張志國(guó)

(中國(guó)國(guó)際工程咨詢有限公司，北京 100048)

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是當(dāng)今世界上最為復(fù)雜的多學(xué)科集成物理系統(tǒng)，涉及了空氣動(dòng)力學(xué)、工程熱物理、機(jī)械、電子、控制等多個(gè)學(xué)科與工程領(lǐng)域，是設(shè)計(jì)和制造難度最高的工業(yè)產(chǎn)品。航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用，通過(guò)先進(jìn)的試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)技術(shù)，不僅可以全面、有效地驗(yàn)證航空發(fā)動(dòng)機(jī)各方面的性能，還有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題、縮短研制周期和降低研制成本[1-2]。

鑒于航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境的復(fù)雜性，航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)、設(shè)計(jì)手段無(wú)法涵蓋其使用狀態(tài)和使用環(huán)境，因此建設(shè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試車臺(tái)(簡(jiǎn)稱高空臺(tái))等試驗(yàn)設(shè)施，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品研制和技術(shù)進(jìn)步的必然手段。高空模擬試驗(yàn)設(shè)施主要用于各類航空發(fā)動(dòng)機(jī)科學(xué)研究、技術(shù)鑒定、適航取證等重要試驗(yàn)，其研制技術(shù)難度大，建設(shè)成本高、周期長(zhǎng)，運(yùn)行維護(hù)技術(shù)復(fù)雜。

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研保條件建設(shè)投入的不斷加大，多座高空臺(tái)建成并投入使用，涵蓋了渦噴渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、渦軸渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)、矢量推力發(fā)動(dòng)機(jī)、大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)的高空模擬試驗(yàn)，進(jìn)一步拓寬了我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證范圍，提升了試驗(yàn)水平，填補(bǔ)了試驗(yàn)?zāi)芰ι系亩囗?xiàng)空白，有效支撐了武器裝備科研生產(chǎn)任務(wù)。但是與國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)先的國(guó)家相比，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)設(shè)施，在一些方面仍然存在差距，不利于我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的加速研制。

本文對(duì)國(guó)外高空模擬試驗(yàn)設(shè)施進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并以美國(guó)阿諾德工程發(fā)展中心(AEDC)為例，對(duì)其高空模擬試驗(yàn)設(shè)施發(fā)展方向和趨勢(shì)進(jìn)行了分析，以期為我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)設(shè)施的建設(shè)與發(fā)展提供參考。

2 高空臺(tái)及高空模擬試驗(yàn)

高空臺(tái)是規(guī)模最大、建設(shè)成本最高、運(yùn)行維護(hù)成本最昂貴的航空發(fā)動(dòng)機(jī)單體試驗(yàn)設(shè)施，其規(guī)模與試驗(yàn)?zāi)芰χ饕Q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(tái)主要由供氣系統(tǒng)、試驗(yàn)艙系統(tǒng)、抽氣系統(tǒng)和水、電、油等配套系統(tǒng)組成，如圖1 所示。

圖1 高空模擬試驗(yàn)設(shè)施系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of altitude simulation test facility

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)是將發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在試驗(yàn)艙內(nèi)，通過(guò)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行條件(飛行高度、飛行馬赫數(shù))下的進(jìn)口空氣總溫、總壓和噴管出口環(huán)境壓力，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)空中工作性能和特性進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)時(shí)，按選定的目標(biāo)飛行條件，建立發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口總溫、總壓和排氣環(huán)境壓力，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)功率狀態(tài)(轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速)，測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)空中工作推力/功率、耗油率，部件和腔室的壓力、溫度、振動(dòng)、應(yīng)力、間隙、速度、氣體成分，以及燃油、滑油、控制系統(tǒng)的壓力和溫度等參數(shù)，分析、驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)及其部件和系統(tǒng)的性能、氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、環(huán)境適應(yīng)性等。高空模擬試驗(yàn)原理如圖2 所示。

