航空矢量發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)推力校準(zhǔn)技術(shù)綜述

王辰辰，李新良，李程，曾吾，王洪博，俞錦

(中航工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

第四代戰(zhàn)斗機(jī)要求飛機(jī)能夠完成一系列過失速情況下的大機(jī)動(dòng)格斗動(dòng)作，如“眼鏡蛇”、“倒掛金鉤”等，這就需要飛機(jī)在大仰角下具有超強(qiáng)的機(jī)動(dòng)能力，矢量推力發(fā)動(dòng)機(jī)能夠幫助飛機(jī)完成這些動(dòng)作。世界發(fā)動(dòng)機(jī)研制生產(chǎn)大國如美國、英國、俄羅斯等，都在矢量發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作中投入了大量的精力與時(shí)間［1］。和常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制一樣，研制矢量發(fā)動(dòng)機(jī)也需要通過大量的測試試驗(yàn)來獲取、驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。準(zhǔn)確的測試數(shù)據(jù)對于正確評估發(fā)動(dòng)機(jī)性能、保證飛機(jī)飛行安全具有非常重要的意義。

發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)是對航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測試的主要試驗(yàn)平臺(tái)，航空矢量發(fā)動(dòng)機(jī)的測試需要矢量推力試車臺(tái)，為保證矢量推力試車臺(tái)測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要進(jìn)行相關(guān)校準(zhǔn)研究工作。本文在簡要介紹渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)軸向試車臺(tái)推力校準(zhǔn)方法的基礎(chǔ)上，分析介紹了矢量發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)結(jié)構(gòu)、推力校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)程序。

1 軸向試車臺(tái)推力校準(zhǔn)

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，國內(nèi)外現(xiàn)已經(jīng)建有多臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)軸向試車臺(tái)，對其推力校準(zhǔn)方法的研究相對比較成熟，通過分析研究軸向試車臺(tái)的推力校準(zhǔn)方法，可以為矢量試車臺(tái)的推力校準(zhǔn)提供幫助。

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)軸向試車臺(tái)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由定架、動(dòng)架及連接構(gòu)件組成，定架通過剛性連接與地面相連，相當(dāng)于基礎(chǔ)的作用［2-6］，動(dòng)架通過彈簧片懸掛于定架上，發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在動(dòng)架上并與動(dòng)架構(gòu)成剛性連接，推力測量系統(tǒng)中的工作傳感器安裝在定架與動(dòng)架之間。發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)的推力測量系統(tǒng)用于測量發(fā)動(dòng)機(jī)測試試驗(yàn)中推力的大小，為了保證測試結(jié)果的可靠性，需要定期對航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)推力測量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。

推力校準(zhǔn)的原理是:對推力架施加一個(gè)模擬推力，利用標(biāo)準(zhǔn)力傳感器測量模擬推力的大小，同時(shí)采集臺(tái)架推力測量系統(tǒng)中工作傳感器的輸出值，通過將標(biāo)準(zhǔn)力傳感器與工作傳感器測量的力值進(jìn)行比對來完成校準(zhǔn)。由于標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的位置不同，導(dǎo)致模擬推力的加載方式不同，可將渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)軸向試車臺(tái)推力測量系統(tǒng)校準(zhǔn)的方法分為兩種:平行加載校準(zhǔn)方法和中心加載校準(zhǔn)方法［7-9］。

圖1 軸向發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)示意圖

1.1 平行加載校準(zhǔn)方法

平行加載(也稱之為平面加載［9］)校準(zhǔn)方法的實(shí)質(zhì)是將對試車臺(tái)校準(zhǔn)時(shí)提供的模擬推力施加在與發(fā)動(dòng)機(jī)推力軸線平行的方向上，而不需要加載在發(fā)動(dòng)機(jī)推力軸線上，也有的定義為將對試車臺(tái)校準(zhǔn)時(shí)的模擬推力施加在與推力測量同一水平面的位置，而不必直接加載在發(fā)動(dòng)機(jī)推力軸線上，如圖1所示。現(xiàn)有軸向試車臺(tái)的平行加載系統(tǒng)，包括一個(gè)能夠提供穩(wěn)定模擬推力的液壓加載系統(tǒng)和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)力傳感器。校準(zhǔn)時(shí)，液壓加載系統(tǒng)提供所需的模擬推力，標(biāo)準(zhǔn)力傳感器測量模擬推力的大小，同時(shí)采集工作傳感器的輸出，將兩者進(jìn)行對比，完成對推力測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)。

