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航空發動機試驗的重要性和目的|陳光談航發46

航空發動機是推動飛機飛行的動力, 與地面、水面運輸工具動力裝置不同, 地面、水面運輸工具動力裝置出現問題時, 可以停車或者停泊排除故障,

而航空發動機其“工作崗位”是在數千上萬米的空中。

發動機一旦在空中出現問題, 飛機將失去動力, 就無法保持飛行高度和速度, 輕則導致飛機無法完成任務, 重則會造成機毀人亡的重大事故。

同時, 與其他機械裝置相比, 發動機結構十分複雜, 零件數目達數萬個;而且發動機主要零部件的工作環境十分惡劣, 常常處於高溫(最高可接近2000℃)、高壓(幾十個大氣壓)和高速轉動(轉速可達每分鐘幾萬轉)的工作狀態;

任何一個零件出現問題, 都可能導致發動機停車或破壞, 並引發災難性後果。 因此, 在任何一台航空發動機正式投入使用(服役)前, 必須對其性能、功能、強度以及可靠性有充分的認識和瞭解, 以便安全、有效、合理地使用,

做到知己知彼, 萬無一失。

圖、陣風M88發動機

另一方面, 由於航空發動機的研製和發展是一項涉及空氣動力學、工程熱物理、傳熱傳質、機械、強度、傳動、密封、電子、自動控制等多學科的複雜的綜合性系統工程, 航空發動機內部的氣動、熱力和結構材料特性是如此複雜,

以至於到目前為止, 仍然不能夠從理論上給予詳盡而準確的描述, 只有依靠實際發動機的試驗來獲得。

通過試驗, 可以驗證設計、擴展已有的經驗關係式並有可能導致對物理機理的進一步認識, 而航空發動機設計能力的提高也主要依靠試驗資料的不斷擴大和完善、對已有的經驗關係式的擴展以及理論分析的完善。 近百年來國內外研製航空發動機的實踐證明, 新型航空發動機的誕生, 現役發動機的改進、改型都離不開試驗。

航空發動機的發展史就是一個設計、製造、試驗、修改、再製造、再試驗……,不斷摸索和反復完善的過程, 甚至有人說:發動機主要是靠試出來的。 由此可見試驗在航空發動機研製過程中起著舉足輕重的作用。

9.1、試驗的重要性

多年實踐表明, 要研製出新的發動機, 沒有大量的試驗作後盾是不可能實現的。

英國航空技術有較好的基礎, 他們十分重視試驗工作, 認為“航空工業是信用工業, 出了問題十年也翻不了身”。

政府研究機構擁有許多大型試驗設備, 各公司企業的研究發展部門, 一般也都有獨立的試製車間和強大的試驗室。 新品型航空發動機研製強調走一步試驗一步, 從部件到整機要通過設計—試製—試驗的幾個迴圈才能達到實用階段, 甚至投入使用後仍在試驗, 使設計的薄弱環節充分暴露, 並予以改進。

據報導,早在二十世紀七十年代,在英國一種新型發動機被批准定型投入使用前要造20台作試驗,運轉一萬餘小時,飛行二千多小時。例如RB211發動機的研製費用中,設計占10%,製造(主要是工資費、原材料費占製造費的15%)占40%,而試驗要占50%。由於重視研究試驗,航空技術發展就有堅實的科學基礎,同時也保證了產品的安全可靠。

近年來,據不完全統計,國外在發動機研製中要做大量的地面試車和飛行試驗,所需試驗機台數和試車時間如表9-1所示。

表9-1、研製發動機的地面試驗和飛行試驗統計資料

表中所列美、英、俄三國的5種軍用發動機的地面試驗和飛行試驗所用發動機台數及所需試驗時數說明,研製發動機地面試驗和飛行試驗最少需51台,多則114台,先進的軍用發動機需要50台以上才能最後定型。發動機地面試驗要上萬小時,最高達16000小時以上,飛行試驗需5000小時以上。

另據美國普惠公司報導,為了提高發動機的可靠性、耐久性和維修性,F100發動機通過定型試車以後,又進行7次150小時鑒定試車,1次1300小時加速任務試車(AMT),針對F-15和F-16各一次的2000小時的加速任務試車。

我國於20世紀70年代中期引進英國羅·羅公司的斯貝MK202發動機的生產專利技術資料中,涉及該機研製期中所做的整機試車工作已相當多了,例如,1969年3月~1970年6月,其中某一台發動機就做了模擬飛行迴圈的600小時持久試車。

20世紀70年代中期,發達國家在追求航空發動機高性能研製思想指導下,忽視了結構強度問題,結果在使用中產生了大量結構故障問題。據統計1963~1978年中,美空軍戰鬥機發生了3824起飛行事故,其中由於發動機原因引起1664起,占43.5%,而其中因結構強度和疲勞壽命方面問題導致的事故占90%以上。

美軍方在總結單純追求發動機高性能,而忽視可靠性與耐久性的沉重教訓後,執行了一項“發動機結構完整性大綱”。該大綱有五項基本任務,而其中有三項就與試驗有關,每項試驗任務均包含著極其複雜而周密的試驗專案、試驗目的、考核指標等,這充分說明了發動機試驗工作的重要性。

