航空發動機高空模擬試驗設施建設與發展思考

張志國

(中國國際工程咨詢有限公司，北京 100048)

1 引言

航空發動機是當今世界上最為復雜的多學科集成物理系統，涉及了空氣動力學、工程熱物理、機械、電子、控制等多個學科與工程領域，是設計和制造難度最高的工業產品。航空發動機試驗在發動機研制過程中發揮著重要的作用，通過先進的試驗設備和試驗技術，不僅可以全面、有效地驗證航空發動機各方面的性能，還有助于及時發現設計問題、縮短研制周期和降低研制成本[1-2]。

鑒于航空發動機工作環境的復雜性，航空發動機設計點、設計手段無法涵蓋其使用狀態和使用環境，因此建設航空發動機高空模擬試車臺(簡稱高空臺)等試驗設施，是航空發動機產品研制和技術進步的必然手段。高空模擬試驗設施主要用于各類航空發動機科學研究、技術鑒定、適航取證等重要試驗，其研制技術難度大，建設成本高、周期長，運行維護技術復雜。

近年來，隨著國家對航空發動機研保條件建設投入的不斷加大，多座高空臺建成并投入使用，涵蓋了渦噴渦扇發動機、渦軸渦槳發動機、矢量推力發動機、大涵道比發動機的高空模擬試驗，進一步拓寬了我國航空發動機試驗驗證范圍，提升了試驗水平，填補了試驗能力上的多項空白，有效支撐了武器裝備科研生產任務。但是與國外航空發動機技術領先的國家相比，我國航空發動機高空模擬試驗設施，在一些方面仍然存在差距，不利于我國航空發動機產品的加速研制。

本文對國外高空模擬試驗設施進行了簡要介紹，并以美國阿諾德工程發展中心(AEDC)為例，對其高空模擬試驗設施發展方向和趨勢進行了分析，以期為我國航空發動機高空模擬試驗設施的建設與發展提供參考。

2 高空臺及高空模擬試驗

高空臺是規模最大、建設成本最高、運行維護成本最昂貴的航空發動機單體試驗設施，其規模與試驗能力主要取決于供氣和抽氣氣源的空氣流量、壓力、溫度范圍與高空艙直徑。高空臺主要由供氣系統、試驗艙系統、抽氣系統和水、電、油等配套系統組成，如圖1 所示。

圖1 高空模擬試驗設施系統組成Fig.1 Composition of altitude simulation test facility

航空發動機高空模擬試驗是將發動機安裝在試驗艙內，通過模擬發動機在飛行條件(飛行高度、飛行馬赫數)下的進口空氣總溫、總壓和噴管出口環境壓力，對發動機空中工作性能和特性進行測試。試驗時，按選定的目標飛行條件，建立發動機進口總溫、總壓和排氣環境壓力，調節發動機功率狀態(轉子轉速)，測量發動機空中工作推力/功率、耗油率，部件和腔室的壓力、溫度、振動、應力、間隙、速度、氣體成分，以及燃油、滑油、控制系統的壓力和溫度等參數，分析、驗證發動機及其部件和系統的性能、氣動、結構、強度、環境適應性等。高空模擬試驗原理如圖2 所示。

圖2 高空模擬試驗工作原理Fig.2 Operating principle of altitude simulation test facility

目前，高空臺主要開展的試驗科目有：高空性能試驗、高空功能試驗、空中起動和再起動、推力瞬變/功率變換試驗、進氣壓力畸變試驗、空中風車旋轉試驗、發動機振動測量試驗、高/低溫起動試驗、高原起動試驗和結冰試驗等[3-5]。

3 國外高空模擬試驗設施

國外擁有航空發動機高空模擬試驗設施的機構，主要集中在美國、俄羅斯、英國、法國、德國、日本和韓國。目前有跡象仍在運營高空臺的機構主要有，美國AEDC、NASA 格林研究中心(NASA GRC)、通用電氣公司(GE)、普·惠公司(P&W)，俄羅斯中央航空發動機研究院(CIAM)，法國航空動力試驗中心(CEPr)，德國斯圖加特大學，日本宇宙航空研究開發機構，以及韓國航空航天研究所。

