熊蓓文，劉志林，熊宇琳，尹夢驕

(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，成都 610092)

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的空中起動(dòng)性能事關(guān)飛行安全，其起動(dòng)包線是否準(zhǔn)確、起動(dòng)過程是否穩(wěn)定可靠，都需要通過試飛來進(jìn)行考核和驗(yàn)證，因此發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)性能的考核是發(fā)動(dòng)機(jī)鑒定試飛的關(guān)鍵項(xiàng)目。長期以來，空中起動(dòng)試飛都是試飛領(lǐng)域受到高度關(guān)注與重視的風(fēng)險(xiǎn)科目，尤其是在單發(fā)飛機(jī)上進(jìn)行的新研發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)試飛，相比雙發(fā)飛機(jī)難度更大、風(fēng)險(xiǎn)更高，GJB 626A-2006《軍用固定翼飛機(jī)和旋翼飛機(jī)科研試飛風(fēng)險(xiǎn)科目》[1]將單發(fā)飛機(jī)的空中起動(dòng)試飛列為Ⅰ類風(fēng)險(xiǎn)科目。通常，國內(nèi)外新研發(fā)動(dòng)機(jī)的鑒定試飛都盡量安排在雙發(fā)飛機(jī)上進(jìn)行，試飛時(shí)試驗(yàn)飛機(jī)上配裝一臺(tái)成熟發(fā)動(dòng)機(jī)和一臺(tái)用于鑒定的新發(fā)動(dòng)機(jī)，以減少和化解新研發(fā)動(dòng)機(jī)不可靠、不成熟所帶來的風(fēng)險(xiǎn)。一般來講，新研發(fā)動(dòng)機(jī)只有在雙發(fā)飛機(jī)上試飛成熟并定型后才會(huì)配裝單發(fā)飛機(jī)，但有時(shí)由于缺乏合適的雙發(fā)飛機(jī)平臺(tái)，個(gè)別新研發(fā)動(dòng)機(jī)只能在單發(fā)飛機(jī)上開展鑒定試飛，這就大大增加了試飛的難度和風(fēng)險(xiǎn)。尤其是試飛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)一旦失敗，飛行員只能選擇空滑迫降或棄機(jī)跳傘，因此空中起動(dòng)試飛方案的設(shè)計(jì)是單發(fā)飛機(jī)進(jìn)行新研發(fā)動(dòng)機(jī)鑒定試飛的重要內(nèi)容。

由于各型飛機(jī)及其配裝的發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)上的差別，發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)的種類和方式各不相同。如按發(fā)動(dòng)機(jī)停車后的狀態(tài)有慣性起動(dòng)和風(fēng)車起動(dòng)之分，按渦輪起動(dòng)機(jī)是否參與起動(dòng)有輔助帶轉(zhuǎn)起動(dòng)和非輔助帶轉(zhuǎn)起動(dòng)之分，按飛行員是否參與起動(dòng)過程有自動(dòng)起動(dòng)和手動(dòng)起動(dòng)之分。受飛機(jī)飛行包線的影響，同樣的發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的飛機(jī)上其起動(dòng)包線范圍也會(huì)不一樣，其試驗(yàn)點(diǎn)的選擇就比較關(guān)鍵。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程也各具特點(diǎn)，有的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)會(huì)帶著飛機(jī)附件機(jī)匣上的交流發(fā)電機(jī)和液壓泵等負(fù)載工作，而有的則不需要。因此，在設(shè)計(jì)空中起動(dòng)試飛方案時(shí)要根據(jù)飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，明確空中起動(dòng)類型和方式，選擇合適的試驗(yàn)點(diǎn)，確定相應(yīng)的試驗(yàn)架次和試驗(yàn)順序，規(guī)定試驗(yàn)的方法和操作流程，制定試飛監(jiān)控方案，指導(dǎo)如何開展空中起動(dòng)試飛前的空滑迫降演練等。

