陸思達(dá)，王玉東，嚴(yán)紅明

（中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200241）

0 引言

民航將標(biāo)高1500～2438 m 的機(jī)場(chǎng)定義為高原機(jī)場(chǎng)，2438 m 以上的機(jī)場(chǎng)定義為高高原機(jī)場(chǎng)[1]。目前全球共有高高原機(jī)場(chǎng)42 個(gè)，主要集中于中國(guó)、中亞和南美等[2]，其中，中國(guó)有15個(gè)，主要分布在四川、青海、新疆和西藏等省、自治區(qū)，是世界上擁有高高原機(jī)場(chǎng)數(shù)量最多的國(guó)家。相比于平原，高高原機(jī)場(chǎng)海拔高、大氣壓力低、空氣密度小、環(huán)境溫度低。這些因素會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)在高高原機(jī)場(chǎng)執(zhí)行任務(wù)復(fù)雜度高，對(duì)飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的要求也更高，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)更加困難，飛機(jī)起飛著陸性能也受到很大影響。目前中國(guó)能夠在高原和高高原運(yùn)行的民航機(jī)型有5個(gè)，分別是空客319、330、340和波音737-700、757-200，均為國(guó)外制造的飛機(jī)。中國(guó)研制的民用飛機(jī)若要在高高原機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)，其發(fā)動(dòng)機(jī)必須具備在高高原機(jī)場(chǎng)起動(dòng)的能力。所以，研究民用發(fā)動(dòng)機(jī)高高原起動(dòng)問題是非常必要的。

目前部分國(guó)外民用發(fā)動(dòng)機(jī)具備高高原起動(dòng)和運(yùn)營(yíng)的能力，但是國(guó)內(nèi)外關(guān)于民機(jī)高高原起動(dòng)詳細(xì)研究的相關(guān)文獻(xiàn)很少。Léo 等[3]對(duì)高海拔條件下航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的點(diǎn)火過程進(jìn)行了大渦模擬研究；Sukhovii等[4]和Asgari 等[5]分別研究了模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)過程的建模方法；賴安卿等[6]基于QAR 數(shù)據(jù)對(duì)某型大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高高原冷發(fā)起動(dòng)失效和熱發(fā)起動(dòng)成功時(shí)的關(guān)鍵性能數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。相關(guān)的軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的高原起動(dòng)研究成果也可作為借鑒。李大為等[7]根據(jù)高原環(huán)境，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程的影響進(jìn)行了理論分析，提出了優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)的措施；李文峰等[8]針對(duì)軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了高原起動(dòng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，通過增大起動(dòng)機(jī)功率以及減小起動(dòng)負(fù)載的辦法可以解決高原起動(dòng)的問題；喬洪信等[9]通過試車和仿真計(jì)算，給出了某型發(fā)動(dòng)機(jī)高原起動(dòng)供油規(guī)律；王兆銘等[10]通過對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)工作過程和起動(dòng)供油調(diào)節(jié)分析，研究了平原起動(dòng)供油和高原起動(dòng)供油關(guān)系；此外中國(guó)諸多高校對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程建模[11-13]也進(jìn)行了研究。但是對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程建模同時(shí)針對(duì)高高原環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，并結(jié)合高高原飛行試驗(yàn)安全性的研究尚未開展。

本文簡(jiǎn)要介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)在高高原起動(dòng)的過程，研究了起動(dòng)方案設(shè)計(jì)方法，制定了提高發(fā)動(dòng)機(jī)高高原起動(dòng)成功率、確保飛機(jī)試飛安全性的試驗(yàn)流程。

1 高高原起動(dòng)定義

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)地面起動(dòng)定義

發(fā)動(dòng)機(jī)從零轉(zhuǎn)速過渡到慢車轉(zhuǎn)速的過程稱為起動(dòng)過程[14]，是發(fā)動(dòng)機(jī)開始運(yùn)行所經(jīng)歷的第一階段。這個(gè)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不斷增加，經(jīng)歷點(diǎn)火、發(fā)動(dòng)機(jī)工作線上移、渦輪功率從小于壓氣機(jī)功率到大于壓氣機(jī)功率從而能夠自主加速等變化，為發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)最為復(fù)雜的階段。

