航空发动机高空模拟试车台
记：从理论上讲，将新研制的发动机装在其将要配装的飞机上直接进行试飞，就可以在发动机的全部飞行范围内考核其性能，为什么不采取这样更简单、直接的办法？
刘：理论归理论，但实际上，这样做有很多问题。首先，新研制的发动机将要配装的飞机一般也是新研制的，将全新的飞机和发动机放在一起进行试飞，其风险是很大的，飞机和发动机的问题纠缠在一起，将使试飞中的故障诊断和分析过程变得十分复杂和困难，会严重影响研制进度；而且，一般情况下，飞机和发动机的研制进度和周期是不相同的，发动机的研制进度往往落后于飞机，会造成飞机和发动机互相等待、牵制的局面。
因此，一般采用新飞机加现役发动机首先试飞的办法，先解决新飞机自身的问题。而对于新研制的发动机，在装新飞机之前，一般需先装在飞行试验台或现役飞机上进行试飞，但由于飞行试验台或现役飞机的性能往往不能达到新飞机的性能，这就使新发动机的性能不能得到充分的验证和考核。而高空模拟试验则可以方便、灵活地改变发动机的进、排气条件，完全模拟发动机在整个飞行范围内的工作状况，甚至可以模拟超出飞行范围的极限情况，进行广泛的试验研究。这是其他任何飞行试验台所无法做到的。
记：高空模拟试车台可不可以模拟现实飞行中很难遇到的恶劣的环境条件？
刘：当然可以。恶劣的环境条件有两个方面的含义，一方面是指在实际飞行中不可能出现、但有关发动机规范中要求的环境条件。如我国《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》规定，在发动机的某些试车阶段，要求发动机应在一定飞行高度和速度下可能出现的最大压力和温度下工作。事实上，实际飞行中，发动机进口的空气压力和温度值不可能同时出现最大值，但规范规定要在比实际情况更恶劣的条件下考核发动机。显然，这种现实中不可能出现的情况只能依靠高空模拟试验来达到。另一方面是指在实际飞行中可能会遇到、但很难在需要的时候出现的情况，典型的如地面高、低温和高原发动机起动加速试验。
我国幅员辽阔，地形和气候条件复杂，既有西部边陲号称“世界屋脊”的高原低压、低温气候，也有长江流域和南部沿海有“火炉”之称的高温、高湿气候。为了适应不同的飞行作战环境，保卫祖国的每一寸领土和领空，发动机就需要在高原、平原、海上和不同的气象条件下进行考核试验。但“老天爷”并不归发动机总设计师管辖，也不太理解发动机设计人员的艰辛和付出，不但不会在发动机试验最关键的时候助一臂之力，反而会与人们开一些大不小的玩笑。
如我国的某型发动机在定型试飞时，根据定型规范的有关要求，应在大气温度-54〜 74oC、海拔高度0〜4500米的范围内完成发动机起动和加速试验。为了寻找合置的气候条件，几十个技术人员带着发动机，为了“三抢”，即抢高寒、抢高温、抢高原，飞遍了祖国的大江南北，转战20多个机场，行程数万千米，先后忙乎了5个多月，结果只在黑龙江某机场。“抢”到了-23.4oC的低温，在长沙“抢”到了 41oC的高温，在西北某机场“抢”到了海拔2840米的高原。可见如果没有高空模拟试验，仅仅靠“天”搞发动机是很困难的。
记：高空模拟试验还有哪些好处？
刘：好处还有很多。
第一、可以使发动机试验在更加安全的条件下进行。相比于飞行试验，在地面进行的髙空模拟试验的安全性是不言而喻的。首先是人员的安全，至少不再需要勇敢的试飞员用生命去冒险；其次是发动机和设备的安全，在高空模拟试验中，一旦出现故障，容易发现和排除，也容易及时进行处理，完全可以防止机毁人亡的惨剧发生。
