(jī)試驗，因受試發(fā)動機(jī)著火而導(dǎo)致飛機(jī)墜毀，無奈之下，只好利用高空模擬試車臺繼續(xù)進(jìn)行試驗。本來計劃要用幾個月的時間來重復(fù)已在“火神”飛行試驗臺上進(jìn)行1年多的試驗項目，結(jié)果在英國國家燃?xì)鉁u輪研究院第3號高空試驗艙上只用了約1個月的時間就完成了全部試驗項目，其中還包括設(shè)備改裝時間在內(nèi)。也就是說，完成同樣的試驗項目，在高空模擬試驗臺上可以只用不到1個月的時間，而在飛行試驗臺上就需要1年多的時間，其間的差距和潛在的經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見的。這也是導(dǎo)致后來各國紛紛大力發(fā)展高空模擬試驗設(shè)備的原因之一。
記：我國是否也建有高空模擬試車臺？
劉：我國的航空發(fā)動機(jī)高空模擬設(shè)備的建設(shè)和高空模擬試驗技術(shù)的研究，起步不算太晚。早在1958年就著手進(jìn)行航空渦輪發(fā)動機(jī)高空模擬試驗設(shè)備的建設(shè)；1959年曾與蘇聯(lián)協(xié)作，規(guī)劃建設(shè)以航空渦輪發(fā)動機(jī)高空模擬試驗設(shè)備為核心的航空發(fā)動機(jī)試驗基地；1964年正式規(guī)劃并著手建設(shè)大型連續(xù)式氣源的航空渦輪發(fā)動機(jī)高空模擬試驗設(shè)備，即髙空模擬試車臺。在當(dāng)時特殊的政治環(huán)境下，1965年，選定在四川西部的秦嶺山區(qū)建設(shè)了我國的SB101連接式高空模擬試車臺。1995年，SB101高空模擬試車臺順利通過國家驗收，并與俄羅斯中央航空發(fā)動機(jī)研究院高空模擬設(shè)備的U—4H高空試驗艙進(jìn)行了對比試驗，完全可以滿足我國現(xiàn)在和將來航空渦輪發(fā)動機(jī)研制和發(fā)展的需要。SB101高空模擬試車臺的設(shè)備規(guī)模在世界上是繼美、俄、英、法后居第五位，在亞洲目前是第一位，因此被稱為“亞洲第一臺”。
記：我國的高空模擬試車臺建成后，在航空發(fā)動機(jī)的研制方面都有哪些貢獻(xiàn)？
劉：SB101高空模擬試車臺建成后，相繼完成了多種航空發(fā)動機(jī)和部件、系統(tǒng)的設(shè)計定型試驗、高空性能試驗、高空鑒定試驗、模擬高空飛行狀態(tài)對比試驗、進(jìn)氣畸變鑒定試驗、飛行中使用故障分析研究與排除等模擬高空試驗，并研究出一套比較成熟、實用的航空發(fā)動機(jī)高空模擬試驗技術(shù)，在我國自行研制航空發(fā)動機(jī)的過程中起到了不可替代的重要作用。至今己完成P11-300、WP-7、WP-13AII、WP-13B、RD-33、WP-14、WS-10、推重比10—級的核心機(jī)等10多個機(jī)種的研究試驗、排故試驗和定型試驗等任務(wù)，可以說，現(xiàn)在正在服役和即將服役的絕大部分國產(chǎn)發(fā)動機(jī)都曾先后在SB101高空模擬試車臺上經(jīng)受過高空模擬試驗的嚴(yán)格考驗，為我國骯空動力裝置的側(cè)繪仿制、改進(jìn)改型和自行研制作出了巨大的貢獻(xiàn)。
環(huán)境試驗，吞咽試驗
記：高空模擬試驗完成后，發(fā)動機(jī)的問題基本上已經(jīng)暴露的差不多了，接下來應(yīng)該就是裝配到飛機(jī)上進(jìn)行飛行試驗了吧？
劉：還不是，接下來還要進(jìn)行發(fā)動機(jī)環(huán)境試驗和吞咽試驗，這個完成以后才是飛行試驗。發(fā)動機(jī)環(huán)境和吞咽試驗有很多科目，要考核發(fā)動機(jī)在惡劣環(huán)境條件下的適應(yīng)能力，像高低溫起動和加速試驗、環(huán)境結(jié)冰試驗、腐蝕敏感性試驗，此外還有吞鳥試驗、外物損傷試驗、吞冰試驗、吞沙試驗、吞入大氣中液態(tài)水試驗、吞入火藥氣體試驗等，讓發(fā)動機(jī)也嘗嘗“酸甜苦辣”的滋味，看看發(fā)動機(jī)的“肚量”(包容性)和“潑辣”(抗畸變)程度如何，最后還有噪聲試驗、排氣污染試驗等。
