高空模擬試驗中真空度與次流作用力校準方法的發(fā)展演變
真空度與次流作用力系數測定是發(fā)動(dòng)機高空推力確定的重要內容，其校準方法仍在不斷發(fā)展與完善。介紹了我國真空度與次流作用力校準方法的發(fā)展過(guò)程，依據作用力系數校準時(shí)發(fā)動(dòng)機是否工作和校準結果適用范圍，提出了作用力系數校準方法研究的三個(gè)發(fā)展階段，及其對應的三種校準方法——點(diǎn)校法、靜校法和動(dòng)校法。探討了作用力系數測定方法的校準過(guò)程及其特點(diǎn)，可供發(fā)動(dòng)機高空臺試驗和作用力校準研究參考與借鑒。
1、引言
確定與評估航空發(fā)動(dòng)機飛行推力的最通行、最有效方法，就是在直連式高空臺上進(jìn)行發(fā)動(dòng)機高空模擬試驗，但要在高空模擬試驗中準確測量并評估發(fā)動(dòng)機的飛行推力仍不容易。一方面，由于發(fā)動(dòng)機工作包線(xiàn)范圍寬，同一臺發(fā)動(dòng)機最大狀態(tài)推力在其包線(xiàn)范圍內的變化可達10倍以上，使得高精度推力測量系統的構建難度增加；另一方面，為模擬發(fā)動(dòng)機高空工作環(huán)境并測量其工作特性，高空艙內必然存在真空度和冷卻氣流，這將對高空臺推力測量系統及其測量結果產(chǎn)生影響。因此，高空模擬試驗中直接測量的臺架推力既不是發(fā)動(dòng)機總推力，也不是凈推力，需修正才能得到與發(fā)動(dòng)機實(shí)際工況相符的推力。發(fā)動(dòng)機高空模擬試驗中推力確定的重要內容之一，就是對真空度與次流作用力的校準研究。
真空度和次流作用力，分別是由于高空艙內外壓差和艙內冷卻空氣流動(dòng)對發(fā)動(dòng)機推力測量系統作用而產(chǎn)生的力，二者隨模擬高空工況及臺架預載系統的差異而有所不同，其總影響在極限高空情況下可超過(guò)150 daN。因此，真空度與次流對發(fā)動(dòng)機推力測量的影響及校準，是高空臺建設調試與使用維護中需要研究和解決的關(guān)鍵問(wèn)題。經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀的探索實(shí)踐，我國在真空度與次流作用影響方面形成了較為成熟可行的校準方法。從校準工況一致性和校準結果適用范圍看，筆者認為作用力影響系數校準方法可分為點(diǎn)校法、靜校法和動(dòng)校法三種。本文旨在闡釋這些方法的應用研究背景及我國真空度與次流作用力校準方法的發(fā)展演變情況，為發(fā)動(dòng)機高空臺試驗和作用力校準提供參考。
2、校準方法的發(fā)展歷程
2.1、點(diǎn)校法
點(diǎn)校法是點(diǎn)對點(diǎn)校準方法的簡(jiǎn)稱(chēng)，即對真空度與次流作用力(當時(shí)合稱(chēng)為臺架附加阻力)校準的結果僅適用特定工況高空性能試驗，其它點(diǎn)還得分別單獨校準的方法。該方法根源于我國對高空模擬試驗技術(shù)和羅·羅高空臺試驗研究方面的認識，是當時(shí)(從我國高空臺建設伊始至上世紀80年代末90年代初)使用的真空度與次流作用力校準方法。其工作原理見(jiàn)圖1。
圖1 高空臺次流作用力與真空度作用力點(diǎn)校法與動(dòng)校法原理圖
在高空臺建設調試和高空模擬技術(shù)研究早期，雖認識到高空艙內外壓差與冷卻空氣流動(dòng)對臺架測力系統有影響，但并不十分清楚其影響規律和差異。因此，對推力性能準確度要求較高的高空性能試驗只能采取點(diǎn)校法，即在每個(gè)不同高度-速度性能試驗前，在發(fā)動(dòng)機靜止和給定模擬高度及冷卻氣流條件下對推力秤進(jìn)行偏離零位的校準，并將該校準值輸入數采系統對試驗的推力計算進(jìn)行修正。