成功的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中不應(yīng)發(fā)生喘振、超溫、懸掛、熄火和超時(shí)等不利現(xiàn)象。

發(fā)動(dòng)機(jī)地面起動(dòng)有3 種引氣方式，分別是從APU引氣、地面氣源車引氣和交輸引氣（從另一臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)級(jí)間引氣）。

按照發(fā)動(dòng)機(jī)前序工作狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)可以分為冷發(fā)起動(dòng)和熱發(fā)起動(dòng)。冷發(fā)起動(dòng)是指發(fā)動(dòng)機(jī)完全冷卻，內(nèi)部溫度也降至環(huán)境溫度時(shí)進(jìn)行起動(dòng)。熱發(fā)起動(dòng)是指發(fā)動(dòng)機(jī)尚未完全冷卻，內(nèi)部溫度明顯高于環(huán)境溫度時(shí)進(jìn)行起動(dòng)。

1.2 起動(dòng)階段劃分

起動(dòng)階段發(fā)動(dòng)機(jī)高壓軸和起動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)軸機(jī)械相連接，起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓軸轉(zhuǎn)動(dòng)并加速，在合適的轉(zhuǎn)速進(jìn)行點(diǎn)火，發(fā)動(dòng)機(jī)在自身動(dòng)力（或阻力）和起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)的合力下加速，直至慢車。起動(dòng)過程按階段劃分為冷運(yùn)轉(zhuǎn)、點(diǎn)火、加速、起動(dòng)機(jī)脫開，最終自主加速并穩(wěn)定在慢車轉(zhuǎn)速。

起動(dòng)過程發(fā)動(dòng)機(jī)高壓軸的扭矩和功率變化如圖1、2所示。圖1中紅色虛線為起動(dòng)機(jī)扭矩。在起動(dòng)過程中起動(dòng)機(jī)提供正扭矩，發(fā)動(dòng)機(jī)在自平衡轉(zhuǎn)速之前扭矩為負(fù)，為便于對(duì)比將起動(dòng)機(jī)的正扭矩畫在負(fù)值區(qū)域。起動(dòng)機(jī)扭矩在發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩（藍(lán)色線）下方（絕對(duì)值更大），可知發(fā)動(dòng)機(jī)和起動(dòng)機(jī)的合扭矩為正扭矩，可以帶轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)到比自平衡轉(zhuǎn)速更高的轉(zhuǎn)速。圖2 中紅色虛線為起動(dòng)機(jī)最大輸出功率。起動(dòng)過程中起動(dòng)機(jī)提供正功率，發(fā)動(dòng)機(jī)在自平衡轉(zhuǎn)速之前功率為負(fù)，為便于對(duì)比將起動(dòng)機(jī)的功率畫在負(fù)值區(qū)域。起動(dòng)機(jī)功率在發(fā)動(dòng)機(jī)功率下方（絕對(duì)值更大）可知發(fā)動(dòng)機(jī)和起動(dòng)機(jī)的合功率為正功率，可以帶轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)到比自平衡轉(zhuǎn)速更高的轉(zhuǎn)速。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中高壓軸扭矩變化

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中高壓軸功率變化

1.3 高高原起動(dòng)的定義

在高高原機(jī)場(chǎng)的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程為高高原起動(dòng)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高高原起動(dòng)的過程，也是包含起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)、點(diǎn)火、加速、最終穩(wěn)定到慢車等幾個(gè)過程。隨著機(jī)場(chǎng)海拔升高，大氣壓力、溫度以及密度均會(huì)降低，大大增加了高原起動(dòng)難度。另外，地形和天氣條件等使高高原機(jī)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境也比一般機(jī)場(chǎng)復(fù)雜很多，可以說高高原運(yùn)行對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性提出了更高要求[15]，特殊的高高原環(huán)境將對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高高原起動(dòng)性能同樣產(chǎn)生不容忽視的影響。

2 高高原起動(dòng)設(shè)計(jì)

2.1 起動(dòng)設(shè)計(jì)方法

起動(dòng)設(shè)計(jì)包括起動(dòng)供油規(guī)律設(shè)計(jì)、點(diǎn)火轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)、定義起動(dòng)過程關(guān)鍵轉(zhuǎn)速、定義起動(dòng)包線內(nèi)關(guān)鍵點(diǎn)等。