第二，可以提高试验水平。这主要体现在两个方面：一方面，高空模拟试验的发动机进口空气的压力、温度、流量等参数可以得到准确的控制，使试验可以多次精确重复，这对于发动机的故障复现和分析，对于研究孤立参数对发动机性能的影响等都具有重要的作用。而正如前面提到的，由于“老天爷”的不配合，要想在实际飞行中准确复现以前的工作状态几乎是不可能的。另一方面，由于受空间和重量等限制，在飞行试验中不可能采集和测量大量的试验参数，而在高空模拟试验中，由于没有这种限制，完全可以按照试验要求，自由地采集测量尽可能多的试验数据，并可以利用先进的数据处理系统，进行现场实时处理和分析，从而大大提高了试验水平。例如，通过发动机高空模拟试验一般可以测量1000〜2000个稳态参数、200〜400个动态参数，这是任何飞行试验所无法企及的。
第三，缩短新发动机研制周期，提高经济效益。高空模拟试验由于不受地点、天气、时间等因素影响，因而可以大大缩短试验周期，降低研制成本，提高经济效益。据英国的统计，两周的高空模拟试验工作量，相当于300次飞行试验。二十世纪五十年代，对于高空模拟试验和用飞机试验台进行试验还存在一些争议，当时正好英国在用“火神”轰炸机改造的飞行试验台进行某型发动机试验，因受试发动机着火而导致飞机坠毁，无奈之下，只好利用高空模拟试车台继续进行试验。本来计划要用几个月的时间来重复已在“火神”飞行试验台上进行1年多的试验项目，结果在英国国家燃气涡轮研究院第3号高空试验舱上只用了约1个月的时间就完成了全部试验项目，其中还包括设备改装时间在内。
也就是说，完成同样的试验项目，在高空模拟试验台上可以只用不到1个月的时间，而在飞行试验台上就需要1年多的时间，其间的差距和潜在的经济效益是显而易见的。这也是导致后来各国纷纷大力发展高空模拟试验设备的原因之一。
记：我国是否也建有高空模拟试车台？
刘：我国的航空发动机高空模拟设备的建设和高空模拟试验技术的研究，起步不算太晚。早在1958年就着手进行航空涡轮发动机高空模拟试验设备的建设；1959年曾与苏联协作，规划建设以航空涡轮发动机高空模拟试验设备为核心的航空发动机试验基地；1964年正式规划并着手建设大型连续式气源的航空涡轮发动机高空模拟试验设备，即髙空模拟试车台。在当时特殊的政治环境下，1965年，选定在四川西部的秦岭山区建设了我国的SB101连接式高空模拟试车台。1995年，SB101高空模拟试车台顺利通过国家验收，并与俄罗斯中央航空发动机研究院高空模拟设备的U—4H高空试验舱进行了对比试验，完全可以满足我国现在和将来航空涡轮发动机研制和发展的需要。SB101高空模拟试车台的设备规模在世界上是继美、俄、英、法后居第五位，在亚洲目前是第一位，因此被称为“亚洲第一台”。
记：我国的高空模拟试车台建成后，在航空发动机的研制方面都有哪些贡献？
刘：SB101高空模拟试车台建成后，相继完成了多种航空发动机和部件、系统的设计定型试验、高空性能试验、高空鉴定试验、模拟高空飞行状态对比试验、进气畸变鉴定试验、飞行中使用故障分析研究与排除等模拟高空试验，并研究出一套比较成熟、实用的航空发动机高空模拟试验技术，在我国自行研制航空发动机的过程中起到了不可替代的重要作用。至今己完成P11-300、WP-7、WP-13AII、WP-13B、RD-33、WP-14、WS-10、推重比10—级的核心机等10多个机种的研究试验、排故试验和定型试验等任务，可以说，现在正在服役和即将服役的绝大部分国产发动机都曾先后在SB101高空模拟试车台上经受过高空模拟试验的严格考验，为我国肮空动力装置的侧绘仿制、改进改型和自行研制作出了巨大的贡献。