9.2、試驗的目的

一種新型號航空發動機或者改進改型發動機,製造出來後都必須進行大量試驗,以確定發動機是否能夠為飛機提供足夠的推力以保證飛機飛行速度,而且在提供足夠推力的同時燃料消耗能否滿足飛行時間(航程)要求;

發動機功能能否滿足飛機各種飛行條件(如起飛、著陸、爬升、機動等)的要求以及發動機的壽命和可靠性能否滿足要求。

發動機試驗的種類很多,試驗設備、試驗條件、試驗環境、試驗參數等也是千差萬別,但試驗目的(目標)卻不外乎以下幾個方面:

a) 驗證所提出的新概念、新技術是否可行;b) 考核所設計的零組部件達到了設計要求沒有;

c) 通過試驗修正調整設計中選用參數,使產品最終調整到達到設計要求;

d) 暴露問題,對原設計不合適之處進行修改,使其最終達到可工作的狀態;

e) 排除故障時,通過試驗,驗證所採取的排故措施是否合適;

f) 積累試驗資料,掌握設計經驗,驗證計算程式;

g) 發展新的試驗技術、試驗方法和測試手段,為設計人員提供更多、更詳細、更有用的資料等等,

h) 考核發動機的可靠性、耐久性,包括強度、疲勞、極限工況等。“實踐是檢驗真理的唯一標準”,試驗的目的就是要真實地驗證和考核發動機的各項指標。

據報導,早在二十世紀七十年代,在英國一種新型發動機被批准定型投入使用前要造20台作試驗,運轉一萬餘小時,飛行二千多小時。例如RB211發動機的研製費用中,設計占10%,製造(主要是工資費、原材料費占製造費的15%)占40%,而試驗要占50%。由於重視研究試驗,航空技術發展就有堅實的科學基礎,同時也保證了產品的安全可靠。

近年來,據不完全統計,國外在發動機研製中要做大量的地面試車和飛行試驗,所需試驗機台數和試車時間如表9-1所示。

表9-1、研製發動機的地面試驗和飛行試驗統計資料

表中所列美、英、俄三國的5種軍用發動機的地面試驗和飛行試驗所用發動機台數及所需試驗時數說明,研製發動機地面試驗和飛行試驗最少需51台,多則114台,先進的軍用發動機需要50台以上才能最後定型。發動機地面試驗要上萬小時,最高達16000小時以上,飛行試驗需5000小時以上。

另據美國普惠公司報導,為了提高發動機的可靠性、耐久性和維修性,F100發動機通過定型試車以後,又進行7次150小時鑒定試車,1次1300小時加速任務試車(AMT),針對F-15和F-16各一次的2000小時的加速任務試車。

我國於20世紀70年代中期引進英國羅·羅公司的斯貝MK202發動機的生產專利技術資料中,涉及該機研製期中所做的整機試車工作已相當多了,例如,1969年3月~1970年6月,其中某一台發動機就做了模擬飛行迴圈的600小時持久試車。

20世紀70年代中期,發達國家在追求航空發動機高性能研製思想指導下,忽視了結構強度問題,結果在使用中產生了大量結構故障問題。據統計1963~1978年中,美空軍戰鬥機發生了3824起飛行事故,其中由於發動機原因引起1664起,占43.5%,而其中因結構強度和疲勞壽命方面問題導致的事故占90%以上。

美軍方在總結單純追求發動機高性能,而忽視可靠性與耐久性的沉重教訓後,執行了一項“發動機結構完整性大綱”。該大綱有五項基本任務,而其中有三項就與試驗有關,每項試驗任務均包含著極其複雜而周密的試驗專案、試驗目的、考核指標等,這充分說明了發動機試驗工作的重要性。

9.2、試驗的目的

一種新型號航空發動機或者改進改型發動機,製造出來後都必須進行大量試驗,以確定發動機是否能夠為飛機提供足夠的推力以保證飛機飛行速度,而且在提供足夠推力的同時燃料消耗能否滿足飛行時間(航程)要求;

發動機功能能否滿足飛機各種飛行條件(如起飛、著陸、爬升、機動等)的要求以及發動機的壽命和可靠性能否滿足要求。

發動機試驗的種類很多,試驗設備、試驗條件、試驗環境、試驗參數等也是千差萬別,但試驗目的(目標)卻不外乎以下幾個方面:

a) 驗證所提出的新概念、新技術是否可行;b) 考核所設計的零組部件達到了設計要求沒有;

c) 通過試驗修正調整設計中選用參數,使產品最終調整到達到設計要求;

d) 暴露問題,對原設計不合適之處進行修改,使其最終達到可工作的狀態;

e) 排除故障時,通過試驗,驗證所採取的排故措施是否合適;

f) 積累試驗資料,掌握設計經驗,驗證計算程式;

g) 發展新的試驗技術、試驗方法和測試手段,為設計人員提供更多、更詳細、更有用的資料等等,

h) 考核發動機的可靠性、耐久性,包括強度、疲勞、極限工況等。“實踐是檢驗真理的唯一標準”,試驗的目的就是要真實地驗證和考核發動機的各項指標。

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