首先，建立發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)模型，主要包括起動(dòng)機(jī)模型、阻力模型、吸放熱模型、部件模型及修正。阻力模型包括飛機(jī)附件阻力模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)高壓附件阻力模塊、低壓附件阻力模塊、燃油泵功率損失、滑油泵功率損失、軸承功率損失和壓氣機(jī)盤風(fēng)阻損失等。部件模型包括旋轉(zhuǎn)部件全轉(zhuǎn)速特性和燃燒室特性。修正模型主要考慮旋轉(zhuǎn)部件低轉(zhuǎn)速特性延伸及修正，燃燒室點(diǎn)火及燃油霧化對(duì)燃燒效率的影響等。

利用建立的發(fā)動(dòng)機(jī)模型定義起動(dòng)供油規(guī)律控制方式。發(fā)動(dòng)機(jī)常用的起動(dòng)供油規(guī)律有2 種，轉(zhuǎn)速變化率控制和換算燃油流量控制。轉(zhuǎn)速變化率控制規(guī)律通過定義轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化速率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系控制起動(dòng)過程發(fā)動(dòng)機(jī)供油；換算燃油流量控制定義換算燃油流量隨轉(zhuǎn)速變化的供油規(guī)律，在發(fā)動(dòng)機(jī)全衰退、安裝狀態(tài)下進(jìn)行定義

式中：Wf為燃油質(zhì)量流量；PS3為壓氣機(jī)出口靜壓；T25為壓氣機(jī)進(jìn)口總溫；Tstd為標(biāo)準(zhǔn)天溫度；N2r為高壓軸換算轉(zhuǎn)速。

設(shè)計(jì)起動(dòng)控制規(guī)律時(shí)，選擇的工況點(diǎn)要能夠代表起動(dòng)包線內(nèi)所有工況點(diǎn)的起動(dòng)能力。根據(jù)起動(dòng)包線，結(jié)合適航33.69 條款[16]驗(yàn)證需求，選取起動(dòng)邊界線各頂點(diǎn)及邊界內(nèi)疏密度合適的點(diǎn)進(jìn)行起動(dòng)控制規(guī)律設(shè)計(jì)。為保證起動(dòng)過程安全可靠，起動(dòng)控制規(guī)律設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮渦輪葉片強(qiáng)度、高壓壓氣機(jī)穩(wěn)定性、燃燒不穩(wěn)定振蕩、點(diǎn)火條件和燃油泵流量特性等限制條件。點(diǎn)火供油一般參考燃燒室的部件試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合油氣比優(yōu)化方案，給出易于點(diǎn)火的轉(zhuǎn)速范圍和點(diǎn)火供油量。點(diǎn)火成功后的起動(dòng)加速階段，需基于壓縮部件和渦輪部件低轉(zhuǎn)速特性的匹配結(jié)果，并留有一定裕度，完成起動(dòng)供油設(shè)計(jì)。起動(dòng)供油規(guī)律需考慮發(fā)動(dòng)機(jī)降穩(wěn)后的可用穩(wěn)定裕度、燃油控制器公差、過渡態(tài)熱效應(yīng)、過渡態(tài)葉尖間隙效應(yīng)和放氣等因素對(duì)工作線的影響。

起動(dòng)供油規(guī)律設(shè)計(jì)如圖3 所示。黃色曲線為按照喘振裕度邊界設(shè)計(jì)的供油曲線，不同顏色的細(xì)曲線為不同壓氣機(jī)進(jìn)口溫度下按照發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度限制設(shè)計(jì)的供油曲線，紅色曲線為起動(dòng)供油規(guī)律設(shè)計(jì)結(jié)果。起動(dòng)供油規(guī)律相比于溫度限制供油和喘振限制供油要留有一定裕度，同時(shí)要比懸掛和貧油熄火油量高。

圖3 地面起動(dòng)供油規(guī)律

針對(duì)高高原起動(dòng)的特殊工況和要求，通過計(jì)算高高原機(jī)場(chǎng)不同大氣條件下的起動(dòng)過程對(duì)設(shè)計(jì)的起動(dòng)控制規(guī)律進(jìn)行仿真驗(yàn)證，確保發(fā)動(dòng)機(jī)滿足高高原起動(dòng)性能要求，對(duì)起動(dòng)控制規(guī)律的合理性和有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 高高原起動(dòng)優(yōu)化調(diào)節(jié)方法