环境试验，吞咽试验
记：高空模拟试验完成后，发动机的问题基本上已经暴露的差不多了，接下来应该就是装配到飞机上进行飞行试验了吧？
刘：还不是，接下来还要进行发动机环境试验和吞咽试验，这个完成以后才是飞行试验。发动机环境和吞咽试验有很多科目，要考核发动机在恶劣环境条件下的适应能力，像高低温起动和加速试验、环境结冰试验、腐蚀敏感性试验，此外还有吞鸟试验、外物损伤试验、吞冰试验、吞沙试验、吞入大气中液态水试验、吞入火药气体试验等，让发动机也尝尝“酸甜苦辣”的滋味，看看发动机的“肚量”(包容性)和“泼辣”(抗畸变)程度如何，最后还有噪声试验、排气污染试验等。
以上试验中，最有趣的还是吞鸟试验。随着飞机飞行速度的提高，鸟撞飞机事件不断增多，据美国空军统计，自1956〜1973年发动机鸟撞112次。严重的鸟撞事故会引起飞机失事，例如1975年，一架DC-10民航机在纽约起飞失事，就是与一群重约1.82千克的鸟相撞，使CF6发动机全部风扇叶片损坏，并与环氧树脂屏板摩擦导致失火爆炸。加拿大空军因鸟撞亊件损失了10架CF-104飞机。1985年，印度斯坦航空公司的一架波音747客机在飞越喜马拉雅山脉时，与一只在高空飞行的成年老鹰相插，造成发动机起火爆炸，飞机坠毁，导致200余人死亡的重大空难事故。
记：做吞鸟试验时，对鸟有什么特殊要求吗？
刘：撞入发动机的鸟类范围很广，按重量分类，一般分为大鸟(2千克以上)、中鸟(1千克左右;、小鸟(50〜100克)三类。为避免鸟撞发动机造成影响飞机飞行安全的事件，航空发动机在设计中均采用了一系列抵抗鸟撞造成机件严重损伤的措施。为验证所采取的措施是否可行，在发动机研制中，一定要进行鸟撞试验。试验中，中、小鸟群撞入不应破坏发动机的结构完整性，也不应停车，但会引起短暂的(1〜2秒)推力下降或压气机不稳定，大鸟撞入发动机应能安全停车且不发生危及飞机安全的发动机故障。试验方法则有静态单独叶片撞击试验、单个旋转叶片撞击试验、全部旋转叶片撞击试验。
民用航空发动机吞鸟试验
记：您刚才提到的静态单独叶片撞击试验、单个旋转叶片撞击试验、全部旋转叶片撞击试验，它们具体是如何进行的？
刘：静态单独叶片撞击试验成本最低，是用火药枪或气枪将与射人，打在一块静态叶片的叶尖处，鸟撞速度要超过音速，然后看鸟撞后对叶片的损伤程度。单个旋转叶片撞击试验，通常以自由落体的方式打入模拟鸟，降落速度约为4米/秒，模拟真实情况下鸟撞后对叶片离心力的影响。经过单个叶片静止和旋转试验考验后，便可以进行发动机吸鸟性能的全部旋转叶片撞击试验了，这个试验是用气枪把鸟射入，要考察是否有导致叶片断裂的裂纹，并用高速摄影机摄下撞击过程。
记：除了以上三项试验外，还有其他试验吗？
刘：完成上述各种预先试验对所研制叶片之抗鸟撞强度、工作性能的变化特性和安全问题的考核之后，便可以在发动机上进行吸鸟试验，目的在于验证：是否会产生喘振等现象；产生喘振后发动机能否自动退出喘振，恢复正常工作状态；从喘振产生到发动机恢复正常工作期间，发动机推力，转速等主要工作参数随时间的变化情况，鸟撞所引起的二次破坏，例如叶片变形、脱落等情况；发动机包容性是否满足设计要求，即脱落的叶片或大鸟的残骸是否会打穿发动机机匣而危及飞机安全，以及由干风扇叶片局部变形而引起发动机性能变化等。
