基于首飛任務科目的初始飛行前持久試車載荷譜設計

陳偉博 姜繁生 于明

摘要：本文介紹了一種基于首飛科目的初始飛行前持久試車載荷譜設計方法，包括首飛任務科目的確定、飛行任務剖面的編制、持久試車載荷譜的編制等。本文的研究內容具有一定的工程實用性，為新研制的航空發動機首飛前的持久試車載荷譜設計提供了方法。

Abstract： This paper introduces a design method of the endurance test load spectrum before the first flight based on the first flight subjects， including the determination of the first flight mission subjects， the compilation of the flight mission profile， the compilation of the endurance test load spectrum，etc..The research content of this paper has certain engineering practicability， which provides a method for the design of the endurance test load spectrum of the newly developed aeroengine before the first flight.

關鍵詞：首飛科目;初始飛行前;持久試車載荷譜

Key words： first flight subjects;before the first flight;endurance test load spectrum

中圖分類號：V263.1? ? ? ? ? ? ? ?; ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）24-0010-03

0? 引言

在《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發動機通用規范》中，將航空發動機研制分為三個階段，即初始飛行前階段、設計定型階段、生產定型階段，每個階段均需完成相應的考核試驗才能進入下一研制階段。在各階段的考核試驗中，持久試車是最為重要且難度最大的整機試驗，是對發動機的性能保持、結構完整性、強度壽命的全面考核，對發動機的技術鑒定具有重要意義。[1-4]

在發動機初始飛行前持久試車技術要求中，《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發動機通用規范》規定了試車載荷譜的制定應與飛行任務有關，即試車載荷譜的載荷要求需滿足飛行任務剖面的載荷要求。試車載荷譜的普遍制定方法為收集發動機外場飛行參數，從中選取出典型任務剖面，根據典型任務剖面確定出持久試車載荷譜。這種方法對于改進型發動機或衍生型發動機而言，通常可以參照大量的基準型發動機飛參數據制定飛行任務剖面，對于全新研制的發動機而言，發動機性能、用途差異較大，無法沿用其它型號的發動機飛行參數，故有必要開展相關研究，使初始飛行前的持久試車載荷譜既能滿足發動機考核要求，又不超出首飛所需的強度、壽命等要求，以便發動機可以順利進入下一階段的研制。

1? 持久試車載荷譜設計流程

針對全新研制的航空渦輪發動機，本文介紹一種通過確定發動機首飛任務科目，結合飛發協調計算等結果制定首飛任務剖面，最終根據飛行任務剖面確定持久試車載荷譜的方法。具體設計流程見圖1。

具體設計流程說明如下：

①確定首飛任務科目：首飛任務科目是飛行任務剖面的基礎;

②計算各任務科目完成所需的時間：根據飛發協調結果確定飛機爬升、水平加速等典型任務科目所需時間;

③設計首飛任務剖面：在首飛任務科目及所需時間確定后，根據發動機典型工作特點，按照暖機、起飛、爬升、飛行至預定高度、開展飛行任務、返航、冷機等內容編制飛行任務剖面;

④根據飛行任務剖面，編制持久試車載荷譜。

2? 首飛任務科目的確定

首飛任務科目主要驗證發動機研制要求中的關鍵性能指標及主要功能，一般包含用戶所關注的大部分戰技指標，通常有如下部分：

①發動機油門桿-轉速跟隨性：驗證發動機推力響應是否滿足指標要求;

②不同高度、馬赫數條件下的發動機加減速性：驗證發動機不同飛行包線區域內的加減速性是否滿足指標要求;

③消喘/防喘檢查：檢查發動機的消喘/防喘系統是否可以有效投入工作，并在規定時間內發動機恢復至正常工作狀態;

④空中風車起動：檢查發動機熄火后空中再起動的能力;

⑤空中水平加速：檢查發動機平飛加速性，是否達到指標要求;

⑥加力通斷檢查：檢查加力通斷邊界及加力燃燒室工作穩定性。

以上僅列出部分飛行科目，通常飛行科目由用戶方提出，與發動機方協調確認。

3? 主要飛發協調計算參數

確定完飛行科目后，需要確定與首飛任務科目相關的飛行時間，飛行時間的協調計算主要依據發動機的高度-速度特性及飛機阻力特性，需要飛發雙方共同制定，主要計算內容如下：

①發動機爬升時間：即飛機在起飛后爬升至目標高度所需的時間。需要根據飛行高度、馬赫數、發動機工作狀態計算發動機推力、飛機阻力，確定飛機爬升到目標高度時所需時間，得到的爬升時間將作為每架次飛行任務剖面的設計參數;

②平飛加速時間：平飛加速主要考核發動機不同高度下飛機從初始馬赫數飛行至目標馬赫數的加速時間，此時需要確定相應的飛行高度、馬赫數，計算發動機推力及飛機阻力，得到平飛加速時間;