點(diǎn)校法的主要步驟為：①用杠桿系統靜態(tài)校準推力測量系統；②試驗前(或校準前)用杠桿系統預加載；③起動(dòng)性能試驗需動(dòng)用的有關(guān)設備；④發(fā)動(dòng)機起動(dòng)并暖機后，在某一中間功率狀態(tài)(一般在高壓轉速85%狀態(tài))運轉；⑤調節調溫、調壓系統與次流調節系統，建立高空性能試驗對應的發(fā)動(dòng)機進(jìn)口總壓、總溫和排氣壓力環(huán)境，穩定工作約10 min直至進(jìn)氣管道、穩壓室達到要求的溫度(即發(fā)動(dòng)機進(jìn)口總溫)，將Pc調壓系統和次流調節系統置為手動(dòng)調節，其它調壓系統處于自動(dòng)調節狀態(tài)；⑥發(fā)動(dòng)機停車(chē)并慢全關(guān)Pc調壓系統的管路閥門(mén)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機進(jìn)口總壓與高空艙內環(huán)境壓力相等；⑦記錄臺架測量系統讀數并計算與試驗前預加載時(shí)讀數之差(也稱(chēng)為推力測量系統的零位漂移)，該差值(負值)即為真空度與次流綜合作用于測力系統上的力；⑧用⑦中校準結果對該高空條件下試驗測得的推力進(jìn)行修正，可補償真空度與次流作用對發(fā)動(dòng)機推力測量的影響。為提高發(fā)動(dòng)機性能試驗過(guò)程中推力測試結果精度，通常還要在該壓力條件下，在預期推力測量范圍內對推力測量系統進(jìn)行校準，方法同步驟①、②。
2.2、靜校法
靜校法是靜態(tài)校準方法的簡(jiǎn)稱(chēng)，即在發(fā)動(dòng)機不工作和內部沒(méi)有氣流流動(dòng)條件下對真空度與次流作用力(系數)進(jìn)行校準的方法。從上世紀90年代初到本世紀初，基本上都只采用靜校法。該方法根源于我國對高空模擬試驗技術(shù)的深入研究和我國高空臺與俄羅斯高空臺的對比標定，是目前使用的規范方法(企標)。其工作原理見(jiàn)圖2。
隨著(zhù)高空模擬技術(shù)研究的深入與發(fā)展，逐漸認識到艙內真空度與次流對發(fā)動(dòng)機推力測量結果影響的作用機理不同。真空度作用力與艙內外壓差呈線(xiàn)性關(guān)系，因而艙外壓力一定時(shí)，真空度作用力表現為與高度(艙內壓力)呈線(xiàn)性關(guān)系，因此早期稱(chēng)之為零位高度(作用)；而次流作用力盡管為引起次流動(dòng)量損失的一部分作用力的反作用力，但其表現為與艙內次流的流速和流通面積直接相關(guān)，因此早期稱(chēng)之為高空艙迎風(fēng)阻力。盡管二者作用機理不同，但可采用相同方法和程序校準其影響系數。
靜校法的主要步驟為：①用杠桿系統靜態(tài)校準推力測量系統；②試驗前(或校準前)用杠桿系統預加載；③在工藝進(jìn)氣道上安裝堵板；④起動(dòng)試驗需動(dòng)用的供油設備、艙內冷卻供氣設備及相應的氣源抽氣設備和Pd調壓系統；⑤將次流調節系統置零位(閥門(mén)全關(guān))，調節Pd調壓系統，建立不同高空高度環(huán)境并記錄穩態(tài)參數，計算出真空度作用力系數；⑥在相應高度環(huán)境下，調節次流調節系統，建立不同次流流量下的高空艙內流動(dòng)環(huán)境并記錄穩態(tài)參數，計算出次流作用力系數；⑦調節Pd調壓系統，使高空艙內恢復地面大氣條件，開(kāi)艙并拆除堵板，同時(shí)將真空度與次流作用力系數輸入數采和性能分析系統。
2.3、動(dòng)校法
動(dòng)校法是動(dòng)態(tài)校準方法的簡(jiǎn)稱(chēng)，即在發(fā)動(dòng)機工作條件下對真空度與次流作用力(系數)進(jìn)行校準的方法。該方法根源于某發(fā)動(dòng)機全包線(xiàn)范圍內帶可移動(dòng)插板的壓力畸變試驗需求，以及我國現有高空艙結構在安裝可移動(dòng)插板條件下難以實(shí)施靜校法的客觀(guān)現狀。2012年已完成其理論分析與推導，并在積極探討該方法的工程適應性，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的有效性驗證后，預期會(huì )對現有的規范校準方法(靜校法)進(jìn)行補充和拓展。其工作原理見(jiàn)圖2。
圖2 高空臺次流作用力與真空度作用力靜校法原理圖