以上試驗中，最有趣的還是吞鳥試驗。隨著飛機(jī)飛行速度的提高，鳥撞飛機(jī)事件不斷增多，據(jù)美國空軍統(tǒng)計，自1956?1973年發(fā)動機(jī)鳥撞112次。嚴(yán)重的鳥撞事故會引起飛機(jī)失事，例如1975年，一架DC-10民航機(jī)在紐約起飛失事，就是與一群重約1.82千克的鳥相撞，使CF6發(fā)動機(jī)全部風(fēng)扇葉片損壞，并與環(huán)氧樹脂屏板摩擦導(dǎo)致失火爆炸。加拿大空軍因鳥撞亊件損失了10架CF-104飛機(jī)。1985年，印度斯坦航空公司的一架波音747客機(jī)在飛越喜馬拉雅山脈時，與一只在高空飛行的成年老鷹相插，造成發(fā)動機(jī)起火爆炸，飛機(jī)墜毀，導(dǎo)致200余人死亡的重大空難事故。
記：做吞鳥試驗時，對鳥有什么特殊要求嗎？
劉：撞入發(fā)動機(jī)的鳥類范圍很廣，按重量分類，一般分為大鳥(2千克以上)、中鳥(1千克左右;、小鳥(50?100克)三類。為避免鳥撞發(fā)動機(jī)造成影響飛機(jī)飛行安全的事件，航空發(fā)動機(jī)在設(shè)計中均采用了一系列抵抗鳥撞造成機(jī)件嚴(yán)重?fù)p傷的措施。為驗證所采取的措施是否可行，在發(fā)動機(jī)研制中，一定要進(jìn)行鳥撞試驗。試驗中，中、小鳥群撞入不應(yīng)破壞發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)完整性，也不應(yīng)停車，但會引起短暫的(1?2秒)推力下降或壓氣機(jī)不穩(wěn)定，大鳥撞入發(fā)動機(jī)應(yīng)能安全停車且不發(fā)生危及飛機(jī)安全的發(fā)動機(jī)故障。試驗方法則有靜態(tài)單獨(dú)葉片撞擊試驗、單個旋轉(zhuǎn)葉片撞擊試驗、全部旋轉(zhuǎn)葉片撞擊試驗。
民用航空發(fā)動機(jī)吞鳥試驗。
記：您剛才提到的靜態(tài)單獨(dú)葉片撞擊試驗、單個旋轉(zhuǎn)葉片撞擊試驗、全部旋轉(zhuǎn)葉片撞擊試驗，它們具體是如何進(jìn)行的？
劉：靜態(tài)單獨(dú)葉片撞擊試驗成本最低，是用火藥槍或氣槍將與射人，打在一塊靜態(tài)葉片的葉尖處，鳥撞速度要超過音速，然后看鳥撞后對葉片的損傷程度。單個旋轉(zhuǎn)葉片撞擊試驗，通常以自由落體的方式打入模擬鳥，降落速度約為4米/秒，模擬真實情況下鳥撞后對葉片離心力的影響。經(jīng)過單個葉片靜止和旋轉(zhuǎn)試驗考驗后，便可以進(jìn)行發(fā)動機(jī)吸鳥性能的全部旋轉(zhuǎn)葉片撞擊試驗了，這個試驗是用氣槍把鳥射入，要考察是否有導(dǎo)致葉片斷裂的裂紋，并用高速攝影機(jī)攝下撞擊過程。
記：除了以上三項試驗外，還有其他試驗嗎？
劉：完成上述各種預(yù)先試驗對所研制葉片之抗鳥撞強(qiáng)度、工作性能的變化特性和安全問題的考核之后，便可以在發(fā)動機(jī)上進(jìn)行吸鳥試驗，目的在于驗證：是否會產(chǎn)生喘振等現(xiàn)象；產(chǎn)生喘振后發(fā)動機(jī)能否自動退出喘振，恢復(fù)正常工作狀態(tài)；從喘振產(chǎn)生到發(fā)動機(jī)恢復(fù)正常工作期間，發(fā)動機(jī)推力，轉(zhuǎn)速等主要工作參數(shù)隨時間的變化情況，鳥撞所引起的二次破壞，例如葉片變形、脫落等情況；發(fā)動機(jī)包容性是否滿足設(shè)計要求，即脫落的葉片或大鳥的殘骸是否會打穿發(fā)動機(jī)機(jī)匣而危及飛機(jī)安全，以及由干風(fēng)扇葉片局部變形而引起發(fā)動機(jī)性能變化等。
發(fā)動機(jī)吸鳥試驗用鳥必須是真實禽類，試驗的鳥由壓縮空氣炮按一定速度、一定的位置射向工作中的發(fā)動機(jī)。由于現(xiàn)代飛機(jī)的巡航高度一般在8000米以上，很少有鳥類能飛到如此高空中，因此發(fā)動機(jī)吞鳥事故一般發(fā)生在中低空，尤其在機(jī)場附近，即飛機(jī)的起飛和降落過程中。由于在起飛過程中飛機(jī)的迎角很大，速度不快，高度不髙，需要發(fā)動機(jī)處于最大推力狀態(tài)才能保持穩(wěn)定飛行姿態(tài)，此時一旦因為鳥撞造成發(fā)動機(jī)的推力下降，哪怕只有十幾秒，都會造成嚴(yán)重的后果。
