航空發動機露天試驗基地選址分析

徐雨生

（中國航空規劃設計研究總院有限公司，北京 100120）

航空發動機在露天試車臺進行的特種試驗任務是型號研制過程中必須開展的工作，航空發動機露天試驗主要是利用空曠的場地、露天大氣環境、配套專用的試驗設施、測量設備來開展航空發動機整機試驗。本文針對不同露天試驗設施的工藝特點，總結出露天試驗基地選址的幾大因素，為露天試驗能力規劃建設提供建議。

1 航空發動機露天試驗分類

1.1 基準性能試驗

基準性能試驗主要是在露天區域進行的整機試驗，由于周邊氣流流速為零，多用于室內整機試車臺的推力校準和性能標定。基準性能試驗臺同時可以完成噪聲測試，主要是在發動機全部運轉工作狀態下，測量發動機噪聲等場強線圖的不連續頻率與帶寬的噪聲成分。為控制周邊噪聲，需要在試車臺進氣道處增設導流裝置，典型的進氣導流裝置見圖1。

圖1 安裝了整流屏的噪聲研究試車臺

1.2 發動機紅外輻射測量試驗

對于軍用飛機，航空發動機的紅外特征是衡量其生存力的重要指標，GJB 241A-2007《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發動機通用規范》中提出了發動機紅外輻射特征分析和測試試驗的要求。

根據紅外輻射測量特點，在進行全尺寸試驗件臺架試車時，需要選擇具有足夠紅外輻射測量場地的露天試車臺或在機場裝飛機進行，同時，試驗過程對方位角也有相關要求，如圖2 所示。

圖2 發動機排氣系統紅外測試試驗方位角要求示意圖

1.3 發動機吞咽試驗

民用適航條例要求軍用航空發動機須進行特種試驗，如抗外物損傷試驗、包容試驗等，具體包括吞鳥、吞冰、吞水、吞砂等。此類試驗具有較大的破壞性和危害性，不適合在室外試驗設施中進行，為減少破壞后的損失，節省防護費用等，一般在室外露天試車臺進行。

1.4 環境適應性試驗

（1）結冰試驗。環境結冰試驗是模擬飛機在存在過冷水滴、冰晶及雪花的大氣中飛行時，發動機的零部件，特別是進氣部件前緣可能發生的結冰情況。目的就是驗證發動機進氣系統結冰情況和防冰系統的工作能力，驗證防冰系統的可靠性。

（2）側風試驗。飛機在寬廣的空域和復雜的氣象條件下進行，隨時都可能遇到與發動機中心線成各種夾角的風切變的影響，特別是強側風可能會造成發動機進口流場畸變，從而造成壓氣機工作不穩定。側風試驗一般是利用人造風源（最大風速可達31m/s）進行逆風、側風和順風試驗，測量各種風向對發動機性能的影響。

1.5 航空發動機姿態試驗

GJB241A-2010 規定發動機能在飛機飛行的各種姿態下工作，諸如起飛、爬升、倒飛、空戰機動、加油、地形跟蹤。對于發動機設計，這些工作狀態的持續時間是一項重要的考慮。姿態試車臺是為了實現小涵道比發動機姿態試驗以及常規試驗而設計的露天試車臺，其主要功能為模擬發動機俯仰、橫滾姿態動作并承受發動機試車時推力。

1.6 航空發動機陀螺試驗

根據陀螺原理，發動機轉子在隨飛機作公轉的過程中會產生較大的陀螺力矩，該陀螺力矩通過軸承、軸承座、承力機匣、安裝節最終傳至飛機上。美國空軍研究表明：由于飛機3.5rad/s 的轉彎，軸承載荷可增加15倍，作用在轉子單個葉片上的力可為相應氣動力的3 倍。為驗證發動機在承受陀螺力矩時的工作能力，規范要求進行陀螺試驗，發動機陀螺試驗要求場地較大、工作條件復雜并存在一定的安全問題，只能在露天條件下進行試驗。

2 露天試驗基地選址分析

根據露天試驗設備的工藝特點和試驗要求，經過整理，露天試驗區的選址需要注意以下幾點。

2.1 選址地區遠離辦公區、居住區

為了使發動機試驗更接近于真實工作狀態，露天試驗臺設施無法增加隔聲降噪措施，露天試驗的噪聲最大可超過140dB（A），因此，建議露天試驗臺建在遠離辦公區和居住人口較少的城市遠郊區或空礦山區。國內早年建成的上海航空發動機露天試車臺和西安266 號露天試車臺，就因為噪音問題無法投入正常使用。建議規劃場界周圍約3 公里范圍內作為噪聲影響區，可以耕種，但不能有人居住。

2.2 選址地區建設場地空曠

露天特種試驗設備種類不一，但共同特征是對周邊場地要求較大。噪聲試驗需要周邊空曠以不影響噪聲測量，紅外試驗考慮噴口安全距離和周邊紅外干擾等因素也需要較為空曠的場地，吞咽試驗、陀螺試驗等則是涉及安全問題周邊一定距離不宜設置建構筑物和人員集中區域。

