基于單發(fā)飛機的渦扇發(fā)動機空中起動試飛方案設計

熊蓓文，劉志林，熊宇琳，尹夢驕

(成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，成都 610092)

1 引言

航空發(fā)動機的空中起動性能事關飛行安全，其起動包線是否準確、起動過程是否穩(wěn)定可靠，都需要通過試飛來進行考核和驗證，因此發(fā)動機空中起動性能的考核是發(fā)動機鑒定試飛的關鍵項目。長期以來，空中起動試飛都是試飛領域受到高度關注與重視的風險科目，尤其是在單發(fā)飛機上進行的新研發(fā)動機空中起動試飛，相比雙發(fā)飛機難度更大、風險更高，GJB 626A-2006《軍用固定翼飛機和旋翼飛機科研試飛風險科目》[1]將單發(fā)飛機的空中起動試飛列為Ⅰ類風險科目。通常，國內外新研發(fā)動機的鑒定試飛都盡量安排在雙發(fā)飛機上進行，試飛時試驗飛機上配裝一臺成熟發(fā)動機和一臺用于鑒定的新發(fā)動機，以減少和化解新研發(fā)動機不可靠、不成熟所帶來的風險。一般來講，新研發(fā)動機只有在雙發(fā)飛機上試飛成熟并定型后才會配裝單發(fā)飛機，但有時由于缺乏合適的雙發(fā)飛機平臺，個別新研發(fā)動機只能在單發(fā)飛機上開展鑒定試飛，這就大大增加了試飛的難度和風險。尤其是試飛時發(fā)動機空中起動一旦失敗，飛行員只能選擇空滑迫降或棄機跳傘，因此空中起動試飛方案的設計是單發(fā)飛機進行新研發(fā)動機鑒定試飛的重要內容。

由于各型飛機及其配裝的發(fā)動機在設計上的差別，發(fā)動機空中起動的種類和方式各不相同。如按發(fā)動機停車后的狀態(tài)有慣性起動和風車起動之分，按渦輪起動機是否參與起動有輔助帶轉起動和非輔助帶轉起動之分，按飛行員是否參與起動過程有自動起動和手動起動之分。受飛機飛行包線的影響，同樣的發(fā)動機在不同的飛機上其起動包線范圍也會不一樣，其試驗點的選擇就比較關鍵。另外，發(fā)動機的起動過程也各具特點，有的發(fā)動機起動時會帶著飛機附件機匣上的交流發(fā)電機和液壓泵等負載工作，而有的則不需要。因此，在設計空中起動試飛方案時要根據(jù)飛機和發(fā)動機的特點，明確空中起動類型和方式，選擇合適的試驗點，確定相應的試驗架次和試驗順序，規(guī)定試驗的方法和操作流程，制定試飛監(jiān)控方案，指導如何開展空中起動試飛前的空滑迫降演練等。

2 空中起動試飛方案設計思路

與雙發(fā)飛機相比，單發(fā)飛機空中起動有以下特點：①一旦起動失敗，要么飛機迫降，要么飛行員棄機跳傘；②停車后由發(fā)動機驅動的飛機交直流發(fā)電機和液壓泵停止工作，機上的供電和液壓驅動轉換為由應急或備份系統(tǒng)保障，轉換過程飛機會出現(xiàn)告警和故障現(xiàn)象；③發(fā)動機起動過程中往往存在帶著交流發(fā)動機和液壓泵等負載的情況，增大了發(fā)動機風車起動難度。為此，單發(fā)飛機空中起動試飛方案設計的思路主要為：

(1) 根據(jù)試飛目的和試飛要求設計試飛科目，確定空中起動試飛類型，明確進行慣性起動還是風車起動，是否進行輔助帶轉起動還是只進行非輔助帶轉起動，或者兼而有之。并根據(jù)飛機飛行包線和發(fā)動機起動包線范圍及有關標準、要求，選擇空中起動試驗點，明確試驗條件、試驗次數(shù)和試驗順序。