盡管靜校法已成為真空度與次流作用力(系數)校準的通用規范，但由于堵板的裝拆需要，使得工藝進(jìn)氣道的結構設計復雜且試驗效率低。同時(shí)，盡管次流作用力不大(對SB101高空臺現有1號艙試驗而言，發(fā)動(dòng)機空氣流量120 kg/s 時(shí)一般也不到100 N，但相同次流流量在發(fā)動(dòng)機靜止與工作條件下的艙內流動(dòng)圖譜顯然不同，因而需要探討次流作用影響的動(dòng)態(tài)校準方法。更為重要的是，隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機研制對高空模擬試驗科目與內容要求的拓展，尤其是某些特定科目試驗時(shí)，已有的靜校法就顯得乏力或非常棘手�；诖�，在對真空度和次流影響及其與發(fā)動(dòng)機總推力內在聯(lián)系深入分析的基礎上，發(fā)現并提出了不用加裝堵板的動(dòng)校法。該方法不從作用機理著(zhù)手，而從與臺架測量推力和發(fā)動(dòng)機總推力的關(guān)系來(lái)分析研究真空度與次流作用力，即利用發(fā)動(dòng)機在穩定工作狀態(tài)下對應的發(fā)動(dòng)機推力不變和真空度與次流作用力只影響臺架推力測量結果的關(guān)系，就可在發(fā)動(dòng)機工作過(guò)程中對其進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準。
動(dòng)校法的主要步驟為：①用杠桿系統靜態(tài)校準推力測量系統；②高空校準試驗前用杠桿系統預加載，將真空度與次流作用力系數置為0；③起動(dòng)高空校準試驗需動(dòng)用的有關(guān)設備；④發(fā)動(dòng)機起動(dòng)并完成暖機，然后按程序調節調壓系統并置于自動(dòng)狀態(tài)，建立高空校準試驗條件；⑤保持發(fā)動(dòng)機狀態(tài)不變，改變次流流量(2～5個(gè))，在每個(gè)狀態(tài)記錄穩態(tài)參數，計算出次流作用力系數；⑥保持發(fā)動(dòng)機狀態(tài)不變，調節調壓系統改變校準試驗的環(huán)境條件(1～3 次)，記錄穩態(tài)參數，計算出真空度作用力系數；⑦將真空度與次流作用力系數輸入性能分析模型與計算程序中，同時(shí)按程序完成高空校準試驗的其它內容。對同型號發(fā)動(dòng)機再次高空臺試驗(指發(fā)動(dòng)機車(chē)臺安裝結構與氣動(dòng)布局無(wú)變化)或非性能試驗而言，作用力系數的校準(步驟⑤、⑥)還可簡(jiǎn)化：保持發(fā)動(dòng)機狀態(tài)和次流狀態(tài)不變，改變校準試驗環(huán)境條件(1 次)，記錄穩態(tài)參數，得到真空度作用力系數；然后改變次流狀態(tài)(1～2次)，記錄穩態(tài)參數，得到次流作用力系數。另外，為提高作用力系數校準精度，推薦在發(fā)動(dòng)機最大連續或非加力最大狀態(tài)下進(jìn)行校準。
動(dòng)校法不僅在發(fā)動(dòng)機工作條件下對真空度與次流作用力進(jìn)行系數校準，保證了高空艙內冷卻空氣流動(dòng)特性在作用力系數校準和在發(fā)動(dòng)機試驗中的一致性，使得其結果更為真實(shí)、準確，而且可隨時(shí)對作用力系數進(jìn)行動(dòng)態(tài)校驗，確保臺架測力系統處于良好工作狀態(tài)，后者的工程意義更為顯著(zhù)。
3、校準方法對比
點(diǎn)校法和靜校法是從真空度與次流作用機理著(zhù)手，而動(dòng)校法則從真空度與次流作用力對臺架測量推力和發(fā)動(dòng)機總推力的影響來(lái)分析研究。下面從校準的環(huán)境一致性、方法復雜性與約束條件、經(jīng)濟性、結果檢驗及應用現狀方面探討三者的特點(diǎn)(表1)。
表1 作用力系數校準方法的特點(diǎn)
3.1、一致性