2 空中起動(dòng)試飛方案設(shè)計(jì)思路

與雙發(fā)飛機(jī)相比，單發(fā)飛機(jī)空中起動(dòng)有以下特點(diǎn)：①一旦起動(dòng)失敗，要么飛機(jī)迫降，要么飛行員棄機(jī)跳傘；②停車后由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)交直流發(fā)電機(jī)和液壓泵停止工作，機(jī)上的供電和液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換為由應(yīng)急或備份系統(tǒng)保障，轉(zhuǎn)換過程飛機(jī)會(huì)出現(xiàn)告警和故障現(xiàn)象；③發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中往往存在帶著交流發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵等負(fù)載的情況，增大了發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車起動(dòng)難度。為此，單發(fā)飛機(jī)空中起動(dòng)試飛方案設(shè)計(jì)的思路主要為：

(1) 根據(jù)試飛目的和試飛要求設(shè)計(jì)試飛科目，確定空中起動(dòng)試飛類型，明確進(jìn)行慣性起動(dòng)還是風(fēng)車起動(dòng)，是否進(jìn)行輔助帶轉(zhuǎn)起動(dòng)還是只進(jìn)行非輔助帶轉(zhuǎn)起動(dòng)，或者兼而有之。并根據(jù)飛機(jī)飛行包線和發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)包線范圍及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、要求，選擇空中起動(dòng)試驗(yàn)點(diǎn)，明確試驗(yàn)條件、試驗(yàn)次數(shù)和試驗(yàn)順序。

(2) 按照飛行操作要求和使用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)空中起動(dòng)試飛的試驗(yàn)方法和操作流程。

(3) 根據(jù)獲取試飛數(shù)據(jù)和安全監(jiān)控的需要，制定飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)測試改裝要求和試飛監(jiān)控方案。

(4) 明確飛行前地面試驗(yàn)要求，制定飛行前飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的地面檢查、試驗(yàn)方案。

(5) 按照方案確定的試驗(yàn)點(diǎn)和試驗(yàn)條件設(shè)計(jì)相應(yīng)的試飛航線和飛行剖面。

(6) 做好起動(dòng)失敗被迫進(jìn)行迫降的準(zhǔn)備，空中起動(dòng)試飛方案應(yīng)包含空滑迫降演練內(nèi)容。

3 空中起動(dòng)試飛方案設(shè)計(jì)

3.1 試飛科目設(shè)計(jì)

試飛科目設(shè)計(jì)是試飛方案設(shè)計(jì)的核心，也是編制試飛大綱的重要內(nèi)容，主要包括空中起動(dòng)試飛類型、空中起動(dòng)試驗(yàn)點(diǎn)及起動(dòng)次數(shù)和試驗(yàn)順序。

3.1.1 空中起動(dòng)試飛類型

無應(yīng)急動(dòng)力系統(tǒng)的單發(fā)飛機(jī)通常不進(jìn)行風(fēng)車起動(dòng)而只進(jìn)行慣性起動(dòng)。這是由于風(fēng)車轉(zhuǎn)速很低，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)帶著交流發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵等負(fù)載進(jìn)行起動(dòng)會(huì)很困難、失敗的幾率高；如果發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪起動(dòng)機(jī)具有輔助帶轉(zhuǎn)能力，除了進(jìn)行慣性起動(dòng)外，還應(yīng)進(jìn)行輔助帶轉(zhuǎn)起動(dòng)試驗(yàn)以檢查其輔助帶轉(zhuǎn)起動(dòng)功能?？罩衅饎?dòng)試飛需要飛行員把油門桿拉至停車位置人為拉停發(fā)動(dòng)機(jī)，待發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N2降至試驗(yàn)轉(zhuǎn)速后再推油門桿至慢車位置起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，因此空中起動(dòng)試飛只能通過飛行員推油門桿的手動(dòng)方式進(jìn)行起動(dòng)。某型飛機(jī)無應(yīng)急動(dòng)力系統(tǒng)，其發(fā)動(dòng)機(jī)也無輔助帶轉(zhuǎn)起動(dòng)功能，為此該發(fā)動(dòng)機(jī)只進(jìn)行慣性起動(dòng)，通過油門桿手動(dòng)起動(dòng)方式進(jìn)行。

3.1.2 空中起動(dòng)試驗(yàn)點(diǎn)及起動(dòng)次數(shù)