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

目前，高空臺(tái)主要開(kāi)展的試驗(yàn)科目有：高空性能試驗(yàn)、高空功能試驗(yàn)、空中起動(dòng)和再起動(dòng)、推力瞬變/功率變換試驗(yàn)、進(jìn)氣壓力畸變?cè)囼?yàn)、空中風(fēng)車旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)量試驗(yàn)、高/低溫起動(dòng)試驗(yàn)、高原起動(dòng)試驗(yàn)和結(jié)冰試驗(yàn)等[3-5]。

3 國(guó)外高空模擬試驗(yàn)設(shè)施

國(guó)外擁有航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)設(shè)施的機(jī)構(gòu)，主要集中在美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、日本和韓國(guó)。目前有跡象仍在運(yùn)營(yíng)高空臺(tái)的機(jī)構(gòu)主要有，美國(guó)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(fā)動(dòng)機(jī)研究院(CIAM)，法國(guó)航空動(dòng)力試驗(yàn)中心(CEPr)，德國(guó)斯圖加特大學(xué)，日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)，以及韓國(guó)航空航天研究所。

3.1 美國(guó)高空模擬試驗(yàn)設(shè)備

3.1.1 AEDC 高空模擬試驗(yàn)設(shè)備

AEDC 隸屬于美國(guó)空軍裝備司令部空軍試驗(yàn)中心，是美國(guó)重要戰(zhàn)略資源，也是世界上最大、最先進(jìn)的飛行模擬試驗(yàn)中心。AEDC 擁有高度復(fù)雜的各種環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，AEDC擁有13 座高空模擬試驗(yàn)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(fā)動(dòng)機(jī)、渦軸渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)、巡航導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、高超聲速動(dòng)力等發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)要求的各種試驗(yàn)設(shè)備。此外，AEDC 還建設(shè)有海平面試車臺(tái)，主要用于加速任務(wù)試驗(yàn)(AMT)等科目。AEDC 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)設(shè)備主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)工作性能、穩(wěn)定性、適應(yīng)性、壽命和可靠性等的考核試驗(yàn)，包括結(jié)冰、腐蝕、壓力畸變、溫度畸變、加速任務(wù)試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道動(dòng)力學(xué)特性、狀態(tài)模擬和發(fā)動(dòng)機(jī)部件等領(lǐng)域的試驗(yàn)。試驗(yàn)基地全貌如圖3 所示。

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

ASTF 是AEDC 規(guī)模最大、技術(shù)最先進(jìn)、最具代表性的高空臺(tái)，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(lái)最昂貴的單項(xiàng)航空試驗(yàn)設(shè)備。ASTF 能夠通過(guò)完整的任務(wù)剖面圖非常精確地試驗(yàn)整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)，可滿足各類軍民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)考核驗(yàn)證和取證。這種能力用于改善飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)和評(píng)估，能顯著減少研制時(shí)間和飛行試驗(yàn)，提高新一代飛機(jī)系統(tǒng)的操作性和性能。

近年來(lái)，C-1 主要用于測(cè)試各種軍用戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，如F119 發(fā)動(dòng)機(jī)、F135 發(fā)動(dòng)機(jī)(圖4)及新一代變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。C-2 則用于測(cè)試各種不同的大型民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，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(fā)動(dòng)機(jī)在C-1 開(kāi)展試驗(yàn)Fig.4 Test of F135 engine in C-1

圖5 Trent1000 發(fā)動(dòng)機(jī)在C-2 開(kāi)展試驗(yàn)Fig.5 Test of Trent1000 engine in C-2

AEDC 的海平面試車臺(tái)可經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行大型加力渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性試驗(yàn)(圖6、圖7)，通過(guò)反復(fù)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)使用中的飛行任務(wù)類型，來(lái)評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性和性能保持力。這種試車臺(tái)能迅速完成試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，每個(gè)設(shè)備都能實(shí)現(xiàn)每周80 h 的試驗(yàn)。

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

圖7 在海平面試車臺(tái)(SL-3)上進(jìn)行的F100 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)Fig.7 Test of F100 engine in SL-3

綜觀AEDC 航空推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試體系的現(xiàn)狀，不僅體系健全、專業(yè)齊全、配套完整、能力充足，而且規(guī)模大、數(shù)量多、投資大(總投資超過(guò)200億美元）。