(2) 按照飛行操作要求和使用特點，設計空中起動試飛的試驗方法和操作流程。

(3) 根據(jù)獲取試飛數(shù)據(jù)和安全監(jiān)控的需要，制定飛機、發(fā)動機測試改裝要求和試飛監(jiān)控方案。

(4) 明確飛行前地面試驗要求，制定飛行前飛機和發(fā)動機的地面檢查、試驗方案。

(5) 按照方案確定的試驗點和試驗條件設計相應的試飛航線和飛行剖面。

(6) 做好起動失敗被迫進行迫降的準備，空中起動試飛方案應包含空滑迫降演練內容。

3 空中起動試飛方案設計

3.1 試飛科目設計

試飛科目設計是試飛方案設計的核心，也是編制試飛大綱的重要內容，主要包括空中起動試飛類型、空中起動試驗點及起動次數(shù)和試驗順序。

3.1.1 空中起動試飛類型

無應急動力系統(tǒng)的單發(fā)飛機通常不進行風車起動而只進行慣性起動。這是由于風車轉速很低，此時發(fā)動機帶著交流發(fā)動機和液壓泵等負載進行起動會很困難、失敗的幾率高；如果發(fā)動機的渦輪起動機具有輔助帶轉能力，除了進行慣性起動外，還應進行輔助帶轉起動試驗以檢查其輔助帶轉起動功能?？罩衅饎釉囷w需要飛行員把油門桿拉至停車位置人為拉停發(fā)動機，待發(fā)動機高壓轉子轉速N2降至試驗轉速后再推油門桿至慢車位置起動發(fā)動機，因此空中起動試飛只能通過飛行員推油門桿的手動方式進行起動。某型飛機無應急動力系統(tǒng)，其發(fā)動機也無輔助帶轉起動功能，為此該發(fā)動機只進行慣性起動，通過油門桿手動起動方式進行。

3.1.2 空中起動試驗點及起動次數(shù)

根據(jù)國軍標GJB 243A-2004[2]的規(guī)定，空中起動試飛一般在起動包線內選取3～4個高度、2～3種速度作為試驗點，重點檢查和考核起動包線邊界(特別是小速度邊界)的起動能力，且每個試驗點的起動次數(shù)不少于3次。典型的空中起動試驗點，通常包括包線中央試驗點、高空左邊界試驗點、低空左邊界試驗點和中高空大速度試驗點幾類。圖1為某發(fā)動機空中起動試驗點安排示意圖，圖中H為飛行高度，Ma為飛行馬赫數(shù)。為充分考核發(fā)動機的空中起動性能，每個試驗點都應盡可能進行不同轉速的起動試驗。如某試驗點要進行3次慣性起動，可安排1次高轉速(N2=50%)和2次低轉速(N2=35%)起動。

圖1 發(fā)動機空中起動試驗點安排示意圖Fig.1 Scheduling diagram for the engine air-start flight test pointes

3.1.3 空中起動試驗順序

試驗順序安排按照先易后難的原則進行。前述幾個典型試驗點相比較，高空左邊界試驗點因空氣稀薄、含氧量低，發(fā)動機空中起動最困難。但由于飛行高度高、處置時間充裕，一旦起動未成功，不僅有多次起動機會，飛行員還能調整飛機的飛行高度和飛行速度到飛行包線中易起動區(qū)域進行起動。低空左邊界試驗點雖然大氣條件對起動有利，但一旦起動不成功往往缺乏回旋余地，無第二次起動機會，只能空滑迫降。包線中央試驗點兼有以上二者優(yōu)點。因此，空中起動試飛一般先在包線中央進行，然后依次在高空左邊界、中高空大速度、低空左邊界進行。同一個試驗點的空起試飛，則先大轉速(N2=50%)、后小轉速(N2=35%)。按照上述原則與方法，該型飛機的發(fā)動機空中起動試飛科目設計如表1所示。