根據(jù)國軍標(biāo)GJB 243A-2004[2]的規(guī)定，空中起動(dòng)試飛一般在起動(dòng)包線內(nèi)選取3～4個(gè)高度、2～3種速度作為試驗(yàn)點(diǎn)，重點(diǎn)檢查和考核起動(dòng)包線邊界(特別是小速度邊界)的起動(dòng)能力，且每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的起動(dòng)次數(shù)不少于3次。典型的空中起動(dòng)試驗(yàn)點(diǎn)，通常包括包線中央試驗(yàn)點(diǎn)、高空左邊界試驗(yàn)點(diǎn)、低空左邊界試驗(yàn)點(diǎn)和中高空大速度試驗(yàn)點(diǎn)幾類。圖1為某發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)試驗(yàn)點(diǎn)安排示意圖，圖中H為飛行高度，Ma為飛行馬赫數(shù)。為充分考核發(fā)動(dòng)機(jī)的空中起動(dòng)性能，每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)都應(yīng)盡可能進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速的起動(dòng)試驗(yàn)。如某試驗(yàn)點(diǎn)要進(jìn)行3次慣性起動(dòng)，可安排1次高轉(zhuǎn)速(N2=50%)和2次低轉(zhuǎn)速(N2=35%)起動(dòng)。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)試驗(yàn)點(diǎn)安排示意圖Fig.1 Scheduling diagram for the engine air-start flight test pointes

3.1.3 空中起動(dòng)試驗(yàn)順序

試驗(yàn)順序安排按照先易后難的原則進(jìn)行。前述幾個(gè)典型試驗(yàn)點(diǎn)相比較，高空左邊界試驗(yàn)點(diǎn)因空氣稀薄、含氧量低，發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)最困難。但由于飛行高度高、處置時(shí)間充裕，一旦起動(dòng)未成功，不僅有多次起動(dòng)機(jī)會(huì)，飛行員還能調(diào)整飛機(jī)的飛行高度和飛行速度到飛行包線中易起動(dòng)區(qū)域進(jìn)行起動(dòng)。低空左邊界試驗(yàn)點(diǎn)雖然大氣條件對起動(dòng)有利，但一旦起動(dòng)不成功往往缺乏回旋余地，無第二次起動(dòng)機(jī)會(huì)，只能空滑迫降。包線中央試驗(yàn)點(diǎn)兼有以上二者優(yōu)點(diǎn)。因此，空中起動(dòng)試飛一般先在包線中央進(jìn)行，然后依次在高空左邊界、中高空大速度、低空左邊界進(jìn)行。同一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的空起試飛，則先大轉(zhuǎn)速(N2=50%)、后小轉(zhuǎn)速(N2=35%)。按照上述原則與方法，該型飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)試飛科目設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 空中起動(dòng)試飛科目設(shè)計(jì)Table 1 Design of the air-start flight test subject

3.2 試飛方法和流程設(shè)計(jì)

3.2.1 試飛方法

空中起動(dòng)試飛時(shí)，飛行員在高于試驗(yàn)點(diǎn)規(guī)定的高度、速度位置先將油門桿收到停車位置，待發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降到試驗(yàn)規(guī)定的轉(zhuǎn)速，飛機(jī)也下降到試驗(yàn)要求的高度、速度范圍后，推油門桿到慢車或慢車以上位置，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出起動(dòng)指令，對燃燒室進(jìn)行補(bǔ)氧、點(diǎn)火，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。應(yīng)注意，如果起動(dòng)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速懸掛、超溫等現(xiàn)象，需將發(fā)動(dòng)機(jī)拉停后重新起動(dòng)。

3.2.2 操作流程

空中起動(dòng)試飛時(shí)，飛機(jī)起飛后飛行員一般要先按照預(yù)先規(guī)劃和設(shè)計(jì)的空中起動(dòng)試飛航線進(jìn)行1～2次模擬操作演練，以熟悉操作流程、方法和飛行航線路徑，待準(zhǔn)備充分后才開始空中起動(dòng)試驗(yàn)。圖2為某飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)試飛的操作流程，給飛行員提示了試飛的操作流程以及拉停發(fā)動(dòng)機(jī)后飛機(jī)的顯示告警和操縱特性變化情況。圖中，N1為發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，T4為發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪后燃?xì)鉁囟取?/p>