3.1.2 NASA 格林研究中心高空模擬試驗(yàn)設(shè)備

NASA 的航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)設(shè)施位于格林研究中心，其下屬的推進(jìn)系統(tǒng)研究室(PSL)，可模擬真實(shí)的飛行條件，以開(kāi)展高空模擬試驗(yàn)研究。PSL 的高空模擬試驗(yàn)設(shè)備由2 個(gè)試驗(yàn)艙組成，直徑均為7.3 m，主要用于渦噴渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、商用噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等試驗(yàn)，如圖8 所示。其中，PSL-3 高空艙模擬馬赫數(shù)可達(dá)3.0，而改造后的PSL-4 高空艙模擬馬赫數(shù)可達(dá)4.0。PSL 主要開(kāi)展NASA 項(xiàng)目中涉及發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)，當(dāng)AEDC 試驗(yàn)任務(wù)過(guò)重時(shí)，PSL也會(huì)承擔(dān)一些外部客戶的試驗(yàn)任務(wù)。

圖8 PSL 開(kāi)展的普惠545 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)Fig.8 Test of PW545 engine in PSL

3.1.3 其他高空模擬試驗(yàn)設(shè)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(yàn)和地面加速任務(wù)試驗(yàn)基本交由AEDC 負(fù)責(zé)實(shí)施，自身很少開(kāi)展高空模擬試驗(yàn)。

3.2 俄羅斯高空模擬試驗(yàn)設(shè)備

CIAM 是俄羅斯唯一致力于航空發(fā)動(dòng)機(jī)綜合研究和發(fā)展的研究單位，擁有目前歐洲最大的航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)基地(圖9)。CIAM 的主要任務(wù)是承擔(dān)軍、民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)研究，以及工程發(fā)展和國(guó)家鑒定試驗(yàn)，代表國(guó)家對(duì)新型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)放許可證。CIAM 的試驗(yàn)基地?fù)碛?0 個(gè)空氣動(dòng)力學(xué)研究設(shè)備和50 個(gè)強(qiáng)度研究設(shè)備。設(shè)備總裝機(jī)功率為600 MW，可以模擬高度27 km、馬赫數(shù)4.5，進(jìn)行縮比發(fā)動(dòng)機(jī)模型試驗(yàn)時(shí)馬赫數(shù)可達(dá)7.0。

圖9 俄羅斯CIAM 試驗(yàn)基地Fig.9 CIAM test base of Russia

CIAM 現(xiàn)有5 座高空模擬試驗(yàn)艙，除1 座用于小型發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)艙外，其他4 個(gè)均位于試驗(yàn)基地內(nèi)。其某一試驗(yàn)艙內(nèi)部如圖10 所示。

圖10 CIAM 高空模擬試驗(yàn)艙Fig.10 High altitude simulation laboratory of CIAM

3.3 其他國(guó)家高空模擬試驗(yàn)設(shè)備

3.3.1 英國(guó)

英國(guó)國(guó)家燃?xì)鉁u輪研究院(NGTE)曾經(jīng)建有5 座高空模擬試驗(yàn)艙和1 座海平面試車臺(tái)，由于缺少經(jīng)費(fèi)等原因目前均已關(guān)閉。目前，英國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)研制所需試驗(yàn)主要在美國(guó)或歐洲國(guó)家開(kāi)展。

3.3.2 法國(guó)

CEPr 是法國(guó)三大航空試驗(yàn)中心之一，也是法國(guó)唯一的航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)中心。CEPr 建設(shè)有8 個(gè)通用的全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)艙，直徑從3 m 到5 m 不等，不僅可以用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)和渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的各種試驗(yàn)，而且也適用于加力燃燒室或自由噴射導(dǎo)彈試驗(yàn)，甚至可用于結(jié)冰環(huán)境模擬試驗(yàn)。

3.3.3 德國(guó)