发动机吸鸟试验用鸟必须是真实禽类，试验的鸟由压缩空气炮按一定速度、一定的位置射向工作中的发动机。由于现代飞机的巡航高度一般在8000米以上，很少有鸟类能飞到如此高空中，因此发动机吞鸟事故一般发生在中低空，尤其在机场附近，即飞机的起飞和降落过程中。由于在起飞过程中飞机的迎角很大，速度不快，高度不髙，需要发动机处于最大推力状态才能保持稳定飞行姿态，此时一旦因为鸟撞造成发动机的推力下降，哪怕只有十几秒，都会造成严重的后果。
因此，鸟撞试验时发动机一般应处于最大推力状态，以模拟起飞的情况，并需要用不同大小的鸟类，在不同的径向位置射人，从接近发动机轴线的中心位置一直到接近发动机机匣的外部位置，以模拟实际鸟撞情况。试验时，除用高速摄影机摄下撞击过程外，还需记录整个试验过程中的发动机参数变化情况，并在试验后分解发动机，分析鸟撞的后果和各部件，尤其是风扇叶片的结构变形情况，为评估发动机的结构完整性和改进设计提供依据。
飞行试验
记：有了以上各种试验，为什么还要做飞行试验？
刘：由于地面模拟试验的局限性，新研制的发动机尽管经过了大量的部件试验、台架整机试验和高空模拟台试验，在装原型飞机试验之前，为了安全起见，特別是对一些危险试验项目，仍需要在飞行试验台上进行不同飞行高度、速度、飞行姿态和不同大气条件下的飞行试验。实际上，飞行试验有飞行试验台试验以及装在相对型号上的飞机上的试验两种。
记：飞行试验台所选用的飞机有什么特殊要求？
刘：飞行试验台一般是用大型多发飞机改装而成，例如俄罗斯用伊尔-76大型运输机改装而成的飞行试验台，将左翼内侧的发动机拆掉，换成要试验的发动机，飞机内部则装上相应的各种发动机工作参数测量装置，成为一般地面试车台的测试间，所以，从某种程度上讲，飞行试验台是可以飞行的发动机试车台。
飞行试验台一般是用大型多发飞机改装而成，图为伊尔-76运输机改装的飞行试验台，左翼内侧发动机已被拆掉，成为发动机试验舱（圈中所示）
记：发动机飞行试验的项目都有哪些?
刘：飞行试验台试验项目主要有：发动机空中起动；应力应变测定；冷却、防冰系统试验；喘振试验；滑油系统可靠性检查；以及发动机的高度、速度特性测定等。
记：但最终发动机还是要装到配装它的飞机上进行飞行试验。那么，此时的飞行试验是如何进行的？
刘：飞行试验台虽能真实地测出发动机在各种高度、速度下发动机的工作参数与工作状态，但它受到飞行试验台所用飞机性能的限制，不能超越该飞机的飞行范围，特别是对用于髙空、高速战斗机的发动机，局限性更大。因此，最终一定要在装配它的飞机上进行大量试验，以获得飞机的全面性能，暴露发动机以及飞机上与发动机有关的组成部分的设计缺陷与问题，并在试飞中不断改进、完善。
在用配装的飞机做发动机飞行试验时，对于新型双发战斗机，一般是先用一台现有成熟的发动机及一台新研制的发动机装在飞机上进行试飞，然后再装上两台全为新研制的发动机进行试飞。一般这种在用新研制的发动机的飞机上进行的飞行试验通常要进行5~8年或更长的时间，例如，美国的F-22战斗机于1997年9月7日首飞，1998年2月5日交付美国空军进行飞行试验。1999年7月20日，美国空军首次进行了超音速巡航，以马赫数高于1.5的速度飞行了2小时。经过了漫长的飞行试验后，直到2003年初才开始向美国空军交付两架生产型飞机，供美国空军作为培养飞行员及维修人员用的教学飞机。所以说，发动机的研制，仅从其各种试验来看就是一项漫长而复杂的工程。
文章来源：两机动力先行
第十一届航空发动机和燃气轮机聚焦大会暨展览会
https://www.gtf.org.cn/