動(dòng)校法是在發(fā)動(dòng)機工作條件下對作用力系數進(jìn)行校準，其校準環(huán)境與工作環(huán)境完全一致。點(diǎn)校法和靜校法在發(fā)動(dòng)機靜止條件下進(jìn)行校準，此時(shí)由于沒(méi)有發(fā)動(dòng)機排氣射流及其對艙內冷卻空氣的引射作用，使得次流在發(fā)動(dòng)機噴管出口到擴壓器之間的流動(dòng)圖譜與發(fā)動(dòng)機試驗過(guò)程中的完全不同，即使在艙內壓力和溫度一致的情況下也是如此。但由于發(fā)動(dòng)機排氣噴管進(jìn)口下游的艙內測試、電氣管線(xiàn)與工藝支架很少，流動(dòng)圖譜的差異對次流作用力的影響不大，加之次流作用力很小，因而從艙內冷卻空氣流動(dòng)對推力測量臺架的作用而言，點(diǎn)校法與靜校法的艙內流動(dòng)環(huán)境與發(fā)動(dòng)機實(shí)際試驗中的環(huán)境基本一致。但當Pc調壓系統不具備氣路關(guān)斷功能或發(fā)動(dòng)機進(jìn)口封嚴篦齒環(huán)上游穩壓室中存在泄漏時(shí)，點(diǎn)校法的校準環(huán)境與試驗工作環(huán)境的差異會(huì )變大，得到的作用力差異也會(huì )變大，使得過(guò)修正發(fā)動(dòng)機推力�？梢�(jiàn)，從環(huán)境一致性而言，動(dòng)校法最好，靜校法較好，點(diǎn)校法一般。
3.2、約束條件
點(diǎn)校法要求在對應的發(fā)動(dòng)機高空性能試驗前進(jìn)行。首先要求發(fā)動(dòng)機在高空性能試驗對應的高度-速度環(huán)境下穩定運行，直至進(jìn)氣管道、穩壓室達到求的溫度(性能試驗對應的發(fā)動(dòng)機進(jìn)口總溫)，然后發(fā)動(dòng)機停車(chē)并保持次流調節閥開(kāi)度不變進(jìn)行作用力校準，并常在該條件下用杠桿系統靜態(tài)校準推力測量系統。校準結果只適用于一個(gè)特定的高度-速度試驗點(diǎn)，其它性能試驗點(diǎn)還得重新單獨校準。該校準方法復雜，并有進(jìn)氣管道與穩壓室達到發(fā)動(dòng)機高空試驗要求溫度、進(jìn)氣調壓系統有關(guān)斷功能(或截止閥)、進(jìn)口封嚴篦齒環(huán)上游穩壓室中無(wú)泄漏、只能單點(diǎn)校準等限制條件。
靜校法要求在發(fā)動(dòng)機高空校準試驗前完成。首先要求在發(fā)動(dòng)機進(jìn)口封嚴篦齒環(huán)上游的工藝進(jìn)氣道上安裝堵板，然后分別校準真空度和次流作用力系數，校準完成后拆除堵板。校準結果具有通用性，一臺次發(fā)動(dòng)機高空臺試驗期間只需進(jìn)行1次校準。該校準方法較復雜，并有在工藝進(jìn)氣道上安裝堵板的限制條件。
動(dòng)校法要求在發(fā)動(dòng)機高空校準試驗中完成。該方法在發(fā)動(dòng)機工作條件下進(jìn)行，只要求保持發(fā)動(dòng)機工作狀態(tài)不變，且可在非發(fā)動(dòng)機高空校準試驗中動(dòng)態(tài)進(jìn)行。校準結果具有通用性。該校準方法簡(jiǎn)單，可動(dòng)態(tài)校驗。
可見(jiàn)，動(dòng)校法簡(jiǎn)單且無(wú)約束條件，點(diǎn)校法復雜且使用限制條件多，靜校法介于兩者之間。
3.3、經(jīng)濟性
點(diǎn)校法需要使用與發(fā)動(dòng)機高空性能試驗完全相同的設備，因而動(dòng)用的資源多，一般為靜校法和動(dòng)校法的兩倍，甚至更多。一個(gè)性能點(diǎn)對應作用力校準的時(shí)間一般在0.5～1.5 h，具體視用零位漂移測定還是用杠桿系統靜校推力測量系統而定。但由于點(diǎn)校法的結果只適用于單一的高空性能試驗點(diǎn)，按通常一臺次高空臺試驗有5～8個(gè)性能試驗點(diǎn)計算，其作用力校準時(shí)間達6.0 h 左右。且作用力校準在每個(gè)性能試驗點(diǎn)之前相繼進(jìn)行，使得發(fā)動(dòng)機高空不同狀態(tài)點(diǎn)試驗無(wú)法連續進(jìn)行。因此，點(diǎn)校法動(dòng)用的設備資源多、耗時(shí)長(cháng)、經(jīng)濟性差，使得發(fā)動(dòng)機高空模擬試驗的經(jīng)濟性顯著(zhù)惡化。