德國(guó)斯圖加特大學(xué)高空實(shí)驗(yàn)室擁有德國(guó)唯一的高空模擬試驗(yàn)設(shè)備，其試車臺(tái)不僅可用于測(cè)試飛行條件下的整機(jī)性能，還可用于發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)部件的高空試驗(yàn)。其高空模擬試驗(yàn)設(shè)備模擬高度達(dá)到20 km，模擬馬赫數(shù)為2.2，主要進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)以及渦輪部件的高空模擬試驗(yàn)。

3.3.4 日本

日本的高空模擬試驗(yàn)設(shè)備，主要在日本航空宇宙技術(shù)研究所和札幌試驗(yàn)基地。其中，日本航空宇宙技術(shù)研究所有1 座超聲速自由射流試車臺(tái)RJTF，札幌試驗(yàn)基地有1 座沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)高空性能試驗(yàn)臺(tái)(RTF)和1 座高空性能試驗(yàn)臺(tái)(ATF)。RTF試驗(yàn)艙直徑為3.5 m，模擬高度為24.4 km，最大模擬馬赫數(shù)為4.0。通過(guò)半自由射流可調(diào)噴口，可以使氣流速度在1.8～3.5 馬赫之間連續(xù)變化。ATF 試驗(yàn)艙用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)，模擬高度為15 km，最大模擬馬赫數(shù)為2.0。

3.3.5 韓國(guó)

韓國(guó)航空宇航研究院有1 座發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)臺(tái)(AETF)，其試驗(yàn)艙直徑為3.5 m，模擬高度為9.1 km，模擬馬赫數(shù)為1.0。韓國(guó)國(guó)防發(fā)展局(ADD)有1 座發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)臺(tái)，其試驗(yàn)艙直徑為5 m，模擬高度為20 km，模擬馬赫數(shù)為3.5，可開(kāi)展直接連接式和自由射流式發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)。

4 國(guó)外高空模擬試驗(yàn)設(shè)施發(fā)展趨勢(shì)

美國(guó)AEDC 在航空推進(jìn)動(dòng)力研究、發(fā)展、試驗(yàn)和評(píng)估工作中占有絕對(duì)重要的地位，為美國(guó)太空飛行、航空、導(dǎo)彈和衛(wèi)星等高精尖航空航天項(xiàng)目都做出了重大貢獻(xiàn)，是世界上最大、最先進(jìn)的飛行模擬試驗(yàn)設(shè)施試驗(yàn)中心，其發(fā)展方向最值得關(guān)注，發(fā)展趨勢(shì)也最具參考意義。

4.1 試驗(yàn)設(shè)施能力升級(jí)

為了適應(yīng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展，滿足國(guó)防武器裝備建設(shè)和民用航空市場(chǎng)快速發(fā)展的需求，美國(guó)投入巨額資金，建設(shè)了包括發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)、部件、系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)備，形成了完整配套的航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)試體系。蘇聯(lián)解體后，世界格局發(fā)生了巨變，美、英、法等國(guó)家的航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)設(shè)備發(fā)展策略發(fā)生了轉(zhuǎn)變，如美國(guó)試驗(yàn)操作現(xiàn)代化和一體化工程、推進(jìn)合并和現(xiàn)代化項(xiàng)目、美國(guó)空軍先進(jìn)試車臺(tái)升級(jí)提案、下一代渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)?zāi)芰?xiàng)目等計(jì)劃，對(duì)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行整合、改進(jìn)、現(xiàn)代化升級(jí)，注重?cái)?shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、精益化，以優(yōu)化資源、提高效率。

AEDC 航空推進(jìn)試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步由幾種特定的試驗(yàn)任務(wù)需求推動(dòng)。隨著飛行器對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)要求的不斷提高和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)為了進(jìn)一步完善試驗(yàn)條件，提高試驗(yàn)?zāi)芰?，?jiān)持從整體發(fā)展體系建設(shè)的角度去規(guī)劃、安排試驗(yàn)設(shè)備的建設(shè)，統(tǒng)籌規(guī)劃試驗(yàn)?zāi)芰ㄔO(shè)，避免低水平重復(fù)建設(shè)，進(jìn)一步強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)?zāi)芰ㄔO(shè)先行的理念，在能力建設(shè)規(guī)劃中必須具有前瞻性，不僅要滿足近期需求，還要給未來(lái)發(fā)展留下足夠空間(如其設(shè)備能力一般預(yù)留40%以上的指標(biāo)裕度)，同時(shí)提高試驗(yàn)技術(shù)，使得試驗(yàn)水平不斷適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)自主研制和發(fā)展的需要。為滿足下一代飛行速度更快、滯空時(shí)間更長(zhǎng)的軍用發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)，AEDC 近期正在對(duì)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行改造升級(jí)(圖11)[6-7]。