3.1 美國高空模擬試驗設備

3.1.1 AEDC 高空模擬試驗設備

AEDC 隸屬于美國空軍裝備司令部空軍試驗中心，是美國重要戰略資源，也是世界上最大、最先進的飛行模擬試驗中心。AEDC 擁有高度復雜的各種環境試驗設備，對于燃氣渦輪發動機，AEDC擁有13 座高空模擬試驗艙(T-1～T-7，T11，T12，ASTF 的C-1/C-2 艙，J-1，J-2)，以及可滿足軍用渦噴渦扇發動機、渦軸渦槳發動機、巡航導彈發動機、沖壓發動機、民用大涵道比渦扇發動機、高超聲速動力等發動機試驗要求的各種試驗設備。此外，AEDC 還建設有海平面試車臺，主要用于加速任務試驗(AMT)等科目。AEDC 發動機試驗設備主要用于發動機常規工作性能、穩定性、適應性、壽命和可靠性等的考核試驗，包括結冰、腐蝕、壓力畸變、溫度畸變、加速任務試驗、發動機進氣道動力學特性、狀態模擬和發動機部件等領域的試驗。試驗基地全貌如圖3 所示。

圖3 阿諾德工程發展中心全貌Fig.3 Overall perspective of AEDC

ASTF 是AEDC 規模最大、技術最先進、最具代表性的高空臺，包含C-1 與C-2 兩座高空艙。ASTF 總投資為6.5 億美元，為有史以來最昂貴的單項航空試驗設備。ASTF 能夠通過完整的任務剖面圖非常精確地試驗整個推進系統，可滿足各類軍民用航空發動機考核驗證和取證。這種能力用于改善飛機推進系統試驗和評估，能顯著減少研制時間和飛行試驗，提高新一代飛機系統的操作性和性能。

近年來，C-1 主要用于測試各種軍用戰斗機發動機，如F119 發動機、F135 發動機(圖4)及新一代變循環發動機。C-2 則用于測試各種不同的大型民用渦扇發動機，如空客A380 用的GP7200、空客A318 用的PW6000、波音787 用的Trent1000(圖5)等。

圖4 F135 發動機在C-1 開展試驗Fig.4 Test of F135 engine in C-1

圖5 Trent1000 發動機在C-2 開展試驗Fig.5 Test of Trent1000 engine in C-2

AEDC 的海平面試車臺可經濟地進行大型加力渦輪發動機耐久性試驗(圖6、圖7)，通過反復模擬發動機使用中的飛行任務類型，來評估發動機的耐久性和性能保持力。這種試車臺能迅速完成試驗目標，每個設備都能實現每周80 h 的試驗。

圖6 在海平面試車臺(SL-2)上進行的F119 加速任務試驗Fig.6 AMT test of F119 engine in SL-2

圖7 在海平面試車臺(SL-3)上進行的F100 發動機試驗Fig.7 Test of F100 engine in SL-3

綜觀AEDC 航空推進系統試驗測試體系的現狀，不僅體系健全、專業齊全、配套完整、能力充足，而且規模大、數量多、投資大(總投資超過200億美元）。

3.1.2 NASA 格林研究中心高空模擬試驗設備

NASA 的航空發動機高空模擬試驗設施位于格林研究中心，其下屬的推進系統研究室(PSL)，可模擬真實的飛行條件，以開展高空模擬試驗研究。PSL 的高空模擬試驗設備由2 個試驗艙組成，直徑均為7.3 m，主要用于渦噴渦扇發動機、商用噴氣發動機等試驗，如圖8 所示。其中，PSL-3 高空艙模擬馬赫數可達3.0，而改造后的PSL-4 高空艙模擬馬赫數可達4.0。PSL 主要開展NASA 項目中涉及發動機的試驗，當AEDC 試驗任務過重時，PSL也會承擔一些外部客戶的試驗任務。

圖8 PSL 開展的普惠545 發動機試驗Fig.8 Test of PW545 engine in PSL

3.1.3 其他高空模擬試驗設備

受軍方考核要求和成本控制等影響，通用電氣公司和普·惠公司的高空模擬試驗和地面加速任務試驗基本交由AEDC 負責實施，自身很少開展高空模擬試驗。

3.2 俄羅斯高空模擬試驗設備

CIAM 是俄羅斯唯一致力于航空發動機綜合研究和發展的研究單位，擁有目前歐洲最大的航空發動機試驗基地(圖9)。CIAM 的主要任務是承擔軍、民用航空發動機的基礎理論和應用技術研究，以及工程發展和國家鑒定試驗，代表國家對新型號發動機發放許可證。CIAM 的試驗基地擁有50 個空氣動力學研究設備和50 個強度研究設備。設備總裝機功率為600 MW，可以模擬高度27 km、馬赫數4.5，進行縮比發動機模型試驗時馬赫數可達7.0。