靜校法只使用抽氣設備，且發(fā)動(dòng)機內部沒(méi)有氣流通過(guò)，故使用的抽氣機組數量比點(diǎn)校法少得多；通常在試驗準備階段安裝堵板，完成作用力系數校準一般需要2.5～4.0 h(其中1.0～1.5 h 為堵板拆除與設備恢復進(jìn)入發(fā)動(dòng)機高空校準試驗的時(shí)間)。因此，靜校法動(dòng)用設備少，但由于作用力校準時(shí)間較長(cháng)，加之堵板需要裝拆，其試驗效率與經(jīng)濟性較差。動(dòng)校法使用與發(fā)動(dòng)機高空校準試驗相同的設備，不過(guò)目前高空校準試驗采用大氣供氣，因而動(dòng)校法使用的抽氣機組設備基本與靜校法相同。因動(dòng)校法在高空校準試驗中結合進(jìn)行，無(wú)需額外準備和措施，作用力系數校準一般只需要0.25～0.50 h即可完成。而發(fā)動(dòng)機每臺次高空臺試驗都需進(jìn)行發(fā)動(dòng)機高空校準試驗，因而動(dòng)校法動(dòng)用設備少，作用力系數校準時(shí)間短，試驗經(jīng)濟效益非常顯著(zhù)。
可見(jiàn)，動(dòng)校法動(dòng)用設備少且耗時(shí)短，點(diǎn)校法動(dòng)用設備多且耗時(shí)多，靜校法介于二者之間。從經(jīng)濟性來(lái)看，動(dòng)校法最好，靜校法次之，點(diǎn)校法最差。
3.4、實(shí)用性
點(diǎn)校法復雜且校準結果只適用于特定的高度-速度點(diǎn)，工程實(shí)用性不好。動(dòng)校法簡(jiǎn)單，靜校法較復雜，但兩者的校準結果具有通用性，因而工程實(shí)用性好。但靜校法因實(shí)施時(shí)需安裝堵板，難以在試驗中動(dòng)態(tài)檢查和校驗作用力系數；點(diǎn)校法盡管可在試驗中隨時(shí)檢查和校驗作用力系數，但由于其方法繁瑣且會(huì )導致試驗效率顯著(zhù)下降，校準結果只適用于特定點(diǎn)，因而使用操作性不強；動(dòng)校法易于在試驗中動(dòng)態(tài)檢查和校驗作用力系數，且校準中發(fā)動(dòng)機工作狀態(tài)不變，可借此對測力臺架系統的工作情況進(jìn)行判斷，因而使用操作性好。
可見(jiàn)，動(dòng)校法的動(dòng)態(tài)校驗性與工程實(shí)用性好，點(diǎn)校法的校驗性與實(shí)用性差，靜校法的工程實(shí)用性好但校驗性不足。
3.5、應用現狀
點(diǎn)校法是早期研究真空度與次流對高空臺推力測量系統作用和影響的結果，并形成了較為成熟的校準方法，我國上世紀90 年代初以前就使用該方法。靜校法是當前廣泛使用和認同的作用力系數校準方法，并有相應的標準(企標)和規范。動(dòng)校法是適應當前發(fā)動(dòng)機高空臺試驗科目拓展與特殊試驗科目要求而提出的作用力系數校準方法，有嚴密的理論推導和可行的測定方法，但由于發(fā)動(dòng)機高空模擬試驗對性能確定與評估的嚴肅性，及高空艙內流動(dòng)的復雜性和發(fā)動(dòng)機工作條件的寬泛性，動(dòng)校法的工程應用還需要一定時(shí)間的實(shí)踐檢驗和規范�？梢�(jiàn)，點(diǎn)校法是曾經(jīng)的校準方法，靜校法是當前的規范校準方法，動(dòng)校法是發(fā)展中的校準方法。
真空度與次流對高空臺推力測量結果的作用客觀(guān)存在，不可避免。準確、高效地測定真空度與次流作用力系數，是正確確定和評估發(fā)動(dòng)機高空推力性能的重要內容，也是從事高空模擬試驗技術(shù)研究和參與發(fā)動(dòng)機高空臺試驗的相關(guān)人員共同關(guān)注的技術(shù)議題。
本文介紹了我國真空度與次流作用力校準方法的發(fā)展過(guò)程，并基于當前在作用力系數校準方面的研究現狀，尤其是針對特殊情況下難以采用現行作用力校準規范方法時(shí)，提出了新的作用力校準方法——動(dòng)校法。對比研究表明，動(dòng)校法的使用限制條件少且試驗經(jīng)濟性好，值得深入研究和應用推廣。
