渦軸發(fā)動機吞鳥試驗方法研究

康 飛 盛 騰 許明文 朱明明

鳥撞機即鳥與高速飛行的航空器相碰撞的事件。鳥撞機是威脅航空安全的重要因素之一，自1988 年以來，鳥撞機引起的墜機事故已至少造成200 多人的死亡[1-2]。

在直升機領(lǐng)域，雖然該種航空器相對于固定翼飛機通常航速較低，但對于裝備直升機的渦軸發(fā)動機來說，鳥撞機的危害依然是致命的。因此無論國內(nèi)外民機適航取證還是軍機設(shè)計定型渦輪軸發(fā)動機的抗撞鳥性能都提出一定的要求。所以在發(fā)動機研制階段組織實施地面試車臺的發(fā)動機吞鳥試驗科目是必需的。

1 試驗方法及內(nèi)容

1.1 試驗內(nèi)容

發(fā)動機吞鳥試驗工作分為三個階段：試驗平臺的搭建、投擲裝置的調(diào)試，試驗實施。

1.2 試驗平臺搭建

首先需按照場地規(guī)模和試驗要求搭建吞鳥試驗平臺。該平臺應(yīng)至少有試驗件臺架、投擲裝置及高速攝影裝置三個部分。該試驗平臺布置示意如圖1 所示。試驗平臺的布置應(yīng)能滿足以下基本要求：

a.投擲裝置布置應(yīng)能保證飛鳥投入試驗件入口。

b.試驗平臺應(yīng)滿足高速攝影器材測速需要。

c.試驗平臺中各種儀器設(shè)備之間應(yīng)無相互干擾或其他安全隱患。

圖1 吞鳥試驗平臺布置

1.3 投擲裝置調(diào)試

投擲裝置調(diào)試的主要目的是保證預(yù)想射速與實際射速相一致以確保實際試驗中飛鳥的實際射速滿足試驗要求。

本文所述投擲裝置為空氣炮，其基本原理是依靠壓縮空氣在炮管內(nèi)膨脹過程推動投擲物（含飛鳥）由靜止加速到預(yù)定速度繼而從炮口拋出。調(diào)試試驗數(shù)據(jù)如表1 所示，可見該型投擲裝置預(yù)設(shè)射速與實際射速值存在較大偏差。所以需依據(jù)該型氣體炮投射的物理原理對投射速度v 進行擬合。

本文采用最小二乘法[3]擬合二次曲線的策略，根據(jù)空氣炮空氣壓力能與投擲物動能的線性關(guān)系構(gòu)造如下曲線式。

圖2 某空氣炮射速X 與Y 的二次曲線擬合

Y=aX2+bX+c；

X=v；

Y=K；

式中：v—射速；

P—發(fā)射初始氣壓；

m—投擲物（含飛鳥）總質(zhì)量。

擬合曲線如圖2 所示。

經(jīng)擬合的二次曲線式。

由（2）、（3）式即可求得該空氣炮發(fā)射壓力P 與速度v 的對應(yīng)關(guān)系。

表1 投擲裝置射速及偏差度

1.4 試驗實施

試驗實施階段要點：

a.確保試驗安全。

b.確保投擲物（飛鳥）的實際質(zhì)量與實際投擲速度符合試驗要求。

試驗方法：首先檢查各試驗器材狀況確認其能正常運行，現(xiàn)場對活的飛鳥進行現(xiàn)場宰殺并稱量其質(zhì)量，若同組多只鳥毛色接近則需對不同的飛鳥先進行區(qū)別標(biāo)記（羽毛涂顏色）。

試驗開始前裝填飛鳥至投擲裝置，對發(fā)動機及其他試驗設(shè)備進行檢查，一切正常后起動試驗件至目標(biāo)狀態(tài)，透射手操作投擲裝置投送飛鳥，若發(fā)動機能繼續(xù)安全運行則按正常流程結(jié)束試驗。若否則操作發(fā)動機立即停車。試驗流程見圖4 所示。

實踐表明，對投擲物（飛鳥）進行標(biāo)記是必要的。多次試驗結(jié)果表明投射入發(fā)動機的飛鳥90%以上均出現(xiàn)肢體不全難以辨識（如圖3 所示）的問題。

圖3 發(fā)動機流道中的殘肢

破損機理：飛鳥投擲過程中擁有極高的動量，發(fā)動機流道[4]進口附近存在各種剛性支板及擋板。當(dāng)飛鳥瞬間撞在發(fā)動機支板或擋板處即出現(xiàn)破損現(xiàn)象，部分飛鳥殘肢高速沖進內(nèi)流道可能被內(nèi)流道中的支板瞬間切割。

鑒于該項試驗通常要求一次性投擲多只飛鳥，所以投擲前對不同飛鳥的羽毛進行區(qū)別染色是非常必要。

實踐證明對每組拋擲物（飛鳥）挑選遵循以下優(yōu)先原則：

第1 級：宰殺前必須是活的。

第2 級：體重符合要求。

第3 級：基礎(chǔ)毛/羽色色差對比明顯。

第4 級：挑選易于染色（優(yōu)先淺色）的單只鳥。

第5 級：對同組的飛鳥毛色進行差異化染色。

圖4 吞鳥試驗流程

2 試驗結(jié)果

對某投擲器拋射出口速度v 采用最小二乘法擬合二次曲線，該拋擲器在某次試驗實踐中使用該二次曲線進行拋射速度控制，其設(shè)置的目標(biāo)拋射速度與實際拋射速度極為接近（偏差度見表2 所示），該精度完全滿足試驗對精度的要求。

表2 投擲速度v 及偏差度

某吞鳥試驗中對表3 所示兩組投擲物視情采取不同處理方案，其效果令人滿意。

表3 投擲物組別

3 結(jié)論

實踐證明使用上述所述試驗方法能夠在地面整機試驗臺完成渦軸發(fā)動機吞鳥試驗。渦軸發(fā)動機地面吞鳥試技術(shù)要點及解決方法如下：

（1）投擲物實際投擲速度應(yīng)基本符合預(yù)期，為此刻根據(jù)投擲器投擲原理選用最小二乘法擬合二次曲線的方法消除投擲器系統(tǒng)誤差。

（2）投擲物的選擇應(yīng)合理，同一組別應(yīng)選擇毛色差異較大的單只便于試驗后對殘體進行區(qū)分，或可使用區(qū)分度強的顏料對同組飛鳥毛/羽色進行差異化染色。

（3）投擲器應(yīng)進行多次模擬，力求可靠。

研究結(jié)果為渦軸發(fā)動機吞鳥試驗的進一步改進提供支撐。