圖9 俄羅斯CIAM 試驗基地Fig.9 CIAM test base of Russia

CIAM 現有5 座高空模擬試驗艙，除1 座用于小型發動機的試驗艙外，其他4 個均位于試驗基地內。其某一試驗艙內部如圖10 所示。

圖10 CIAM 高空模擬試驗艙Fig.10 High altitude simulation laboratory of CIAM

3.3 其他國家高空模擬試驗設備

3.3.1 英國

英國國家燃氣渦輪研究院(NGTE)曾經建有5 座高空模擬試驗艙和1 座海平面試車臺，由于缺少經費等原因目前均已關閉。目前，英國發動機研制所需試驗主要在美國或歐洲國家開展。

3.3.2 法國

CEPr 是法國三大航空試驗中心之一，也是法國唯一的航空發動機高空模擬試驗中心。CEPr 建設有8 個通用的全尺寸發動機高空模擬試驗艙，直徑從3 m 到5 m 不等，不僅可以用于燃氣渦輪發動機、渦軸發動機和渦槳發動機的各種試驗，而且也適用于加力燃燒室或自由噴射導彈試驗，甚至可用于結冰環境模擬試驗。

3.3.3 德國

德國斯圖加特大學高空實驗室擁有德國唯一的高空模擬試驗設備，其試車臺不僅可用于測試飛行條件下的整機性能，還可用于發動機核心機及發動機部件的高空試驗。其高空模擬試驗設備模擬高度達到20 km，模擬馬赫數為2.2，主要進行發動機以及渦輪部件的高空模擬試驗。

3.3.4 日本

日本的高空模擬試驗設備，主要在日本航空宇宙技術研究所和札幌試驗基地。其中，日本航空宇宙技術研究所有1 座超聲速自由射流試車臺RJTF，札幌試驗基地有1 座沖壓發動機高空性能試驗臺(RTF)和1 座高空性能試驗臺(ATF)。RTF試驗艙直徑為3.5 m，模擬高度為24.4 km，最大模擬馬赫數為4.0。通過半自由射流可調噴口，可以使氣流速度在1.8～3.5 馬赫之間連續變化。ATF 試驗艙用于燃氣渦輪發動機高空模擬試驗，模擬高度為15 km，最大模擬馬赫數為2.0。

3.3.5 韓國

韓國航空宇航研究院有1 座發動機高空模擬試驗臺(AETF)，其試驗艙直徑為3.5 m，模擬高度為9.1 km，模擬馬赫數為1.0。韓國國防發展局(ADD)有1 座發動機高空模擬試驗臺，其試驗艙直徑為5 m，模擬高度為20 km，模擬馬赫數為3.5，可開展直接連接式和自由射流式發動機試驗。

4 國外高空模擬試驗設施發展趨勢

美國AEDC 在航空推進動力研究、發展、試驗和評估工作中占有絕對重要的地位，為美國太空飛行、航空、導彈和衛星等高精尖航空航天項目都做出了重大貢獻，是世界上最大、最先進的飛行模擬試驗設施試驗中心，其發展方向最值得關注，發展趨勢也最具參考意義。

4.1 試驗設施能力升級

為了適應航空發動機技術發展，滿足國防武器裝備建設和民用航空市場快速發展的需求，美國投入巨額資金，建設了包括發動機整機、部件、系統和結構強度等驗證試驗設備，形成了完整配套的航空發動機試驗測試體系。蘇聯解體后，世界格局發生了巨變，美、英、法等國家的航空發動機試驗設備發展策略發生了轉變，如美國試驗操作現代化和一體化工程、推進合并和現代化項目、美國空軍先進試車臺升級提案、下一代渦輪發動機試驗能力項目等計劃，對傳統發動機試驗設備進行整合、改進、現代化升級，注重數字化、網絡化、智能化、精益化，以優化資源、提高效率。