圖11 ASTF 對(duì)排氣冷卻器進(jìn)行的改造Fig.11 Modification of exhaust gas cooler in ASTF

隨著美國(guó)國(guó)防戰(zhàn)略的調(diào)整，美國(guó)國(guó)防部加大了對(duì)高超聲速武器系統(tǒng)研發(fā)及相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備升級(jí)改造的投入力度。為了在連續(xù)可變飛行環(huán)境條件下進(jìn)行高空模擬試驗(yàn)，AEDC 的APTU(Aerodynamic Propulsion Test Unit)在TEST 計(jì)劃支持下分3 個(gè)階段開(kāi)展了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，在國(guó)防部HPTC 計(jì)劃支持下開(kāi)展了高空環(huán)境連續(xù)模擬技術(shù)研究，具備了馬赫數(shù)從3.0 到5.5 的連續(xù)調(diào)節(jié)能力。2012 年，APTU將環(huán)境模擬系統(tǒng)升級(jí)為設(shè)備綜合控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)時(shí)序控制、試驗(yàn)監(jiān)控、故障規(guī)避與檢測(cè)、試驗(yàn)終止等功能。為滿足關(guān)鍵部件直連試驗(yàn)項(xiàng)目需要，為APTU 更換了全新的帶溫度自動(dòng)控制的燃油加熱裝置以及3 個(gè)直連噴管，升級(jí)了該試驗(yàn)設(shè)備的控制系統(tǒng)，并于近期完成了相關(guān)試驗(yàn)，這也是美國(guó)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(jié)構(gòu)的超燃沖壓動(dòng)力裝置試驗(yàn)。

4.2 試驗(yàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)變

未來(lái)試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略是將傳統(tǒng)的試驗(yàn)和鑒定方法，向以知識(shí)庫(kù)為基礎(chǔ)的綜合試驗(yàn)和鑒定方法過(guò)渡，從而縮短周期，降低成本，最大限度地滿足用戶對(duì)試驗(yàn)的各種要求。綜合試驗(yàn)和鑒定就是以地面試驗(yàn)設(shè)施和先進(jìn)的計(jì)算、通訊設(shè)備為物質(zhì)基礎(chǔ)，圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)壽命期過(guò)程的各種信息資源開(kāi)發(fā)、綜合、完善和有效利用為主線，將地面試驗(yàn)和分析、數(shù)學(xué)模型、仿真和分析以及飛行試驗(yàn)和分析等手段進(jìn)行綜合利用，創(chuàng)立可供系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)管理和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)決策的知識(shí)庫(kù)。采用先進(jìn)的信息技術(shù)、建模和仿真技術(shù)以及數(shù)字化處理技術(shù)，來(lái)改造傳統(tǒng)的試驗(yàn)過(guò)程，這將在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)領(lǐng)域產(chǎn)生重大變革。