表1 空中起動試飛科目設計Table 1 Design of the air-start flight test subject

3.2 試飛方法和流程設計

3.2.1 試飛方法

空中起動試飛時，飛行員在高于試驗點規(guī)定的高度、速度位置先將油門桿收到停車位置，待發(fā)動機轉速降到試驗規(guī)定的轉速，飛機也下降到試驗要求的高度、速度范圍后，推油門桿到慢車或慢車以上位置，此時發(fā)動機控制系統(tǒng)發(fā)出起動指令，對燃燒室進行補氧、點火，起動發(fā)動機。應注意，如果起動過程中發(fā)動機出現(xiàn)轉速懸掛、超溫等現(xiàn)象，需將發(fā)動機拉停后重新起動。

3.2.2 操作流程

空中起動試飛時，飛機起飛后飛行員一般要先按照預先規(guī)劃和設計的空中起動試飛航線進行1～2次模擬操作演練，以熟悉操作流程、方法和飛行航線路徑，待準備充分后才開始空中起動試驗。圖2為某飛機發(fā)動機空中起動試飛的操作流程，給飛行員提示了試飛的操作流程以及拉停發(fā)動機后飛機的顯示告警和操縱特性變化情況。圖中，N1為發(fā)動機低壓轉子轉速，T4為發(fā)動機渦輪后燃氣溫度。

3.3 測試改裝和試飛監(jiān)控設計

圖2 空中起動試飛操作流程Fig.2 Implementation flowchart of the air-start flight test

為獲取試飛數(shù)據(jù)和保障試飛安全，飛機需加裝機載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(ADAS)，采集、記錄飛機的飛行參數(shù)和飛機、發(fā)動機的狀態(tài)信息，并遙測發(fā)送到地面；地面建立試飛監(jiān)控系統(tǒng)(GDAS)。試飛時GDAS實時接收并處理ADAS發(fā)送回地面的試飛數(shù)據(jù)，對飛機和發(fā)動機的相關參數(shù)與狀態(tài)信息進行實時監(jiān)控。發(fā)動機停車后飛機電源系統(tǒng)會故障報警，飛機系統(tǒng)將轉為由機上蓄電池或應急動力系統(tǒng)供電。為此，空中起動試飛時ADAS應自備蓄電池，飛行員在拉停發(fā)動機前通過座艙內的電源轉換開關將ADAS由機上電源系統(tǒng)供電轉為由自備蓄電池供電，以避免發(fā)動機停車后機上電源故障和供電轉換過程導致的試飛數(shù)據(jù)丟失與監(jiān)控信號中斷。

空中起動試飛時，GDAS應重點監(jiān)控飛行的高度，速度，飛機航跡和位置，油門桿位置，點火信號，發(fā)動機低壓轉子轉速、高壓轉子轉速、渦輪后燃氣溫度，發(fā)動機燃油入口壓力，滑油壓力等是否正常。起動過程中尤其要重點關注發(fā)動機高壓轉子轉速和渦輪后燃氣溫度的變化，一旦出現(xiàn)轉速冷懸掛或熱懸掛現(xiàn)象，要立即提醒飛行員采取相應處置措施。

3.4 試飛前地面檢查和試驗

不同型號飛機和發(fā)動機根據(jù)其設計的不同，飛行前各自的地面檢查、試驗內容不盡相同。該型飛機空中起動試飛前的地面檢查和試驗主要包括：發(fā)動機流道檢查、起動電氣系統(tǒng)檢查、點火補氧系統(tǒng)檢查，飛機應急供電系統(tǒng)檢查、應急電動泵檢查、應急放起落架檢查、應急剎車檢查，發(fā)動機地面模擬空中起動試驗等。