AEDC 航空推進試驗技術的進步由幾種特定的試驗任務需求推動。隨著飛行器對推進系統要求的不斷提高和發動機技術的發展，美國為了進一步完善試驗條件，提高試驗能力，堅持從整體發展體系建設的角度去規劃、安排試驗設備的建設，統籌規劃試驗能力建設，避免低水平重復建設，進一步強化發動機試驗能力建設先行的理念，在能力建設規劃中必須具有前瞻性，不僅要滿足近期需求，還要給未來發展留下足夠空間(如其設備能力一般預留40%以上的指標裕度)，同時提高試驗技術，使得試驗水平不斷適應發動機自主研制和發展的需要。為滿足下一代飛行速度更快、滯空時間更長的軍用發動機研發，AEDC 近期正在對試驗設備進行改造升級(圖11)[6-7]。

圖11 ASTF 對排氣冷卻器進行的改造Fig.11 Modification of exhaust gas cooler in ASTF

隨著美國國防戰略的調整，美國國防部加大了對高超聲速武器系統研發及相關試驗設備升級改造的投入力度。為了在連續可變飛行環境條件下進行高空模擬試驗，AEDC 的APTU(Aerodynamic Propulsion Test Unit)在TEST 計劃支持下分3 個階段開展了關鍵技術攻關，在國防部HPTC 計劃支持下開展了高空環境連續模擬技術研究，具備了馬赫數從3.0 到5.5 的連續調節能力。2012 年，APTU將環境模擬系統升級為設備綜合控制系統，能夠實現自動時序控制、試驗監控、故障規避與檢測、試驗終止等功能。為滿足關鍵部件直連試驗項目需要，為APTU 更換了全新的帶溫度自動控制的燃油加熱裝置以及3 個直連噴管，升級了該試驗設備的控制系統，并于近期完成了相關試驗，這也是美國空軍歷史上所完成的尺寸和所獲取推力最大的一次直連結構的超燃沖壓動力裝置試驗。

4.2 試驗數字化轉變

未來試驗技術的發展戰略是將傳統的試驗和鑒定方法，向以知識庫為基礎的綜合試驗和鑒定方法過渡，從而縮短周期，降低成本，最大限度地滿足用戶對試驗的各種要求。綜合試驗和鑒定就是以地面試驗設施和先進的計算、通訊設備為物質基礎，圍繞發動機壽命期過程的各種信息資源開發、綜合、完善和有效利用為主線，將地面試驗和分析、數學模型、仿真和分析以及飛行試驗和分析等手段進行綜合利用，創立可供系統風險管理和技術風險決策的知識庫。采用先進的信息技術、建模和仿真技術以及數字化處理技術，來改造傳統的試驗過程，這將在發動機試驗領域產生重大變革。

4.2.1 仿真技術應用

隨著飛機/推進系統一體化設計和綜合控制、發動機全權限數字控制、發動機推力矢量、隱身技術等新技術的應用，試驗規模越來越大，試驗復雜程度越來越高，試驗綜合性越來越強，測試精度不斷提高。為降低發動機的研制周期和節約試驗與研制費用，試驗趨向于數字化和智能化。美國在不斷完善實裝鑒定環境的同時，大力推廣建模與仿真在試驗鑒定中的應用，將建模仿真能力作為發動機全壽命期各個階段都使用的主要試驗鑒定資源和手段。美國國防部實施的仿真試驗和評估過程計劃，旨在將發動機試驗從傳統的“試驗—修改—試驗”的過程，轉變為“模型—仿真—試驗—迭代”的過程。由于仿真所用的計算機方法和程序是建立在通過試驗獲得的數據庫基礎上的，所以通過試驗來驗證其仿真模型，在仿真模型成熟以后，可以大大減少試驗項目和試驗次數，最終通過有限的試驗和仿真計算來支撐航空動力的鑒定。試驗與仿真之間相互促進、協同發展，使得發動機試驗仿真技術快速發展。