1.2 中心加載校準(zhǔn)方法

中心加載校準(zhǔn)方法直接將模擬推力施加在發(fā)動(dòng)機(jī)推力軸線上，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示，在進(jìn)行中心加載校準(zhǔn)時(shí)，需要將臺(tái)架原有的加載系統(tǒng)斷開，以免其影響推力在臺(tái)架上的傳遞。中心加載校準(zhǔn)的關(guān)鍵是在發(fā)動(dòng)機(jī)推力軸線方向上施加一個(gè)大小可以測量的模擬推力，故需要特定的推力加載裝置。校準(zhǔn)時(shí)，通過位于發(fā)動(dòng)機(jī)推力軸線方向上的加載裝置提供中心加載推力，并利用安裝于模擬發(fā)動(dòng)機(jī)尾部的標(biāo)準(zhǔn)力傳感器對推力值進(jìn)行準(zhǔn)確測量，同時(shí)讀取推力架上工作傳感器的讀數(shù)，通過比對完成校準(zhǔn)。

圖2 軸向試車臺(tái)中心加載校準(zhǔn)示意圖

1.3 兩種方法的比較

平行加載校準(zhǔn)方法中，模擬推力沒有直接施加在發(fā)動(dòng)機(jī)推力軸線上，不能完全模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的測試狀態(tài)，且校準(zhǔn)時(shí)推力在臺(tái)架上的傳遞路徑與發(fā)動(dòng)機(jī)測試時(shí)推力的傳遞路徑也不相同，故利用平行加載的校準(zhǔn)狀態(tài)與發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)的測試狀態(tài)不完全一致。但現(xiàn)有試車臺(tái)上都配備平行加載校準(zhǔn)裝置，不需要額外安裝加載設(shè)備，只需將臺(tái)架自身的加載系統(tǒng)與動(dòng)架連接即可，校準(zhǔn)結(jié)束時(shí)也不必將加載裝置拆除，只需要將其與動(dòng)架脫離即可。平行加載校準(zhǔn)方法是過去幾十年試車臺(tái)推力校準(zhǔn)中所采用的主要方法，在HB6882-93《渦噴渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)架推力測量系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范》中給出了校準(zhǔn)要求。

中心加載校準(zhǔn)方式可模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的測試狀態(tài)，是對試車臺(tái)進(jìn)行校準(zhǔn)的理想加載方式［9］，比平行加載方式能夠更好地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的測試狀態(tài)，推力在臺(tái)架上的傳遞與試車臺(tái)推力的傳遞基本相同，校準(zhǔn)的結(jié)果相比于平行加載校準(zhǔn)方式的結(jié)果更加可靠。在對試車臺(tái)進(jìn)行推力校準(zhǔn)時(shí)，有時(shí)也會(huì)利用中心加載校準(zhǔn)方式驗(yàn)證平行加載校準(zhǔn)方法的準(zhǔn)確度。但是中心加載校準(zhǔn)方式的推力加載裝置位于發(fā)動(dòng)機(jī)的尾部位置，它的存在會(huì)妨礙發(fā)動(dòng)機(jī)的試車試驗(yàn)，必須在每次校準(zhǔn)完成后將與中心加載校準(zhǔn)方式相關(guān)的設(shè)備全部拆除，增加了操作的復(fù)雜性及校準(zhǔn)試驗(yàn)所用的時(shí)間。另外，為了安裝中心加載裝置，需要在設(shè)計(jì)試車臺(tái)架時(shí)就預(yù)先留出安裝位置，對于沒有預(yù)留出安裝位置的試車臺(tái)，中心加載校準(zhǔn)方法并不適用，導(dǎo)致其使用比較局限。

在試車臺(tái)校準(zhǔn)時(shí)，對于有條件的試車臺(tái)應(yīng)該進(jìn)行中心加載校準(zhǔn)，可以比較準(zhǔn)確的評估檢驗(yàn)試車臺(tái)的推力測量系統(tǒng)，并能檢測試車臺(tái)所配備的平行加載校準(zhǔn)裝置的狀況。