3.5 試飛航線和飛行剖面

為確?？罩衅饎硬怀晒r飛機能空滑返回機場進行迫降，每次空中起動試飛前要根據(jù)空中起動試驗的高度、速度、轉速要求，按照飛機的空滑比計算和確定每個空中起動科目動作點(拉停和起動發(fā)動機)距機場的最佳位置，規(guī)劃和設計空中起動試飛的航線與飛行剖面(圖3)。試驗前要將計算出的空中起動動作點坐標和規(guī)劃的航線加載到飛機上便于飛行員操作，地面監(jiān)控系統(tǒng)也將制作相應監(jiān)控畫面在飛行時實時監(jiān)控。

3.6 空滑迫降演練設計

圖3 空中起動試飛航線和飛行剖面Fig.3 Diagram of the flight line and the flight profile for air-start

為應對空中起動失敗后飛機被迫進行空滑迫降的情況，空中起動試飛前需先進行空滑迫降演練，使飛行員熟悉飛機失去動力后的操縱特性和空滑迫降的操作流程，驗證預先規(guī)劃的各次試驗的空中停車點、試飛航線、迫降航線是否準確?？栈冉笛菥殤ǖ孛骘w行模擬器演練和飛行演練兩部分。飛行模擬器演練是根據(jù)以往試飛數(shù)據(jù)、飛機的升阻比和空滑比等參數(shù)在模擬器上建立空滑迫降模型，試飛員和試飛工程師根據(jù)試飛任務書內容進行演練；飛行演練則是嚴格按照每次空中起動預先設計的試飛航線和飛行剖面(圖3)，在空中將發(fā)動機油門收至慢車、打開飛機減速板，模擬發(fā)動機停車失去動力后如何通過空滑返回機場進行迫降。

4 空中起動試飛試驗

某發(fā)動機試飛中，先后進行了15次空中起動試飛，且空中起動均一次成功，充分檢查和驗證了該發(fā)動機的空中起動性能。表2給出了該發(fā)動機空中起動試飛試驗情況。試驗數(shù)據(jù)表明，飛行高度低和速度大對空中起動有利，起動時間相對較短；單發(fā)飛機超聲速起動較難實施，發(fā)動機拉停后飛機減速很快，發(fā)動機降到規(guī)定轉速時飛機已變?yōu)閬喡曀亠w行。如進行中高空飛行高度(8.0～10.0 km)，大飛行速度(800～850 km/h)、小轉速(N2=(35±2)%)空中起動試飛，發(fā)動機在飛行高度8.1 km、飛行速度1 050 km/h時拉停，停車后飛機迅速減速，飛行員操縱飛機通過大角度俯沖直到5.9 km高度才能達到起動所需的速度要求。

表2 空中起動試飛試驗情況Table 2 Results of the air-start flight test

圖4 發(fā)動機在輔助空中起動試驗期間的參數(shù)變化Fig.4 Parameters history for the turbofan engine during the auxiliary air-start test

另外，試驗中還發(fā)現(xiàn)了飛機相關系統(tǒng)存在的問題與缺陷。如進行高空左邊界N2=(35±2)%慣性起動試驗時，渦輪后燃氣溫度上升很緩慢，起動時間長達56 s，如圖4所示。經(jīng)分析，其原因是在高空發(fā)動機燃油入口壓力低導致起動時供油不足。為此，飛機燃油系統(tǒng)專門加設了增壓泵以提高發(fā)動機起動時的燃油入口壓力，并明確了空中起動試飛時發(fā)動機燃油入口壓力值的監(jiān)控要求。改進后，再次進行該狀態(tài)點的空中起動試飛驗證，起動時間縮短到30 s以內，效果明顯。

5 結束語

介紹了基于單發(fā)飛機的渦扇發(fā)動機空中起動試飛方案設計的思路、內容和方法，以及在某型飛機渦扇發(fā)動機空中起動試飛中的應用與試驗情況。該發(fā)動機據(jù)此開展的15次空中起動試飛結果表明，其空中起動試飛方案內容完整、方案合理、方法可行，可滿足單發(fā)飛機空中起動試飛的需要，能安全、穩(wěn)妥、有效地推進發(fā)動機空中起動試飛的進程。