4.2.2 虛擬技術應用

AEDC 持續以航空發動機試驗需求為牽引，緊密圍繞航空發動機技術的發展，進行系統建模及仿真、信息化及試驗技術提升和設備維護改造升級等。其不斷將最先進的計算機技術、信息化技術、虛擬試驗技術等應用到發動機試驗中，對于提升航空發動機高空模擬試驗的經濟性、安全性和試驗效率，起到了極大程度的促進作用。2021 年，AEDC在其SL-1 海平面試車臺開展的傳感器技術驗證工作中，利用虛擬現實技術，以近乎實時的方式實現了對試驗件和試車臺真實3D 場景的還原展示[8]。通過人工智能技術和機器學習功能方面的開發，增加自動報警與預測分析功能。

4.2.3 數字工程應用

美國軍方及AEDC 目前正通過數字工程創新與技術進步，不斷地推動航空航天系統的研發。其成立的數字工程工作組，能夠將之前的一些試驗工作與更大的數字環境建設方案進行連接，包括在數據管理、基礎架構、業務流程等方面。美國空軍裝備司令部空軍試驗中心正致力于構建基于云環境的一系列多方支持項目，如統一平臺、GITLab 開源代碼庫、協同軟件開發平臺以及“Visible Accessible Understandable Linked Trusted”平臺等項目[9]。

4.3 新型發動機試驗需求

目前，隨著超燃沖壓發動機[10]、變循環發動機[11-12]、渦輪基組合動力[13]、氫能源發動機、多電發動機、短垂起降發動機、涵道風扇等新型動力的出現，和裝備信息化、智能化的發展，涌現出了各種類型的新型動力，從而推動各種飛行器不斷涌現的發展勢頭。這些新型動力，隨時可能顛覆傳統飛行器的作戰效能發揮。如近年來，高超聲速武器的作戰運用和威懾效能受到高度重視，一些國家，特別是美國，正加大資金投入，增強對其關鍵技術研究的攻關力度，積極推進高超聲速巡航導彈的實戰化進程。最近，美國國會參眾兩院均建議增加美海軍高超聲速反艦導彈計劃研發預算，強化美海軍的進攻性、對海打擊能力。高超聲速巡航導彈采用的超燃沖壓發動機在魯棒性等工程問題上面臨諸多難題，如進氣道不起動、發動機冷重起等，距離實戰使用還有較大差距，需要開展大量的試驗研究以解決其設計問題。

5 建議

(1)加強試驗設施的能力升級建設。

統一部門管理與規劃，統籌空軍、海軍、陸軍等軍用航空發動機研制需求與考核需求，重視對已有重大試驗設施的健康管理與能力升級，拓寬設備升級改造經費渠道，進行重大先進試驗設施體系建設缺項分析與論證，做好頂層設計與建設安排，保證考核試驗可開展、能開展，確保試驗設備技術先進、狀態良好，為裝備研制提供可靠的試驗驗證平臺。

(2)加快數字化試驗轉型升級。

通過建設航空動力虛實結合的仿真驗證能力，加強飛行前全系統聯合驗證能力。重點推進數字高空臺等能力建設，形成物理試驗與數字仿真精準映射、持續快速迭代的試驗能力，開展高空模擬試驗數字孿生能力建設，推動試驗數據管理環境建設，建設試驗管理、分析、應用工具和試驗數據管理系統，建成試驗數據中心，形成基于知識和大數據的試驗管理與服務能力。

(3)提前布局新型動力研制急需的重大先進試驗設施建設。

構建新型動力發展方向與技術追蹤體系，對先進技術在航空發動機中的應用加強預先研究，支持新型動力研究試驗設施設計技術、制造技術的預先開展和創新平臺建設，支持針對新型動力的設備改造技術研究，確保我國在新型動力研制和顛覆性新型動力研制過程中，不落后于美國等西方國家。

6 結束語

航空發動機高空模擬試驗是各類航空發動機科學研究、技術鑒定、適航取證的重要手段，是軍民兼顧、行業共享的大型關鍵試驗設施，但其研制技術難度大、建設成本高和周期長、運行維護技術復雜。經過多年建設，當前我國航空發動機的高空模擬試驗已初步形成體系，與航空強國的差距在逐漸縮小，但在體系完整性和未來新型航空動力試驗保障等方面，還存在一些短板和不足。因此，在完善試驗設施體系的同時，應注重試驗數字化能力、智能化能力的提升，快速提升試驗效能，健全、壯大航空發動機研發產業鏈，全面提升航空發動機研制能力水平，提高航空發動機研制自主創新能力。