雖然在設(shè)計(jì)階段完成了發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)包線工況的起動(dòng)設(shè)計(jì)，但是這種設(shè)計(jì)存在局限性。設(shè)計(jì)局限性主要包括葉輪機(jī)械低轉(zhuǎn)速特性不準(zhǔn)、壓縮部件試驗(yàn)邊界不確定和點(diǎn)著火后一段時(shí)間的燃燒效率仿真度不高等。為了克服上述局限性，在高高原試飛前要通過地面臺(tái)和高空臺(tái)的起動(dòng)優(yōu)化試驗(yàn)及地面臺(tái)高空臺(tái)逼喘試驗(yàn)等手段來優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制規(guī)律。

通過地面臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能優(yōu)化調(diào)試試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、排氣溫度和壓氣機(jī)出口壓力等性能參數(shù)，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制規(guī)律。通過地面臺(tái)逼喘試驗(yàn)得到壓縮部件在整機(jī)地面工作狀態(tài)下的喘振邊界，進(jìn)一步優(yōu)化起動(dòng)供油和幾何調(diào)節(jié)控制規(guī)律，得到基于地面臺(tái)試驗(yàn)的修正方案。

基于設(shè)計(jì)結(jié)果和地面臺(tái)修正方案，制定高空臺(tái)模擬高高原起動(dòng)試驗(yàn)方案。通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出口條件，模擬不同高度高高原機(jī)場(chǎng)環(huán)境條件，進(jìn)行高高原起動(dòng)性能優(yōu)化試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化點(diǎn)火和起動(dòng)供油控制規(guī)律，得到隨高度變化的供油規(guī)律修正量和隨溫度變化的供油補(bǔ)償量。通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出口面積、供油量和引放氣量等手段，進(jìn)行高空臺(tái)逼喘試驗(yàn)，獲得發(fā)動(dòng)機(jī)高高原狀態(tài)下壓縮部件的喘振邊界。通過高空臺(tái)起動(dòng)試驗(yàn)和逼喘試驗(yàn)結(jié)果，判斷發(fā)動(dòng)機(jī)喘振裕度是否充足，明確高高原起動(dòng)控制規(guī)律調(diào)整和優(yōu)化方案。

通過一系列的起動(dòng)優(yōu)化試驗(yàn)和逼喘試驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)的起動(dòng)控制規(guī)律進(jìn)行修正，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)高高原起動(dòng)性能，最大程度的了解發(fā)動(dòng)機(jī)的性能裕度并提高發(fā)動(dòng)機(jī)高高原起動(dòng)能力。

3 高高原起動(dòng)試驗(yàn)

3.1 高高原起動(dòng)試驗(yàn)科目

發(fā)動(dòng)機(jī)高高原起動(dòng)試驗(yàn)根據(jù)不同階段、不同場(chǎng)景和對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不同的依賴度，可以分為3 種試驗(yàn)，分別是高高原簡(jiǎn)易地面臺(tái)試驗(yàn)、飛行臺(tái)的高高原起動(dòng)試驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力的高高原試飛試驗(yàn)。

3.1.1 高高原簡(jiǎn)易地面臺(tái)起動(dòng)試驗(yàn)

將發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)往高高原機(jī)場(chǎng)，在機(jī)場(chǎng)附近搭建簡(jiǎn)易試車臺(tái)，進(jìn)行高高原起動(dòng)試驗(yàn)，主要目的就是基于前序試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)，調(diào)試得到能夠在高高原起動(dòng)的供油規(guī)律。該試驗(yàn)不涉及飛行，是發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)的科目，因此風(fēng)險(xiǎn)較低。

3.1.2 飛行臺(tái)高高原起動(dòng)試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)裝在飛行試驗(yàn)臺(tái)上，飛往高高原機(jī)場(chǎng)進(jìn)行起動(dòng)試驗(yàn)，主要目的為飛發(fā)匹配調(diào)整，確保APU 供氣推動(dòng)起動(dòng)機(jī)輸出的功率能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的需求，同時(shí)驗(yàn)證在飛機(jī)環(huán)境下，起動(dòng)供油和起動(dòng)控制方案的可行性。飛行臺(tái)可以在被試發(fā)動(dòng)機(jī)不工作的情況下正常工作，因此即使被試發(fā)動(dòng)機(jī)高高原起動(dòng)失敗，飛行臺(tái)依然能夠依靠原本的動(dòng)力返航低海拔平原機(jī)場(chǎng)，風(fēng)險(xiǎn)也較低。