③實用升限/爬升性能時間：即采用直接爬升法驗證飛機的實用升限及采用平飛加速法驗證飛機的爬升性能時間，需根據飛發協調結果計算爬升時間。

除上述需計算的相關飛行時間外，還應根據飛發協調結果確定不同高度、馬赫數下的穩定平飛考核時間、等表速下滑時間、各項功能檢查所需的時間等。

4? 首飛任務剖面的確定

在確定完首飛任務科目、相關飛行時間之后，可結合飛行架次安排每一次飛行所需完成的飛行科目，進行飛行任務剖面的編制。飛行任務剖面通常由發動機暖機、滑行、起飛、爬升、穩定平飛、發動機相關功能檢查、性能驗證等任務科目，通常在發動機首飛階段試驗科目較多，每架次飛行任務剖面均會有所不同。部分飛行任務剖面的制定如圖2～圖5所示。

圖2為發動機穩態檢查及加減速檢查飛行任務剖面，在完成暖機、起飛、爬升后，在規定的高度、馬赫數下開展發動機各轉速工作穩定性檢查，之后進行加減速檢查，完成后將在其它要求的高度、馬赫數條件下再次進行穩態檢查及加減速檢查。

圖3為發動機加減速檢查及加力通斷檢查飛行任務剖面，加力通斷通常包含慢車-全加力、中間-小加力、中間-全加力、小加力-全加力等科目的檢查。

圖4為發動機實用升限檢查等科目飛行任務剖面，飛機起飛至規定高度后，即以規定的發動機狀態、馬赫數進行爬升。

圖5為發動機平飛加速等科目飛行任務剖面，飛機起飛至規定高度后，即以規定的發動機狀態飛行至包線右邊界。

5? 持久試車載荷譜設計

5.1 設計原則

在持久試車載荷譜的設計過程中，通常需要考慮發動機大狀態（中間及以上）工作時間、低循環疲勞次數、加力點火次數（帶加力燃燒室的航空渦輪發動機）等。

發動機低循環疲勞次數通常以三循環方式進行編制，即Ⅰ類循環（停車-最大/中間-停車）、Ⅱ類循環（慢車-最大/中間-慢車）、Ⅲ類循環（巡航-最大/中間-巡航），在發動機載荷統計時，通常利用雨流計數法得到所有循環，并將Ⅱ類循環、Ⅲ類循環換算為Ⅰ類循環，得到總累積循環數。

發動機的疲勞損傷通常以總累積循環數和大狀態工作時間表征，在持久試車載荷譜設計過程中，總累積循環數、大狀態工作時間和加力點火次數（帶加力燃燒室的航空渦輪發動機）需不低于飛行任務剖面統計結果。

5.2 持久試車載荷譜設計

目前國內持久試車載荷譜的設計方法較多，有系統聚類法、主成分聚類法、模糊聚類法等[5-15]，這些方法普遍適用于外場飛行架次較多、飛行剖面復雜多變的情況，且需要選取典型任務剖面進行分析。考慮到飛發協調計算得到的飛行任務剖面每架次飛行科目均不相同，本文根據通用標準試驗載荷譜的編制方法進行持久試車載荷譜設計，具體步驟如下：

①統計所有載荷循環：對首飛任務剖面的所有載荷循環數進行統計，包括Ⅰ類循環、Ⅱ類循環、Ⅲ類循環;

②生成任務剖面載荷參數序列：由以上統計的循環數，根據飛行總架次及飛行總時間，生成發動機各飛行任務在一定時間內的任務混頻，得到每一次試車發動機轉速狀態及Ⅱ類循環、Ⅲ類循環次數;

③分段統計各轉速狀態保持時間：將劃分好的發動機轉速范圍根據飛行任務剖面分配各載荷狀態時間，包括大狀態時間、巡航時間、慢車時間;

④編制持久試車載荷譜：在得到上述參數后，根據試驗循環數、各轉速狀態工作時間、生成持久試車載荷譜。

若不同架次首飛任務剖面的總時間及低循環疲勞次數差異較大，為保證考核充分，生成的試車載荷譜通常需要兩個以上。以上述協調計算產生的飛行任務剖面為例，生成的持久試車載荷譜見圖6～圖7所示。

6? 結論

通過本文的研究，得到以下結論：

①對于新研制的航空渦輪發動機，若無法參考其它發動機的外場飛行參數，可通過飛發協調計算得到首飛任務剖面，以此作為初始飛行前持久試車載荷譜的設計輸入。

②根據任務混頻等設計方法，在滿足發動機飛行任務剖面載荷要求的條件下，根據統計的低疲勞循環次數、各轉速段工作時間可得出用于試驗考核的持久試車載荷譜。

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