1.4 試車臺(tái)推力測量修正

不管采用上述哪種方法對試車臺(tái)推力測量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，都是保證試車臺(tái)推力測量準(zhǔn)確性非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，而在發(fā)動(dòng)機(jī)工作的實(shí)際工況條件下，推力測量準(zhǔn)確度會(huì)受到多方面的影響，比如:試車間氣動(dòng)影響、推力測量系統(tǒng)影響和臺(tái)架結(jié)構(gòu)特性影響。其中，試車間的氣動(dòng)影響可分為試車間進(jìn)氣沖量、試車間壓差阻力、底部阻力、迎風(fēng)阻力和空氣摩擦阻力等。對試車臺(tái)推力測量系統(tǒng)校準(zhǔn)考慮了推力測量系統(tǒng)及臺(tái)架結(jié)構(gòu)特性對試車結(jié)果的影響，因此，在對試車臺(tái)進(jìn)行測量時(shí)，還需要考慮試車間氣動(dòng)參數(shù)的影響。在試車臺(tái)推力測量修正方面，歐洲國家進(jìn)行了比較充分的研究，申請了關(guān)于推力測量修正方法的專利:Gas turbine measured thrust correction 和Thrust correction，利用相關(guān)的推力測量修正方法，英國羅羅公司將推力修正不確定度從預(yù)估的±0.8%提高到±0.25%［10-11］。

2 矢量試車臺(tái)推力校準(zhǔn)

2.1 矢量試車臺(tái)結(jié)構(gòu)

矢量推力試車臺(tái)主要也是由定架、動(dòng)架及連接件構(gòu)成，但是動(dòng)架與定架之間的連接方式、動(dòng)架的結(jié)構(gòu)形式等都與軸向試車臺(tái)有所差別。矢量試車臺(tái)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，動(dòng)架與定架之間通過工作傳感器進(jìn)行連接，發(fā)動(dòng)機(jī)通過主支點(diǎn)與動(dòng)架進(jìn)行剛性連接，尾部通過吊裝的方式懸掛在動(dòng)架上。矢量推力試車臺(tái)的作用是測試航空矢量發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，在矢量推力架上共有六個(gè)工作傳感器，分別用于測量航向、側(cè)向和垂向的推力。另外，在矢量推力架的三個(gè)方向上，還分別有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)力傳感器與相應(yīng)的加載裝置［12］，用來確定臺(tái)架的存在使得傳感器之間存在著交互作用關(guān)系。

圖3 矢量試車臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

2.2 矢量試車臺(tái)推力現(xiàn)場校準(zhǔn)方法

借鑒軸向試車臺(tái)推力校準(zhǔn)的長期經(jīng)驗(yàn)，參照軸向試車臺(tái)推力校準(zhǔn)的方法對矢量試車臺(tái)的推力校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行研究，具體步驟應(yīng)包括:理論推導(dǎo)、仿真計(jì)算、現(xiàn)場試驗(yàn)、編制規(guī)范等。理論推導(dǎo)可以對矢量試車臺(tái)推力校準(zhǔn)進(jìn)行可行性分析，對后續(xù)的仿真分析及現(xiàn)場試驗(yàn)提供理論基礎(chǔ);仿真分析可以利用計(jì)算機(jī)的超強(qiáng)計(jì)算能力，對試車臺(tái)的受力狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到臺(tái)架的力學(xué)特性，分析不同因素對現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果的影響程度，為現(xiàn)場試驗(yàn)中因素控制起到參考作用，并可以與現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析誤差原因，為后續(xù)編寫矢量試車臺(tái)推力校準(zhǔn)規(guī)范提供參考，仿真分析是試車臺(tái)推力校準(zhǔn)中非常重要的步驟;現(xiàn)場試驗(yàn)是矢量試車臺(tái)推力校準(zhǔn)中最重要的環(huán)節(jié)，也是得到測試數(shù)據(jù)的關(guān)鍵步驟，現(xiàn)場試驗(yàn)的方法對測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響至關(guān)重要，需要在現(xiàn)場試驗(yàn)前對各種影響因素進(jìn)行評估分析，此時(shí)可參考理論推導(dǎo)和仿真分析得到的結(jié)果，以保證測試結(jié)果在誤差允許范圍之內(nèi);編制規(guī)范是矢量試車臺(tái)推力校準(zhǔn)技術(shù)研究的最終目的，制定合理的規(guī)范可以對以后試車臺(tái)的校準(zhǔn)提供參考依據(jù)，保證后續(xù)矢量試車臺(tái)推力校準(zhǔn)的順利進(jìn)行。