3.1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力的高高原試飛

發(fā)動(dòng)機(jī)裝在預(yù)定的裝機(jī)對(duì)象上，作為動(dòng)力裝置負(fù)責(zé)提供飛機(jī)的所有動(dòng)力，飛往高高原機(jī)場(chǎng)進(jìn)行試飛。這是對(duì)飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)作為1 個(gè)整體的考核試飛，起動(dòng)試驗(yàn)?zāi)康臑轵?yàn)證在裝機(jī)目標(biāo)環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能。該試驗(yàn)中每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)都是被試對(duì)象，需要具備高高原起動(dòng)能力，否則飛機(jī)有滯留機(jī)場(chǎng)無法轉(zhuǎn)場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)，因此首次高高原試飛的風(fēng)險(xiǎn)較高。

3.2 影響高高原起動(dòng)成功的因素

3.2.1 起動(dòng)機(jī)能力降低

發(fā)動(dòng)機(jī)地面起動(dòng)的前半程需要依靠起動(dòng)機(jī)的帶轉(zhuǎn)，到自平衡轉(zhuǎn)速后，發(fā)動(dòng)機(jī)才有自行加速的能力，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)能力在一定程度上依靠起動(dòng)機(jī)的能力，發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性也依賴于起動(dòng)機(jī)的特性。

根據(jù)大氣性質(zhì)，空氣密度隨海拔上升而下降，因此空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的輸出扭矩和功率會(huì)隨著海拔的上升而下降。使用發(fā)動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，得到隨海拔升高的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)仿真結(jié)果（起動(dòng)時(shí)間、起動(dòng)機(jī)扭矩和功率做百分?jǐn)?shù)處理）見表1。地面起動(dòng)和高高原起動(dòng)用時(shí)對(duì)比如圖4 所示。不同海拔條件下的起動(dòng)機(jī)最大輸出扭矩和功率的變化趨勢(shì)如圖5 所示。從表1 中可見，假設(shè)海平面輸出功率和扭矩為100%，在2438 m 的高高原機(jī)場(chǎng)，起動(dòng)機(jī)輸出功率和扭矩分別降低27.07%和25.76%；而在3658 m 時(shí)，起動(dòng)機(jī)輸出功率和扭矩分別降低38.13%和36.44%；當(dāng)?shù)竭_(dá)4572 m 的高高原時(shí)，起動(dòng)機(jī)輸出功率和扭矩分別只有53.9%和56.55%。

表1 隨海拔升高的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)仿真結(jié)果

圖4 地面起動(dòng)和高高原起動(dòng)用時(shí)對(duì)比

圖5 起動(dòng)機(jī)最大功率和扭矩隨海拔變化

因此，高高原機(jī)場(chǎng)試飛中高海拔造成起動(dòng)機(jī)能力降低，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)有不利的影響。

3.2.2 轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)阻力增大

高高原的環(huán)境溫度普遍比平原的低，低溫對(duì)起動(dòng)過程的影響較為復(fù)雜，為研究溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)物理特性的影響，利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。從圖中可見，隨著環(huán)境溫度降低，發(fā)動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)速上升速率降低，在大氣溫度低于-10 ℃以后尤為顯著。起動(dòng)機(jī)脫開后，轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)時(shí)間明顯縮短，轉(zhuǎn)速下降速率升高。

圖6 不同溫度下冷運(yùn)轉(zhuǎn)帶轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速對(duì)比

不同溫度下發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩隨高壓軸轉(zhuǎn)速的變化如圖7 所示。從圖中可見，隨著溫度降低阻力矩顯著增大。滑油黏度隨溫度降低呈指數(shù)增大，軸承阻力隨著滑油黏度增大而增大，因此在冷天發(fā)動(dòng)機(jī)的阻力將急劇增大[17]。