因此，鳥撞試驗時發(fā)動機(jī)一般應(yīng)處于最大推力狀態(tài)，以模擬起飛的情況，并需要用不同大小的鳥類，在不同的徑向位置射人，從接近發(fā)動機(jī)軸線的中心位置一直到接近發(fā)動機(jī)機(jī)匣的外部位置，以模擬實際鳥撞情況。試驗時，除用高速攝影機(jī)攝下撞擊過程外，還需記錄整個試驗過程中的發(fā)動機(jī)參數(shù)變化情況，并在試驗后分解發(fā)動機(jī)，分析鳥撞的后果和各部件，尤其是風(fēng)扇葉片的結(jié)構(gòu)變形情況，為評估發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)完整性和改進(jìn)設(shè)計提供依據(jù)。
飛行試驗
記：有了以上各種試驗，為什么還要做飛行試驗？
劉：由于地面模擬試驗的局限性，新研制的發(fā)動機(jī)盡管經(jīng)過了大量的部件試驗、臺架整機(jī)試驗和高空模擬臺試驗，在裝原型飛機(jī)試驗之前，為了安全起見，特別是對一些危險試驗項目，仍需要在飛行試驗臺上進(jìn)行不同飛行高度、速度、飛行姿態(tài)和不同大氣條件下的飛行試驗。實際上，飛行試驗有飛行試驗臺試驗以及裝在相對型號上的飛機(jī)上的試驗兩種。
記：飛行試驗臺所選用的飛機(jī)有什么特殊要求？
劉：飛行試驗臺一般是用大型多發(fā)飛機(jī)改裝而成，例如俄羅斯用伊爾-76大型運(yùn)輸機(jī)改裝而成的飛行試驗臺，將左翼內(nèi)側(cè)的發(fā)動機(jī)拆掉，換成要試驗的發(fā)動機(jī)，飛機(jī)內(nèi)部則裝上相應(yīng)的各種發(fā)動機(jī)工作參數(shù)測量裝置，成為一般地面試車臺的測試間，所以，從某種程度上講，飛行試驗臺是可以飛行的發(fā)動機(jī)試車臺。
飛行試驗臺一般是用大型多發(fā)飛機(jī)改裝而成，圖為伊爾-76運(yùn)輸機(jī)改裝的飛行試驗臺，左翼內(nèi)側(cè)發(fā)動機(jī)已被拆掉，成為發(fā)動機(jī)試驗艙（圈中所示）
記：發(fā)動機(jī)飛行試驗的項目都有哪些?
劉:飛行試驗臺試驗項目主要有：發(fā)動機(jī)空中起動；應(yīng)力應(yīng)變測定；冷卻、防冰系統(tǒng)試驗；喘振試驗；滑油系統(tǒng)可靠性檢查；以及發(fā)動機(jī)的高度、速度特性測定等。
記：但最終發(fā)動機(jī)還是要裝到配裝它的飛機(jī)上進(jìn)行飛行試驗。那么，此時的飛行試驗是如何進(jìn)行的？
劉：飛行試驗臺雖能真實地測出發(fā)動機(jī)在各種高度、速度下發(fā)動機(jī)的工作參數(shù)與工作狀態(tài)，但它受到飛行試驗臺所用飛機(jī)性能的限制，不能超越該飛機(jī)的飛行范圍，特別是對用于髙空、高速戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動機(jī)，局限性更大。因此，最終一定要在裝配它的飛機(jī)上進(jìn)行大量試驗，以獲得飛機(jī)的全面性能，暴露發(fā)動機(jī)以及飛機(jī)上與發(fā)動機(jī)有關(guān)的組成部分的設(shè)計缺陷與問題，并在試飛中不斷改進(jìn)、完善。
在用配裝的飛機(jī)做發(fā)動機(jī)飛行試驗時，對于新型雙發(fā)戰(zhàn)斗機(jī)，一般是先用一臺現(xiàn)有成熟的發(fā)動機(jī)及一臺新研制的發(fā)動機(jī)裝在飛機(jī)上進(jìn)行試飛，然后再裝上兩臺全為新研制的發(fā)動機(jī)進(jìn)行試飛。一般這種在用新研制的發(fā)動機(jī)的飛機(jī)上進(jìn)行的飛行試驗通常要進(jìn)行5~8年或更長的時間，例如，美國的F-22戰(zhàn)斗機(jī)于1997年9月7日首飛，1998年2月5日交付美國空軍進(jìn)行飛行試驗。1999年7月20日，美國空軍首次進(jìn)行了超音速巡航，以馬赫數(shù)高于1.5的速度飛行了2小時。經(jīng)過了漫長的飛行試驗后，直到2003年初才開始向美國空軍交付兩架生產(chǎn)型飛機(jī)，供美國空軍作為培養(yǎng)飛行員及維修人員用的教學(xué)飛機(jī)。所以說，發(fā)動機(jī)的研制，僅從其各種試驗來看就是一項漫長而復(fù)雜的工程。
記：謝謝劉院士的解答，讓我們了解了這么多關(guān)于發(fā)動機(jī)試驗的知識
