航空矢量發動機試車臺推力校準技術綜述

王辰辰，李新良，李程，曾吾，王洪博，俞錦

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

0 引言

第四代戰斗機要求飛機能夠完成一系列過失速情況下的大機動格斗動作，如“眼鏡蛇”、“倒掛金鉤”等，這就需要飛機在大仰角下具有超強的機動能力，矢量推力發動機能夠幫助飛機完成這些動作。世界發動機研制生產大國如美國、英國、俄羅斯等，都在矢量發動機的研制工作中投入了大量的精力與時間［1］。和常規發動機的研制一樣，研制矢量發動機也需要通過大量的測試試驗來獲取、驗證發動機的性能。準確的測試數據對于正確評估發動機性能、保證飛機飛行安全具有非常重要的意義。

發動機試車臺是對航空發動機進行測試的主要試驗平臺，航空矢量發動機的測試需要矢量推力試車臺，為保證矢量推力試車臺測試數據的準確性，需要進行相關校準研究工作。本文在簡要介紹渦扇發動機軸向試車臺推力校準方法的基礎上，分析介紹了矢量發動機試車臺結構、推力校準方法和校準程序。

1 軸向試車臺推力校準

經過幾十年的發展，國內外現已經建有多臺渦扇發動機軸向試車臺，對其推力校準方法的研究相對比較成熟，通過分析研究軸向試車臺的推力校準方法，可以為矢量試車臺的推力校準提供幫助。

渦扇發動機軸向試車臺的典型結構如圖1所示，主要由定架、動架及連接構件組成，定架通過剛性連接與地面相連，相當于基礎的作用［2-6］，動架通過彈簧片懸掛于定架上，發動機安裝在動架上并與動架構成剛性連接，推力測量系統中的工作傳感器安裝在定架與動架之間。發動機試車臺的推力測量系統用于測量發動機測試試驗中推力的大小，為了保證測試結果的可靠性，需要定期對航空發動機試車臺推力測量系統進行校準。

推力校準的原理是:對推力架施加一個模擬推力，利用標準力傳感器測量模擬推力的大小，同時采集臺架推力測量系統中工作傳感器的輸出值，通過將標準力傳感器與工作傳感器測量的力值進行比對來完成校準。由于標準力傳感器的位置不同，導致模擬推力的加載方式不同，可將渦扇發動機軸向試車臺推力測量系統校準的方法分為兩種:平行加載校準方法和中心加載校準方法［7-9］。

圖1 軸向發動機試車臺示意圖

1.1 平行加載校準方法

平行加載(也稱之為平面加載［9］)校準方法的實質是將對試車臺校準時提供的模擬推力施加在與發動機推力軸線平行的方向上，而不需要加載在發動機推力軸線上，也有的定義為將對試車臺校準時的模擬推力施加在與推力測量同一水平面的位置，而不必直接加載在發動機推力軸線上，如圖1所示。現有軸向試車臺的平行加載系統，包括一個能夠提供穩定模擬推力的液壓加載系統和一個標準力傳感器。校準時，液壓加載系統提供所需的模擬推力，標準力傳感器測量模擬推力的大小，同時采集工作傳感器的輸出，將兩者進行對比，完成對推力測量系統的校準。

1.2 中心加載校準方法

中心加載校準方法直接將模擬推力施加在發動機推力軸線上，其結構原理圖如圖2所示，在進行中心加載校準時，需要將臺架原有的加載系統斷開，以免其影響推力在臺架上的傳遞。中心加載校準的關鍵是在發動機推力軸線方向上施加一個大小可以測量的模擬推力，故需要特定的推力加載裝置。校準時，通過位于發動機推力軸線方向上的加載裝置提供中心加載推力，并利用安裝于模擬發動機尾部的標準力傳感器對推力值進行準確測量，同時讀取推力架上工作傳感器的讀數，通過比對完成校準。

圖2 軸向試車臺中心加載校準示意圖

1.3 兩種方法的比較

平行加載校準方法中，模擬推力沒有直接施加在發動機推力軸線上，不能完全模擬發動機的測試狀態，且校準時推力在臺架上的傳遞路徑與發動機測試時推力的傳遞路徑也不相同，故利用平行加載的校準狀態與發動機試車時的測試狀態不完全一致。但現有試車臺上都配備平行加載校準裝置，不需要額外安裝加載設備，只需將臺架自身的加載系統與動架連接即可，校準結束時也不必將加載裝置拆除，只需要將其與動架脫離即可。平行加載校準方法是過去幾十年試車臺推力校準中所采用的主要方法，在HB6882-93《渦噴渦扇發動機試車臺架推力測量系統校準規范》中給出了校準要求。