圖7 不同溫度下阻力矩對(duì)比曲線

3.2.3 燃油噴嘴霧化效果差

燃油的點(diǎn)火和燃燒是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程。燃油被燃油泵送至噴嘴，在噴嘴完成與空氣的摻混和霧化，然后被噴入燃燒室參與燃燒。

燃油霧化顆粒的尺寸大小常用油霧平均直徑（索太爾平均直徑）SMD表示。SMD是1 個(gè)假想值，用SMD直徑代替原來燃油液霧的特征值，是其總體積和總表面積的比值[18]

式中：n為直徑D的液滴數(shù)。

SMD越小，表示油霧越細(xì)，更易于蒸發(fā)和燃燒；同時(shí)其總表面積越大，蒸發(fā)得越快。

當(dāng)噴射壓力低時(shí)，油霧顆粒比較大，噴射壓力高時(shí)，油霧的顆粒較細(xì)，隨著壓力的增高，油霧顆粒呈現(xiàn)出逐漸細(xì)化的趨勢(shì)。SMD隨噴射壓力的變化如圖8 所示[19]。

圖8 某噴嘴SMD隨噴射壓力的變化

噴孔孔徑不變時(shí)，隨著噴射壓力的提高，燃油流速將進(jìn)一步增大，摩擦力也隨之增大，燃油被磨成非常細(xì)的油滴，燃油噴霧將由油束變?yōu)橛挽F，其形狀由細(xì)長(zhǎng)型變成具有一定噴霧錐角且穩(wěn)定的形狀。發(fā)動(dòng)機(jī)在高高原工作時(shí)，進(jìn)氣質(zhì)量流量減少，為了保持油氣比，供油量也會(huì)減少。由于燃油噴嘴的物理結(jié)構(gòu)不會(huì)變化，燃油流量的下降是供油壓力和流速降低的結(jié)果，因此隨著SMD增大，燃油霧化效果變差，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)變得困難。

3.2.4 部件效率和穩(wěn)定性降低

在高空低馬赫數(shù)條件下，雷諾數(shù)處于非自模區(qū)，遠(yuǎn)低于臨界雷諾數(shù)，壓氣機(jī)、渦輪部件效率明顯降低，壓縮部件效率降低可達(dá)1.5%，渦輪部件效率降低可達(dá)1.2%，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響顯著，其風(fēng)扇/壓氣機(jī)喘振邊界向下移動(dòng)，穩(wěn)定裕度降低[20-21]，部件效率和穩(wěn)定性下降也會(huì)對(duì)起動(dòng)性能產(chǎn)生不利影響。

通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高高原環(huán)境下的雷諾數(shù)修正，并進(jìn)行整機(jī)仿真模擬對(duì)比分析，得出雷諾數(shù)效應(yīng)會(huì)降低部件的壓比和效率，使壓縮部件的喘振邊界向下移動(dòng)[22]，同時(shí)導(dǎo)致風(fēng)扇、增壓級(jí)、高壓壓氣機(jī)特性圖上的共同工作線上移。因此喘振邊界下移和工作線上移雙向作用對(duì)起動(dòng)性能產(chǎn)生不利影響。

3.3 提高高高原起動(dòng)成功率的方法

3.3.1 循序漸進(jìn)原則

為確保試飛安全性，遵循循序漸進(jìn)的原則，先進(jìn)行高高原地面臺(tái)、飛行臺(tái)試驗(yàn)，各項(xiàng)參數(shù)均達(dá)標(biāo)后再進(jìn)行高高原機(jī)場(chǎng)試飛。飛機(jī)進(jìn)行高高原試飛前要做大量的飛發(fā)聯(lián)合仿真和模擬機(jī)試驗(yàn)，以模擬試飛中飛機(jī)的操穩(wěn)特性和性能，為即將要在高高原試飛中的試驗(yàn)點(diǎn)或者動(dòng)作做出分析，模擬機(jī)也可以讓飛行機(jī)組事先熟悉飛機(jī)的響應(yīng)。