2.3 露天試驗設施間距較大

除了選址場地空曠、占地面積大外，露天試驗基地的選址還要考慮各露天試驗設施特點、氣流影響、噪聲影響、人員安全等因素。

（1）氣流影響區域。露天試車臺占地與室內車臺不同，不能僅僅考慮臺架本身及附屬設施占地的情況，還要考慮臺架周邊的氣流影響區域，在該區域內不能建設其他臺架，否則，進排氣會相互影響。根據相關資料，發動機進氣前方應保持50m、90°扇形區作為安全空間，排氣部分應保持200m、45°扇形區域作為安全區域。主要依據主要考慮溫度和氣流速度的影響，在200m左右的距離溫度基本可以降低到300K，流速基本控制在10m/s 左右。

（2）噪聲測量需求。進行噪聲測量的試車臺（渦扇和渦槳基準性能試車臺）在周圍75m 距離內不應存在任何地面建筑，周圍150 ～200m 不應存在較高建筑，地勢平坦，以防止噪聲反射。

（3）紅外輻射測量試驗臺。用于紅外輻射測量試驗的測量噴管具有最高不低于2150K 的熱射流，在確保人員和設備安全的前提下，需要較長距離才能測試0°方向的紅外輻射（對紅外輻射這是最重要的方向）。紅外測試儀器受測試鏡頭攝入角度的限制，進入紅外測試儀器的目標尺寸隨測試距離的增加而變大。如噴口射流長度為20m，測試距離需要60m。

（4）試車安全間距。以陀螺試車臺為例，由于其本身處于旋轉的狀態，必須保證其周圍的安全空間，因此，將陀螺試車臺置于一個相對孤立的區域，根據計算分析，建議確定500m 半徑以內作為控制區域，不得建設其他建構筑物。

2.4 選址地區海拔高度不宜過高

研究表明，當環境壓力在70kPa 以上或海拔高度在3km 以下時，環境壓力對發動機地面試車臺試驗換算結果的影響可以忽略不計，其試驗得到的發動機換算性能與在標準大氣海平面靜止條件下得到的發動機性能是一致的。

2.5 選址地區風向穩定、風速較低

露天基準試車臺對氣動性能的具體要求為：校準試車時，迎面風速不大于2.5m/s，側向風速不大于2.2m/s，必要時，可以使用擋風屏降速。因此，在露天試驗區選址時，需要選擇風向穩定且風速較低區域。建議選址環境風向要基本固定，且風速不高，一般不大于2.5m/s；大氣溫度應接近15℃為宜。

2.6 選址地區交通便利、能源充足

露天試車臺區建在淡水資源、電力資源充足的地區，這樣才能保證試車臺設施和配套氣源、風力裝置等設施的正常使用。露天試車臺區建在交通便利、通訊發達地區，這樣有利于物資的運輸和對外的溝通聯系。

2.7 遠離污染區、強磁場、強振動區域

為避免對發動機造成不必要的危害，同時，有利于發動機的維護，建議露天試驗臺建在遠離煙塵、粉塵、沙塵暴頻繁發生區域以及存在有害污染源地區，應遠離對發動機或試驗設備腐蝕較嚴重的環境，以進一步提升露天試驗設備的利用率和使用壽命。同時，露天試車臺區周圍應無強磁場和振動源，以免影響試車臺的正常使用和試驗測試精度。

3 國外露天試驗基地建設情況

美、英、法、俄等國的發動機公司均有其用于發動機研制的露天試車臺，基本情況見表1。

表1 國內外主要航空發動機研制機構露天試車臺概況

3.1 GE 公司皮勃爾斯試驗區

美國通用電氣公司航空發動機集團，有兩個露天試驗區，分別是皮勃爾斯試驗區和愛德華茲空軍基地試驗中心。試驗區共有13 座試車臺，其中9 座室外試車臺，4 座為室內試車臺，試驗區還有2 個發動機裝配車間。

3.2 PW 公司西棕櫚灘（West PalmBeach）試驗區

美國普拉特·惠特尼（PW）公司也有兩個露天試驗區，分別在佛羅里達州西棕櫚海灘和康涅狄克州哈特福德市。西棕櫚灘試驗區位于佛羅里達州西側的沼澤區，試驗區面積約7000 英畝。1952 年建立時，主要考慮各種試驗噪音較大，因此試驗區距離最近的居民區30 英里。試驗區包括西科斯基直升機試驗中心、航空發動機試車臺、火箭發動機試車臺等。

3.3 美國海軍推進中心

美國海軍推進中心的露天試驗區位于新澤西的Lakehurst，占地21 英畝，有3 座露天試車臺，分別為陀螺試驗臺、多功能試驗臺和姿態試驗臺，用于發動機的性能、耐久性、陀螺和姿態等試驗以及紅外、噪聲、排煙等測量。

3.4 RR 公司的露天試車臺

RR 公司曾經在英國達比（Derby）東北約32km 處建設了4 座航空發動機露天試車臺，主要承擔性能試驗、側風試驗和反推力試驗，以及噪聲測量、X 射線測量等。2009 年和2011 年，RR 公司在美國密西西比州陸續建設并投入使用了2 座大型發動機露天試車臺。

3.5 加拿大的露天試驗區

為充分利用自然環境，GE 公司在加拿大（溫尼伯）占地17 畝與West Canitest 共同建設充分利用自然資源能模擬各種大氣條件的發動機露天試車臺。RR 和PW等公司合作分別在加拿大Thompson 分別建設露天試車臺，主要開展發動機結冰試驗。

4 結語

本文簡要介紹了航空發動機露天試驗的分類，并根據試驗設施工藝特點總結了試驗基地的選址原則、選址因素及建設特點，為后續露天試驗園區的建設提供參考。