中心加載校準方式可模擬發動機的測試狀態，是對試車臺進行校準的理想加載方式［9］，比平行加載方式能夠更好地模擬發動機的測試狀態，推力在臺架上的傳遞與試車臺推力的傳遞基本相同，校準的結果相比于平行加載校準方式的結果更加可靠。在對試車臺進行推力校準時，有時也會利用中心加載校準方式驗證平行加載校準方法的準確度。但是中心加載校準方式的推力加載裝置位于發動機的尾部位置，它的存在會妨礙發動機的試車試驗，必須在每次校準完成后將與中心加載校準方式相關的設備全部拆除，增加了操作的復雜性及校準試驗所用的時間。另外，為了安裝中心加載裝置，需要在設計試車臺架時就預先留出安裝位置，對于沒有預留出安裝位置的試車臺，中心加載校準方法并不適用，導致其使用比較局限。

在試車臺校準時，對于有條件的試車臺應該進行中心加載校準，可以比較準確的評估檢驗試車臺的推力測量系統，并能檢測試車臺所配備的平行加載校準裝置的狀況。

1.4 試車臺推力測量修正

不管采用上述哪種方法對試車臺推力測量系統進行校準，都是保證試車臺推力測量準確性非常重要的一個環節，而在發動機工作的實際工況條件下，推力測量準確度會受到多方面的影響，比如:試車間氣動影響、推力測量系統影響和臺架結構特性影響。其中，試車間的氣動影響可分為試車間進氣沖量、試車間壓差阻力、底部阻力、迎風阻力和空氣摩擦阻力等。對試車臺推力測量系統校準考慮了推力測量系統及臺架結構特性對試車結果的影響，因此，在對試車臺進行測量時，還需要考慮試車間氣動參數的影響。在試車臺推力測量修正方面，歐洲國家進行了比較充分的研究，申請了關于推力測量修正方法的專利:Gas turbine measured thrust correction 和Thrust correction，利用相關的推力測量修正方法，英國羅羅公司將推力修正不確定度從預估的±0.8%提高到±0.25%［10-11］。

2 矢量試車臺推力校準

2.1 矢量試車臺結構

矢量推力試車臺主要也是由定架、動架及連接件構成，但是動架與定架之間的連接方式、動架的結構形式等都與軸向試車臺有所差別。矢量試車臺的結構圖如圖3所示，動架與定架之間通過工作傳感器進行連接，發動機通過主支點與動架進行剛性連接，尾部通過吊裝的方式懸掛在動架上。矢量推力試車臺的作用是測試航空矢量發動機的性能，在矢量推力架上共有六個工作傳感器，分別用于測量航向、側向和垂向的推力。另外，在矢量推力架的三個方向上，還分別有一個標準力傳感器與相應的加載裝置［12］，用來確定臺架的存在使得傳感器之間存在著交互作用關系。

圖3 矢量試車臺結構圖

2.2 矢量試車臺推力現場校準方法

借鑒軸向試車臺推力校準的長期經驗，參照軸向試車臺推力校準的方法對矢量試車臺的推力校準技術進行研究，具體步驟應包括:理論推導、仿真計算、現場試驗、編制規范等。理論推導可以對矢量試車臺推力校準進行可行性分析，對后續的仿真分析及現場試驗提供理論基礎;仿真分析可以利用計算機的超強計算能力，對試車臺的受力狀態進行數值模擬，得到臺架的力學特性，分析不同因素對現場試驗結果的影響程度，為現場試驗中因素控制起到參考作用，并可以與現場試驗時得到的數據進行比較，分析誤差原因，為后續編寫矢量試車臺推力校準規范提供參考，仿真分析是試車臺推力校準中非常重要的步驟;現場試驗是矢量試車臺推力校準中最重要的環節，也是得到測試數據的關鍵步驟，現場試驗的方法對測試數據準確性的影響至關重要，需要在現場試驗前對各種影響因素進行評估分析，此時可參考理論推導和仿真分析得到的結果，以保證測試結果在誤差允許范圍之內;編制規范是矢量試車臺推力校準技術研究的最終目的，制定合理的規范可以對以后試車臺的校準提供參考依據，保證后續矢量試車臺推力校準的順利進行。

矢量試車臺推力測量系統的現場校準可參考軸向試車臺推力測量現場校準方法進行。矢量試車臺現場校準相比于軸向試車臺最大的區別是矢量試車臺校準時施加的模擬推力為矢量力，軸向試車臺校準時施加的模擬推力是單一方向的推力。根據標準力傳感器不同位置，可將模擬推力的加載方法分為兩種，即有兩種方法可完成校準:利用試車臺自身加載系統校準和利用額外附加的加載系統進行校準。