4.2.1 仿真技術(shù)應(yīng)用

隨著飛機(jī)/推進(jìn)系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)和綜合控制、發(fā)動(dòng)機(jī)全權(quán)限數(shù)字控制、發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量、隱身技術(shù)等新技術(shù)的應(yīng)用，試驗(yàn)規(guī)模越來(lái)越大，試驗(yàn)復(fù)雜程度越來(lái)越高，試驗(yàn)綜合性越來(lái)越強(qiáng)，測(cè)試精度不斷提高。為降低發(fā)動(dòng)機(jī)的研制周期和節(jié)約試驗(yàn)與研制費(fèi)用，試驗(yàn)趨向于數(shù)字化和智能化。美國(guó)在不斷完善實(shí)裝鑒定環(huán)境的同時(shí)，大力推廣建模與仿真在試驗(yàn)鑒定中的應(yīng)用，將建模仿真能力作為發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命期各個(gè)階段都使用的主要試驗(yàn)鑒定資源和手段。美國(guó)國(guó)防部實(shí)施的仿真試驗(yàn)和評(píng)估過(guò)程計(jì)劃，旨在將發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)從傳統(tǒng)的“試驗(yàn)—修改—試驗(yàn)”的過(guò)程，轉(zhuǎn)變?yōu)椤澳Ｐ汀抡妗囼?yàn)—迭代”的過(guò)程。由于仿真所用的計(jì)算機(jī)方法和程序是建立在通過(guò)試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上的，所以通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其仿真模型，在仿真模型成熟以后，可以大大減少試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)次數(shù)，最終通過(guò)有限的試驗(yàn)和仿真計(jì)算來(lái)支撐航空動(dòng)力的鑒定。試驗(yàn)與仿真之間相互促進(jìn)、協(xié)同發(fā)展，使得發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)仿真技術(shù)快速發(fā)展。

4.2.2 虛擬技術(shù)應(yīng)用

AEDC 持續(xù)以航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)需求為牽引，緊密圍繞航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)行系統(tǒng)建模及仿真、信息化及試驗(yàn)技術(shù)提升和設(shè)備維護(hù)改造升級(jí)等。其不斷將最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息化技術(shù)、虛擬試驗(yàn)技術(shù)等應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，對(duì)于提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性、安全性和試驗(yàn)效率，起到了極大程度的促進(jìn)作用。2021 年，AEDC在其SL-1 海平面試車臺(tái)開(kāi)展的傳感器技術(shù)驗(yàn)證工作中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以近乎實(shí)時(shí)的方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)試驗(yàn)件和試車臺(tái)真實(shí)3D 場(chǎng)景的還原展示[8]。通過(guò)人工智能技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)功能方面的開(kāi)發(fā)，增加自動(dòng)報(bào)警與預(yù)測(cè)分析功能。

4.2.3 數(shù)字工程應(yīng)用

美國(guó)軍方及AEDC 目前正通過(guò)數(shù)字工程創(chuàng)新與技術(shù)進(jìn)步，不斷地推動(dòng)航空航天系統(tǒng)的研發(fā)。其成立的數(shù)字工程工作組，能夠?qū)⒅暗囊恍┰囼?yàn)工作與更大的數(shù)字環(huán)境建設(shè)方案進(jìn)行連接，包括在數(shù)據(jù)管理、基礎(chǔ)架構(gòu)、業(yè)務(wù)流程等方面。美國(guó)空軍裝備司令部空軍試驗(yàn)中心正致力于構(gòu)建基于云環(huán)境的一系列多方支持項(xiàng)目，如統(tǒng)一平臺(tái)、GITLab 開(kāi)源代碼庫(kù)、協(xié)同軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)以及“Visible Accessible Understandable Linked Trusted”平臺(tái)等項(xiàng)目[9]。

4.3 新型發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)需求

目前，隨著超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)[10]、變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)[11-12]、渦輪基組合動(dòng)力[13]、氫能源發(fā)動(dòng)機(jī)、多電發(fā)動(dòng)機(jī)、短垂起降發(fā)動(dòng)機(jī)、涵道風(fēng)扇等新型動(dòng)力的出現(xiàn)，和裝備信息化、智能化的發(fā)展，涌現(xiàn)出了各種類型的新型動(dòng)力，從而推動(dòng)各種飛行器不斷涌現(xiàn)的發(fā)展勢(shì)頭。這些新型動(dòng)力，隨時(shí)可能顛覆傳統(tǒng)飛行器的作戰(zhàn)效能發(fā)揮。如近年來(lái)，高超聲速武器的作戰(zhàn)運(yùn)用和威懾效能受到高度重視，一些國(guó)家，特別是美國(guó)，正加大資金投入，增強(qiáng)對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)研究的攻關(guān)力度，積極推進(jìn)高超聲速巡航導(dǎo)彈的實(shí)戰(zhàn)化進(jìn)程。最近，美國(guó)國(guó)會(huì)參眾兩院均建議增加美海軍高超聲速反艦導(dǎo)彈計(jì)劃研發(fā)預(yù)算，強(qiáng)化美海軍的進(jìn)攻性、對(duì)海打擊能力。高超聲速巡航導(dǎo)彈采用的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在魯棒性等工程問(wèn)題上面臨諸多難題，如進(jìn)氣道不起動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)冷重起等，距離實(shí)戰(zhàn)使用還有較大差距，需要開(kāi)展大量的試驗(yàn)研究以解決其設(shè)計(jì)問(wèn)題。