3.3.2 高高原試飛起動(dòng)試驗(yàn)流程

發(fā)動(dòng)機(jī)在高高原簡(jiǎn)易地面臺(tái)試驗(yàn)時(shí)，可以調(diào)節(jié)起動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)引放氣規(guī)律和起動(dòng)階段供油規(guī)律。發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行臺(tái)試驗(yàn)時(shí)，除了APU 供氣起動(dòng)外，還可以依靠其余發(fā)動(dòng)機(jī)的交輸引氣起動(dòng)，即使試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)不成功，飛行臺(tái)也可以依靠其余發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)場(chǎng)飛行，相關(guān)故障或者數(shù)據(jù)可以返回海拔較低機(jī)場(chǎng)進(jìn)行分析。高高原試飛不同于地面臺(tái)試驗(yàn)，也不同于飛行臺(tái)試驗(yàn)，飛機(jī)在高高原機(jī)場(chǎng)降落后，若發(fā)動(dòng)機(jī)不具備起動(dòng)能力，飛機(jī)很可能無法起飛被困于機(jī)場(chǎng)，這對(duì)于試飛本身和取證工作的進(jìn)行都極為不利。

按照循序漸進(jìn)原則，設(shè)計(jì)了高高原起動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避試驗(yàn)流程，如圖9 所示。飛機(jī)降落在高高原機(jī)場(chǎng)后單發(fā)不停車，起動(dòng)輔助動(dòng)力裝置APU，如果APU 起動(dòng)成功，發(fā)動(dòng)機(jī)干運(yùn)轉(zhuǎn)使排氣溫度ITT小于120 ℃，APU引氣進(jìn)行熱發(fā)起動(dòng)。如果熱發(fā)起動(dòng)成功則關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，充分冷卻后進(jìn)行冷發(fā)起動(dòng)，如果冷發(fā)起動(dòng)成功可結(jié)束APU 起動(dòng)試驗(yàn)；如果冷發(fā)起動(dòng)不成功，使用地面氣源車引氣再試驗(yàn)冷發(fā)起動(dòng)，如果仍然不能冷發(fā)起動(dòng)，提升另一發(fā)推力，使環(huán)控簡(jiǎn)圖頁(yè)上的引氣壓力達(dá)到最大，使用交輸引氣起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，返回低海拔機(jī)場(chǎng)。如果APU 引氣進(jìn)行熱發(fā)起動(dòng)不成功，嘗試使用地面氣源車引氣進(jìn)行熱發(fā)起動(dòng)，如果熱發(fā)起動(dòng)成功，則返回低海拔機(jī)場(chǎng)；如果熱發(fā)起動(dòng)仍不成功，則使用交輸引氣進(jìn)行熱發(fā)起動(dòng)返回低海拔機(jī)場(chǎng)。如果APU 起動(dòng)不成功，接入外部氣源，發(fā)動(dòng)機(jī)干運(yùn)轉(zhuǎn)使排氣溫度小于120 ℃后從外部氣源引氣進(jìn)行熱發(fā)起動(dòng)。如果熱發(fā)起動(dòng)成功，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，充分冷卻后從外部氣源引氣進(jìn)行冷發(fā)起動(dòng)，如果冷發(fā)起動(dòng)成功，結(jié)束試驗(yàn)；如果冷發(fā)起動(dòng)不成功則使用交輸引氣進(jìn)行冷發(fā)起動(dòng)返回低海拔機(jī)場(chǎng)。如果從外部氣源引氣進(jìn)行熱發(fā)起動(dòng)不成功，則使用交輸引氣進(jìn)行熱發(fā)起動(dòng)返回低海拔機(jī)場(chǎng)。即依次嘗試APU 和地面氣源車的熱發(fā)起動(dòng)，然后嘗試?yán)浒l(fā)起動(dòng)。在確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)具備僅依靠APU 或者氣源車引氣在冷浸狀態(tài)實(shí)現(xiàn)起動(dòng)的能力后，再關(guān)閉另一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)。能順利冷發(fā)起動(dòng)標(biāo)志著發(fā)動(dòng)機(jī)高高原起動(dòng)試驗(yàn)成功，至此發(fā)動(dòng)機(jī)的高高原起動(dòng)能力得到確認(rèn)。

圖9 高高原起動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避試驗(yàn)流程

高高原起動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避試驗(yàn)流程制定的目標(biāo)是把高高原起動(dòng)不成功的風(fēng)險(xiǎn)降到最低，確保飛機(jī)首次轉(zhuǎn)場(chǎng)高高原機(jī)場(chǎng)后不會(huì)被困在高高原機(jī)場(chǎng)，能夠繼續(xù)開展試飛取證工作。