在2.1 節矢量試車臺的結構中已經說明，矢量試車臺除了三個方向的六個工作傳感器外還有三個標準力傳感器與加載裝置，矢量試車臺傳感器位置如圖4所示。圖4 中，X，Y，Z 分別是側向、垂向和軸向加載裝置組件;1 ～6 號傳感器為工作傳感器，其中1 號和2 號傳感器用于測量軸向力，3 號傳感器用于測量側向力，4，5，6 號傳感器用于測量垂向力。試車臺上的這些附加裝置的作用類似于軸向試車臺平行加載校準方式中的校準系統，其作用也是對試車臺的推力測量系統進行校準。利用這種方式對矢量試車臺校準時的理想情況是，在單獨施加某一方向的模擬推力時，在該方向的工作傳感器所測量到的值與所施加的模擬推力相等，另外兩個方向的工作傳感器的輸出為零［13］。而實際的試車臺會使不同方向的力傳感器之間存在交互作用，即當單一方向施加模擬推力時，該方向的工作傳感器并不能測量到全部力值，另外兩個方向的工作傳感器輸出也不為零。力傳感器之間的這種交互作用，對于航空矢量發動機的測試非常重要。為了在發動機試車時得到準確的推力測試結果，正確評估發動機性能，需要對矢量試車臺進行推力校準，掌握力傳感器之間的這種交互作用。

圖4 矢量試車臺傳感器分布圖

利用額外附加的加載系統進行校準的方法與軸向試車臺推力校準中的中心加載校準方法相似，也需要將模擬推力直接加在發動機的推力軸線上，與軸向試車臺所不同的是，利用這種方法對矢量試車臺推力測量系統進行校準時，加載系統所施加的模擬推力不僅大小要發生改變，還需要根據要求改變模擬推力的方向，確保模擬推力的軸線與矢量發動機的推力軸線能夠重合。矢量發動機的推力方向變化可以分解為周向角度變化和軸向角度變化，校準時的加載系統則需要能夠提供軸向和周向角度都能夠調節的模擬推力。這種校準方法的理想狀況是，將所施加的模擬推力分解到三個方向，每個方向的推力與該方向工作傳感器測量的力值大小完全相同，但加載角度、加載點位置的測量等可能存在誤差，且試車臺架會導致力的傳遞產生變化，故在實際現場校準中，很難保證力值的相同。

就理論分析及軸向試車臺校準經驗，利用額外附加的加載系統進行校準的方法能夠更好地模擬矢量發動機的測試狀態，校準精度應高于直接利用試車臺自身加載系統進行校準的方法。盡管這種方法的校準狀態與測試狀態相似，卻并不能夠完全模擬矢量發動機的全部推力狀態，如角度調節中暫時無法實現無級調節，只能對幾個關鍵角度下的推力進行校準。這種推力校準方法要求臺架預留安裝位置，每次校準時需要安裝與拆卸加載裝置，耗費大量的時間。直接利用試車臺自身加載系統進行校準的方法，只需要在每次校準時將臺架自身的加載系統與動架進行連接，校準結束時與動架脫離即可，操作方便、簡單，但這種校準方法不能夠提供矢量力，只能夠沿三個方向分別校準，得到臺架對傳感器之間的交互作用的大小，校準結果一般不能直接說明試車臺推力測量系統的性能。為了既方便又準確地對試車臺進行校準，可以利用額外附加加載系統校準的方法對試車臺自身的校準系統進行驗證。這樣，在試車臺正常使用期間，只需要利用試車臺自身的加載系統對臺架推力進行校準即可。

2.3 矢量試車臺推力現場校準程序

對矢量試車臺推力測量系統進行現場校準時，需要首先將與真實發動機物理屬性相同的模擬發動機安裝在動架上，來模擬真實發動機試車時安裝在臺架上的狀態。對于能夠利用額外附加加載系統進行推力校準的試車臺，可在安裝附加加載裝置前，首先利用試車臺自身的加載系統進行校準，在校準完成后將加載裝置與試車臺動架分開。保持模擬發動機的狀態不變，在試車臺尾部安裝附加的加載系統，進行角度及加載點位置的調節，完成試驗要求的加載狀態下的校準。校準完成后，分析校準試驗中得到的數據，對數據進行處理，完成矢量試車臺的整個校準過程。

3 展望

為保證航空矢量推力技術的發展，需要性能可靠的矢量試車臺對航空矢量發動機進行試車試驗，矢量試車臺的準確性關系著試車臺數據的準確性，對矢量試車臺進行校準必不可少。航空矢量發動機試車試驗的一個主要性能指標就是推力，對矢量試車臺推力測量系統進行校準是試車臺校準過程中非常重要的步驟。隨著計算機仿真技術的發展，對矢量試車臺推力測量系統進行校準時，可利用經典力學理論及數值模擬原理對試車臺的力學特性及可能影響現場試驗的因素進行評估分析，現場校準試驗可將數值分析結果作為理論指導，根據分析的試車臺性能及影響因素對試驗結果的影響程度，確定現場試驗中需要保證的條件。通過分析數值模擬及現場校準試驗所得數據，對矢量試車臺完成校準，并編制矢量試車臺推力測量系統校準規范，用于指導矢量試車臺的推力校準。

［1］張勁，劉自虎，祝學平.軍用航空發動機推力矢量技術發展展望［J］.江蘇航空，2002(3):15-16.

［2］吳惠明，焦獻瑞.發動機試車臺推力測量系統中心加載現場校準技術研究［J］.計測技術，2009，29(1):28-30.