飛機發動機空中起動試飛方法研究

劉杰 張建湘 趙曉明

摘 要：飛機發動機的空中起動能力關系到飛機的飛行安全。飛機交付用戶之前，組織飛機發動機空中起動試飛是必要的。結合某飛機發動機出廠試飛為例，本文從飛機發動機空中起動試飛的重要性入手，識別試飛中的風險并制定了相應控制措施，分析飛機發動機空中起動特性并制定發動機空中起動的試飛操作程序。

關鍵詞：風車起動;風險分析;試飛操作程序

中圖分類號：V263.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）22-0081-02

0 引言

裝配渦扇發動機的在遇到意外擾動情況下，極易出現空中熄火停車現象，需通過可靠的空中起動，保障飛機的戰斗力，規避等級事故的出現。因此，發動機空中停車后，空中起動成功與否，關系到飛行安全。飛機發動機性能檢測可通過地面模擬試驗完成，而地面模擬條件難以呈現高空的大氣環境、發動機負載參數變化、飛機與發動機的動態匹配等參數，不能及時發現飛機發動機空中起動的問題。在飛機交付用戶前，需對發動機開展空中起動試飛試驗，檢驗飛機發動機空中起動的可靠性。

1 飛機發動機空中起動試飛方法分析

1.1 試飛項目概況

本文將某型號的飛機出廠試飛為研究對象，空中起動類型包括慣性起動與風車起動等，前者是指在發動機出現空中以外停車現象時，控制系統可在飛行員了解狀況前，自動開啟空中起動程序。就渦扇發動機而言，其空中起動試飛不易出現空中意外停車，飛機在沒有測試改裝的情況下，無法達到驗證慣性起動功能的目的。

風車起動是發動機空中起動的一種重要方式，是指發動機在風車狀態下提高速度，逐漸轉變為慢車狀態的過程。這里的風車狀態為發動機出現空中意外停車，且燃燒室保持熄火或不運行狀態，氣流進入到發動機內，并在阻力矩、空氣與轉子慣性的協調作用下，推動發動機機軸，使其在某一時間內保持穩定轉速，進入亞穩定旋轉狀態，是發動機獨有的工作狀態，和以往的發動機燃燒運轉有顯著差異。就發動機的運行原理可知，渦輪與壓氣機均屬于制動器的一種，需在能量供給的情況下運行。在發動機進入風車狀態后，并無動物供給，需通過飛機的飛行速度提供能源。就此，在風車起動過程中，能量變化流程如下：飛行速度→轉子機械能，推動轉子運行。另外，就做功角度而言，飛機飛行速度使飛機產生迎面氣流，該氣流可推動壓氣機的葉輪運轉，使其做功。該原理也適用于渦輪部件，在迎面氣流進入到渦輪收斂通道內，可進入膨脹加速狀態，推動渦輪運轉，使其做功，獲得的功率會傳輸到壓氣機中。基于上述原理，在飛機出現空中意外停車后，飛車啟動是飛機狀態冷轉過程到風車狀態的轉變。

分析飛機發動機起動試飛方法，針對某型號的飛機出廠試飛，選取風車起動方法對發動機的空中起動性能進行檢查。

1.2 渦扇發動機的空中起動特點

1.2.1 無需起動機提供輔助

通過上述分析可知，迎面氣流的出現可帶動飛機發動機的轉子旋轉，使壓氣機與渦輪的運行參數與標準數值差距加大，此時發動機的運行效率低下，但進入平衡的風車狀態后，可保持飛機的穩定。而在飛機風車狀態下，噴管的可用壓力降逐漸減少，直到低于臨界壓力降，此時飛行馬赫數會影響發動機的換算轉速，二者間的關系趨近于正相關關系;在可用壓力降并未低于臨界壓力降，且無限趨近時，飛行馬赫數不會影響發動機的換算轉速，此時飛機的風車轉速逐漸加大，最高可達最大轉速的70%，可滿足飛機的自動空中起動，無需利用起動機提供輔助。

1.2.2 難以進入完全風車狀態

在發動機出現空中意外停車后，可通過立即點火，起動發動機，提升轉子轉速。但在實踐操作中，飛行員極易錯過發動機的最佳打火時機，導致轉子轉速不斷下降，在其數值小于空中起動下限轉速時，燃料并未達到最佳霧化質量，且空氣進入效果不佳，不能在燃燒室內有效點火，生成的火源不夠穩定，發動機難以進入完全風車狀態。就此，針對該問題，飛行員需利用起動機提供輔助，或者操縱飛機完成俯沖，提升轉子轉速，創設最佳打火條件，使發動機進入完全風車狀態。

1.2.3 空中點火條件惡劣

飛機的飛行環境為高空，具有溫度低、密度小與壓力小等特征，使得發動機的周圍空氣流量，遠小于地面狀態下的數值。在飛機空中起動過程中，剩余扭矩的降低，加大了燃燒室進口的空氣速度。同時，高空條件下的燃燒室進口壓力減小，使燃燒室的余氣系數越小。此時點火難以生成穩定的火源，空中起動難度較大。飛機的飛行高度越高，點火條件越惡劣。可見，在飛機空中起動中，其包線范圍會受點火條件的影響。

1.3 風車轉速與高度、速度特性

在相同高度下，飛機的飛行速度與風車轉速呈正相關關系，但高壓轉子的速度一直低于低壓轉子。出現該現象的原因在于風車狀態下的發動機部件功能轉變，原本提供動力的部件，會在風車狀態下負責提供阻力。當迎面氣流進入發動機內部時，部分阻力轉變為動能，部分阻力被消耗。在上述過程中，飛機的飛行速度越快，產生的能量就越大，使轉子獲得更多的動能，提升其轉速。

在相同的速度下，隨著高度的升高，風車轉速略有增大。在飛行速度不變的情況下，飛機所處的高度越高，大氣密度越小，風扇前方的空氣流量隨之降低。在迎面氣流進入風扇內部部件后，一部分氣流沿外涵道流通;一部分氣流沿內涵道流通。內涵道流通的氣流會進入到核心機中。飛機的飛行高度會提升核心機進入的流量，但由于風扇的內外涵道呈相互補充狀態，內涵道的增多，會降低外涵道（即風扇進口部位）的流量。此時，風扇核心機的壓氣機受到更大的沖力，可提升風扇的轉速。

通過上述分析可知，在一定的高度下，飛行速度的增加，會提升風車轉速;在一定的飛行速度下，高度的增加，也會提升風車轉速，但提升效果低于上一種狀況。

2 飛機發動機空中起動試飛風險分析

飛機發動機空中起動試飛屬于高風險試飛科目，存在多種風險，威脅試飛人員與飛機的安全，試飛工程技術人員和試飛員需掌握發動機空中起動試飛的風險，試飛最大的風險是被試發動機空中起動不成功。采取針對性預防與規避措施，確保飛行安全。