3.3 測試改裝和試飛監(jiān)控設(shè)計(jì)

圖2 空中起動(dòng)試飛操作流程Fig.2 Implementation flowchart of the air-start flight test

為獲取試飛數(shù)據(jù)和保障試飛安全，飛機(jī)需加裝機(jī)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(ADAS)，采集、記錄飛機(jī)的飛行參數(shù)和飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)信息，并遙測發(fā)送到地面；地面建立試飛監(jiān)控系統(tǒng)(GDAS)。試飛時(shí)GDAS實(shí)時(shí)接收并處理ADAS發(fā)送回地面的試飛數(shù)據(jù)，對飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)與狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。發(fā)動(dòng)機(jī)停車后飛機(jī)電源系統(tǒng)會(huì)故障報(bào)警，飛機(jī)系統(tǒng)將轉(zhuǎn)為由機(jī)上蓄電池或應(yīng)急動(dòng)力系統(tǒng)供電。為此，空中起動(dòng)試飛時(shí)ADAS應(yīng)自備蓄電池，飛行員在拉停發(fā)動(dòng)機(jī)前通過座艙內(nèi)的電源轉(zhuǎn)換開關(guān)將ADAS由機(jī)上電源系統(tǒng)供電轉(zhuǎn)為由自備蓄電池供電，以避免發(fā)動(dòng)機(jī)停車后機(jī)上電源故障和供電轉(zhuǎn)換過程導(dǎo)致的試飛數(shù)據(jù)丟失與監(jiān)控信號(hào)中斷。

空中起動(dòng)試飛時(shí)，GDAS應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控飛行的高度，速度，飛機(jī)航跡和位置，油門桿位置，點(diǎn)火信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、渦輪后燃?xì)鉁囟?，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力，滑油壓力等是否正常。起動(dòng)過程中尤其要重點(diǎn)關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和渦輪后燃?xì)鉁囟鹊淖兓?，一旦出現(xiàn)轉(zhuǎn)速冷懸掛或熱懸掛現(xiàn)象，要立即提醒飛行員采取相應(yīng)處置措施。

3.4 試飛前地面檢查和試驗(yàn)

不同型號(hào)飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)其設(shè)計(jì)的不同，飛行前各自的地面檢查、試驗(yàn)內(nèi)容不盡相同。該型飛機(jī)空中起動(dòng)試飛前的地面檢查和試驗(yàn)主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)流道檢查、起動(dòng)電氣系統(tǒng)檢查、點(diǎn)火補(bǔ)氧系統(tǒng)檢查，飛機(jī)應(yīng)急供電系統(tǒng)檢查、應(yīng)急電動(dòng)泵檢查、應(yīng)急放起落架檢查、應(yīng)急剎車檢查，發(fā)動(dòng)機(jī)地面模擬空中起動(dòng)試驗(yàn)等。

3.5 試飛航線和飛行剖面

為確?？罩衅饎?dòng)不成功時(shí)飛機(jī)能空滑返回機(jī)場進(jìn)行迫降，每次空中起動(dòng)試飛前要根據(jù)空中起動(dòng)試驗(yàn)的高度、速度、轉(zhuǎn)速要求，按照飛機(jī)的空滑比計(jì)算和確定每個(gè)空中起動(dòng)科目動(dòng)作點(diǎn)(拉停和起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī))距機(jī)場的最佳位置，規(guī)劃和設(shè)計(jì)空中起動(dòng)試飛的航線與飛行剖面(圖3)。試驗(yàn)前要將計(jì)算出的空中起動(dòng)動(dòng)作點(diǎn)坐標(biāo)和規(guī)劃的航線加載到飛機(jī)上便于飛行員操作，地面監(jiān)控系統(tǒng)也將制作相應(yīng)監(jiān)控畫面在飛行時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.6 空滑迫降演練設(shè)計(jì)

圖3 空中起動(dòng)試飛航線和飛行剖面Fig.3 Diagram of the flight line and the flight profile for air-start