3.4 高高原試飛起動(dòng)試驗(yàn)流程的驗(yàn)證

2020 年，某民用飛機(jī)應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的高高原起動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避試驗(yàn)流程在某高高原機(jī)場(chǎng)完成了首次高高原起動(dòng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了試驗(yàn)流程的有效性。

飛機(jī)先從某平原機(jī)場(chǎng)轉(zhuǎn)場(chǎng)飛往某高高原機(jī)場(chǎng)，著陸后單發(fā)保持慢車狀態(tài)，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)正常停車，按照高高原起動(dòng)試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避流程開始高高原起動(dòng)試驗(yàn)。起動(dòng)APU，APU起動(dòng)成功后，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行干運(yùn)轉(zhuǎn)，然后從APU 引氣起動(dòng)熱發(fā)。首次熱發(fā)起動(dòng)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)超溫，本次起動(dòng)終止。按照發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)流程，起動(dòng)超溫保護(hù)終止起動(dòng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行二次干運(yùn)轉(zhuǎn)，然后進(jìn)行第2 次熱發(fā)起動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)2 次熱發(fā)起動(dòng)成功。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)手冊(cè)定義，地面起動(dòng)失敗為連續(xù)3 次起動(dòng)均失敗，因此認(rèn)為APU 引氣熱發(fā)起動(dòng)成功。按照試驗(yàn)流程，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)車?yán)鋮s并且APU 關(guān)車，等待試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)充分冷卻后起動(dòng)APU，進(jìn)行從APU 引氣的冷發(fā)起動(dòng)試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷發(fā)起動(dòng)成功。認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)具備在該高高原機(jī)場(chǎng)的APU 引氣冷發(fā)起動(dòng)能力，APU引氣冷發(fā)起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束。

為了充分驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的高高原起動(dòng)能力，考慮到即使APU 故障，飛機(jī)也可以按照最低設(shè)備放行清單放飛，因此除了APU 引氣起動(dòng)試驗(yàn)，還進(jìn)行了地面氣源車引氣和交輸引氣冷發(fā)起動(dòng)試驗(yàn)。在進(jìn)行地面氣源車引氣冷發(fā)起動(dòng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在高高原機(jī)場(chǎng)地面氣源車的供氣能力與平原機(jī)場(chǎng)相比有所下降，并且在高高原試驗(yàn)時(shí)地面氣源車供氣壓力有可能發(fā)生波動(dòng)。考慮到本次試驗(yàn)使用的地面氣源車并不是針對(duì)高高原運(yùn)營(yíng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的，因此后續(xù)高高原運(yùn)營(yíng)時(shí)，地面氣源車需要進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)優(yōu)化，以達(dá)到與目前主流高高原運(yùn)營(yíng)機(jī)型一致的供氣能力。在進(jìn)行交輸引氣冷發(fā)起動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，起動(dòng)機(jī)氣源是另一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)級(jí)間引氣，因此可以通過調(diào)節(jié)氣源發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)以獲得足夠的氣源壓力。高高原試驗(yàn)中使用APU 引氣冷發(fā)起動(dòng)成功的試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 高高原試飛APU引氣冷發(fā)起動(dòng)

高高原試驗(yàn)中使用交輸引氣冷發(fā)起動(dòng)成功的試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 高高原試飛交輸引氣冷發(fā)起動(dòng)

4 結(jié)論

（1）建立了發(fā)動(dòng)機(jī)高高原起動(dòng)模型，提出了發(fā)動(dòng)機(jī)高高原起動(dòng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法。

（2）分析了影響發(fā)動(dòng)機(jī)高高原起動(dòng)成功的4 項(xiàng)主要因素。利用建立的發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型計(jì)算了隨著海拔高度的增加起動(dòng)機(jī)最大輸出功率和扭矩的降低量。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了不同環(huán)境溫度下起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速及阻力矩隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。

（3）提出了提高發(fā)動(dòng)機(jī)高高原起動(dòng)成功率的方法，設(shè)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)高高原起動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避試驗(yàn)流程，并在高高原機(jī)場(chǎng)完成試驗(yàn)驗(yàn)證。