矢量試車臺(tái)推力測量系統(tǒng)的現(xiàn)場校準(zhǔn)可參考軸向試車臺(tái)推力測量現(xiàn)場校準(zhǔn)方法進(jìn)行。矢量試車臺(tái)現(xiàn)場校準(zhǔn)相比于軸向試車臺(tái)最大的區(qū)別是矢量試車臺(tái)校準(zhǔn)時(shí)施加的模擬推力為矢量力，軸向試車臺(tái)校準(zhǔn)時(shí)施加的模擬推力是單一方向的推力。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)力傳感器不同位置，可將模擬推力的加載方法分為兩種，即有兩種方法可完成校準(zhǔn):利用試車臺(tái)自身加載系統(tǒng)校準(zhǔn)和利用額外附加的加載系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。

在2.1 節(jié)矢量試車臺(tái)的結(jié)構(gòu)中已經(jīng)說明，矢量試車臺(tái)除了三個(gè)方向的六個(gè)工作傳感器外還有三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)力傳感器與加載裝置，矢量試車臺(tái)傳感器位置如圖4所示。圖4 中，X，Y，Z 分別是側(cè)向、垂向和軸向加載裝置組件;1 ～6 號傳感器為工作傳感器，其中1 號和2 號傳感器用于測量軸向力，3 號傳感器用于測量側(cè)向力，4，5，6 號傳感器用于測量垂向力。試車臺(tái)上的這些附加裝置的作用類似于軸向試車臺(tái)平行加載校準(zhǔn)方式中的校準(zhǔn)系統(tǒng)，其作用也是對試車臺(tái)的推力測量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。利用這種方式對矢量試車臺(tái)校準(zhǔn)時(shí)的理想情況是，在單獨(dú)施加某一方向的模擬推力時(shí)，在該方向的工作傳感器所測量到的值與所施加的模擬推力相等，另外兩個(gè)方向的工作傳感器的輸出為零［13］。而實(shí)際的試車臺(tái)會(huì)使不同方向的力傳感器之間存在交互作用，即當(dāng)單一方向施加模擬推力時(shí)，該方向的工作傳感器并不能測量到全部力值，另外兩個(gè)方向的工作傳感器輸出也不為零。力傳感器之間的這種交互作用，對于航空矢量發(fā)動(dòng)機(jī)的測試非常重要。為了在發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)得到準(zhǔn)確的推力測試結(jié)果，正確評估發(fā)動(dòng)機(jī)性能，需要對矢量試車臺(tái)進(jìn)行推力校準(zhǔn)，掌握力傳感器之間的這種交互作用。

圖4 矢量試車臺(tái)傳感器分布圖

利用額外附加的加載系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)的方法與軸向試車臺(tái)推力校準(zhǔn)中的中心加載校準(zhǔn)方法相似，也需要將模擬推力直接加在發(fā)動(dòng)機(jī)的推力軸線上，與軸向試車臺(tái)所不同的是，利用這種方法對矢量試車臺(tái)推力測量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，加載系統(tǒng)所施加的模擬推力不僅大小要發(fā)生改變，還需要根據(jù)要求改變模擬推力的方向，確保模擬推力的軸線與矢量發(fā)動(dòng)機(jī)的推力軸線能夠重合。矢量發(fā)動(dòng)機(jī)的推力方向變化可以分解為周向角度變化和軸向角度變化，校準(zhǔn)時(shí)的加載系統(tǒng)則需要能夠提供軸向和周向角度都能夠調(diào)節(jié)的模擬推力。這種校準(zhǔn)方法的理想狀況是，將所施加的模擬推力分解到三個(gè)方向，每個(gè)方向的推力與該方向工作傳感器測量的力值大小完全相同，但加載角度、加載點(diǎn)位置的測量等可能存在誤差，且試車臺(tái)架會(huì)導(dǎo)致力的傳遞產(chǎn)生變化，故在實(shí)際現(xiàn)場校準(zhǔn)中，很難保證力值的相同。