為應(yīng)對空中起動(dòng)失敗后飛機(jī)被迫進(jìn)行空滑迫降的情況，空中起動(dòng)試飛前需先進(jìn)行空滑迫降演練，使飛行員熟悉飛機(jī)失去動(dòng)力后的操縱特性和空滑迫降的操作流程，驗(yàn)證預(yù)先規(guī)劃的各次試驗(yàn)的空中停車點(diǎn)、試飛航線、迫降航線是否準(zhǔn)確?？栈冉笛菥殤?yīng)包括地面飛行模擬器演練和飛行演練兩部分。飛行模擬器演練是根據(jù)以往試飛數(shù)據(jù)、飛機(jī)的升阻比和空滑比等參數(shù)在模擬器上建立空滑迫降模型，試飛員和試飛工程師根據(jù)試飛任務(wù)書內(nèi)容進(jìn)行演練；飛行演練則是嚴(yán)格按照每次空中起動(dòng)預(yù)先設(shè)計(jì)的試飛航線和飛行剖面(圖3)，在空中將發(fā)動(dòng)機(jī)油門收至慢車、打開飛機(jī)減速板，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)停車失去動(dòng)力后如何通過空滑返回機(jī)場進(jìn)行迫降。

4 空中起動(dòng)試飛試驗(yàn)

某發(fā)動(dòng)機(jī)試飛中，先后進(jìn)行了15次空中起動(dòng)試飛，且空中起動(dòng)均一次成功，充分檢查和驗(yàn)證了該發(fā)動(dòng)機(jī)的空中起動(dòng)性能。表2給出了該發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)試飛試驗(yàn)情況。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，飛行高度低和速度大對空中起動(dòng)有利，起動(dòng)時(shí)間相對較短；單發(fā)飛機(jī)超聲速起動(dòng)較難實(shí)施，發(fā)動(dòng)機(jī)拉停后飛機(jī)減速很快，發(fā)動(dòng)機(jī)降到規(guī)定轉(zhuǎn)速時(shí)飛機(jī)已變?yōu)閬喡曀亠w行。如進(jìn)行中高空飛行高度(8.0～10.0 km)，大飛行速度(800～850 km/h)、小轉(zhuǎn)速(N2=(35±2)%)空中起動(dòng)試飛，發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行高度8.1 km、飛行速度1 050 km/h時(shí)拉停，停車后飛機(jī)迅速減速，飛行員操縱飛機(jī)通過大角度俯沖直到5.9 km高度才能達(dá)到起動(dòng)所需的速度要求。

表2 空中起動(dòng)試飛試驗(yàn)情況Table 2 Results of the air-start flight test

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)在輔助空中起動(dòng)試驗(yàn)期間的參數(shù)變化Fig.4 Parameters history for the turbofan engine during the auxiliary air-start test

另外，試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)了飛機(jī)相關(guān)系統(tǒng)存在的問題與缺陷。如進(jìn)行高空左邊界N2=(35±2)%慣性起動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，渦輪后燃?xì)鉁囟壬仙芫徛?，起?dòng)時(shí)間長達(dá)56 s，如圖4所示。經(jīng)分析，其原因是在高空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力低導(dǎo)致起動(dòng)時(shí)供油不足。為此，飛機(jī)燃油系統(tǒng)專門加設(shè)了增壓泵以提高發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的燃油入口壓力，并明確了空中起動(dòng)試飛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油入口壓力值的監(jiān)控要求。改進(jìn)后，再次進(jìn)行該狀態(tài)點(diǎn)的空中起動(dòng)試飛驗(yàn)證，起動(dòng)時(shí)間縮短到30 s以內(nèi)，效果明顯。

5 結(jié)束語

介紹了基于單發(fā)飛機(jī)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)試飛方案設(shè)計(jì)的思路、內(nèi)容和方法，以及在某型飛機(jī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)試飛中的應(yīng)用與試驗(yàn)情況。該發(fā)動(dòng)機(jī)據(jù)此開展的15次空中起動(dòng)試飛結(jié)果表明，其空中起動(dòng)試飛方案內(nèi)容完整、方案合理、方法可行，可滿足單發(fā)飛機(jī)空中起動(dòng)試飛的需要，能安全、穩(wěn)妥、有效地推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)試飛的進(jìn)程。