5 建議

(1)加強(qiáng)試驗(yàn)設(shè)施的能力升級(jí)建設(shè)。

統(tǒng)一部門管理與規(guī)劃，統(tǒng)籌空軍、海軍、陸軍等軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制需求與考核需求，重視對(duì)已有重大試驗(yàn)設(shè)施的健康管理與能力升級(jí)，拓寬設(shè)備升級(jí)改造經(jīng)費(fèi)渠道，進(jìn)行重大先進(jìn)試驗(yàn)設(shè)施體系建設(shè)缺項(xiàng)分析與論證，做好頂層設(shè)計(jì)與建設(shè)安排，保證考核試驗(yàn)可開(kāi)展、能開(kāi)展，確保試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)先進(jìn)、狀態(tài)良好，為裝備研制提供可靠的試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)。

(2)加快數(shù)字化試驗(yàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

通過(guò)建設(shè)航空動(dòng)力虛實(shí)結(jié)合的仿真驗(yàn)證能力，加強(qiáng)飛行前全系統(tǒng)聯(lián)合驗(yàn)證能力。重點(diǎn)推進(jìn)數(shù)字高空臺(tái)等能力建設(shè)，形成物理試驗(yàn)與數(shù)字仿真精準(zhǔn)映射、持續(xù)快速迭代的試驗(yàn)?zāi)芰Γ_(kāi)展高空模擬試驗(yàn)數(shù)字孿生能力建設(shè)，推動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理環(huán)境建設(shè)，建設(shè)試驗(yàn)管理、分析、應(yīng)用工具和試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，建成試驗(yàn)數(shù)據(jù)中心，形成基于知識(shí)和大數(shù)據(jù)的試驗(yàn)管理與服務(wù)能力。

(3)提前布局新型動(dòng)力研制急需的重大先進(jìn)試驗(yàn)設(shè)施建設(shè)。

構(gòu)建新型動(dòng)力發(fā)展方向與技術(shù)追蹤體系，對(duì)先進(jìn)技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用加強(qiáng)預(yù)先研究，支持新型動(dòng)力研究試驗(yàn)設(shè)施設(shè)計(jì)技術(shù)、制造技術(shù)的預(yù)先開(kāi)展和創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)，支持針對(duì)新型動(dòng)力的設(shè)備改造技術(shù)研究，確保我國(guó)在新型動(dòng)力研制和顛覆性新型動(dòng)力研制過(guò)程中，不落后于美國(guó)等西方國(guó)家。

6 結(jié)束語(yǔ)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)是各類航空發(fā)動(dòng)機(jī)科學(xué)研究、技術(shù)鑒定、適航取證的重要手段，是軍民兼顧、行業(yè)共享的大型關(guān)鍵試驗(yàn)設(shè)施，但其研制技術(shù)難度大、建設(shè)成本高和周期長(zhǎng)、運(yùn)行維護(hù)技術(shù)復(fù)雜。經(jīng)過(guò)多年建設(shè)，當(dāng)前我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高空模擬試驗(yàn)已初步形成體系，與航空強(qiáng)國(guó)的差距在逐漸縮小，但在體系完整性和未來(lái)新型航空動(dòng)力試驗(yàn)保障等方面，還存在一些短板和不足。因此，在完善試驗(yàn)設(shè)施體系的同時(shí)，應(yīng)注重試驗(yàn)數(shù)字化能力、智能化能力的提升，快速提升試驗(yàn)效能，健全、壯大航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈，全面提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制能力水平，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制自主創(chuàng)新能力。