就理論分析及軸向試車臺(tái)校準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)，利用額外附加的加載系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)的方法能夠更好地模擬矢量發(fā)動(dòng)機(jī)的測試狀態(tài)，校準(zhǔn)精度應(yīng)高于直接利用試車臺(tái)自身加載系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)的方法。盡管這種方法的校準(zhǔn)狀態(tài)與測試狀態(tài)相似，卻并不能夠完全模擬矢量發(fā)動(dòng)機(jī)的全部推力狀態(tài)，如角度調(diào)節(jié)中暫時(shí)無法實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，只能對幾個(gè)關(guān)鍵角度下的推力進(jìn)行校準(zhǔn)。這種推力校準(zhǔn)方法要求臺(tái)架預(yù)留安裝位置，每次校準(zhǔn)時(shí)需要安裝與拆卸加載裝置，耗費(fèi)大量的時(shí)間。直接利用試車臺(tái)自身加載系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)的方法，只需要在每次校準(zhǔn)時(shí)將臺(tái)架自身的加載系統(tǒng)與動(dòng)架進(jìn)行連接，校準(zhǔn)結(jié)束時(shí)與動(dòng)架脫離即可，操作方便、簡單，但這種校準(zhǔn)方法不能夠提供矢量力，只能夠沿三個(gè)方向分別校準(zhǔn)，得到臺(tái)架對傳感器之間的交互作用的大小，校準(zhǔn)結(jié)果一般不能直接說明試車臺(tái)推力測量系統(tǒng)的性能。為了既方便又準(zhǔn)確地對試車臺(tái)進(jìn)行校準(zhǔn)，可以利用額外附加加載系統(tǒng)校準(zhǔn)的方法對試車臺(tái)自身的校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。這樣，在試車臺(tái)正常使用期間，只需要利用試車臺(tái)自身的加載系統(tǒng)對臺(tái)架推力進(jìn)行校準(zhǔn)即可。

2.3 矢量試車臺(tái)推力現(xiàn)場校準(zhǔn)程序

對矢量試車臺(tái)推力測量系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)時(shí)，需要首先將與真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)物理屬性相同的模擬發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在動(dòng)架上，來模擬真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)安裝在臺(tái)架上的狀態(tài)。對于能夠利用額外附加加載系統(tǒng)進(jìn)行推力校準(zhǔn)的試車臺(tái)，可在安裝附加加載裝置前，首先利用試車臺(tái)自身的加載系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，在校準(zhǔn)完成后將加載裝置與試車臺(tái)動(dòng)架分開。保持模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)不變，在試車臺(tái)尾部安裝附加的加載系統(tǒng)，進(jìn)行角度及加載點(diǎn)位置的調(diào)節(jié)，完成試驗(yàn)要求的加載狀態(tài)下的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)完成后，分析校準(zhǔn)試驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成矢量試車臺(tái)的整個(gè)校準(zhǔn)過程。

3 展望

為保證航空矢量推力技術(shù)的發(fā)展，需要性能可靠的矢量試車臺(tái)對航空矢量發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試車試驗(yàn)，矢量試車臺(tái)的準(zhǔn)確性關(guān)系著試車臺(tái)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對矢量試車臺(tái)進(jìn)行校準(zhǔn)必不可少。航空矢量發(fā)動(dòng)機(jī)試車試驗(yàn)的一個(gè)主要性能指標(biāo)就是推力，對矢量試車臺(tái)推力測量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)是試車臺(tái)校準(zhǔn)過程中非常重要的步驟。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，對矢量試車臺(tái)推力測量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，可利用經(jīng)典力學(xué)理論及數(shù)值模擬原理對試車臺(tái)的力學(xué)特性及可能影響現(xiàn)場試驗(yàn)的因素進(jìn)行評估分析，現(xiàn)場校準(zhǔn)試驗(yàn)可將數(shù)值分析結(jié)果作為理論指導(dǎo)，根據(jù)分析的試車臺(tái)性能及影響因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響程度，確定現(xiàn)場試驗(yàn)中需要保證的條件。通過分析數(shù)值模擬及現(xiàn)場校準(zhǔn)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，對矢量試車臺(tái)完成校準(zhǔn)，并編制矢量試車臺(tái)推力測量系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范，用于指導(dǎo)矢量試車臺(tái)的推力校準(zhǔn)。

［1］張勁，劉自虎，祝學(xué)平.軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量技術(shù)發(fā)展展望［J］.江蘇航空，2002(3):15-16.

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