飞机发动机空中起动试飞方法研究

刘杰 张建湘 赵晓明

摘 要：飞机发动机的空中起动能力关系到飞机的飞行安全。飞机交付用户之前，组织飞机发动机空中起动试飞是必要的。结合某飞机发动机出厂试飞为例，本文从飞机发动机空中起动试飞的重要性入手，识别试飞中的风险并制定了相应控制措施，分析飞机发动机空中起动特性并制定发动机空中起动的试飞操作程序。

关键词：风车起动;风险分析;试飞操作程序

中图分类号：V263.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）22-0081-02

0 引言

装配涡扇发动机的在遇到意外扰动情况下，极易出现空中熄火停车现象，需通过可靠的空中起动，保障飞机的战斗力，规避等级事故的出现。因此，发动机空中停车后，空中起动成功与否，关系到飞行安全。飞机发动机性能检测可通过地面模拟试验完成，而地面模拟条件难以呈现高空的大气环境、发动机负载参数变化、飞机与发动机的动态匹配等参数，不能及时发现飞机发动机空中起动的问题。在飞机交付用户前，需对发动机开展空中起动试飞试验，检验飞机发动机空中起动的可靠性。

1 飞机发动机空中起动试飞方法分析

1.1 试飞项目概况

本文将某型号的飞机出厂试飞为研究对象，空中起动类型包括惯性起动与风车起动等，前者是指在发动机出现空中以外停车现象时，控制系统可在飞行员了解状况前，自动开启空中起动程序。就涡扇发动机而言，其空中起动试飞不易出现空中意外停车，飞机在没有测试改装的情况下，无法达到验证惯性起动功能的目的。

风车起动是发动机空中起动的一种重要方式，是指发动机在风车状态下提高速度，逐渐转变为慢车状态的过程。这里的风车状态为发动机出现空中意外停车，且燃烧室保持熄火或不运行状态，气流进入到发动机内，并在阻力矩、空气与转子惯性的协调作用下，推动发动机机轴，使其在某一时间内保持稳定转速，进入亚稳定旋转状态，是发动机独有的工作状态，和以往的发动机燃烧运转有显著差异。就发动机的运行原理可知，渦轮与压气机均属于制动器的一种，需在能量供给的情况下运行。在发动机进入风车状态后，并无动物供给，需通过飞机的飞行速度提供能源。就此，在风车起动过程中，能量变化流程如下：飞行速度→转子机械能，推动转子运行。另外，就做功角度而言，飞机飞行速度使飞机产生迎面气流，该气流可推动压气机的叶轮运转，使其做功。该原理也适用于涡轮部件，在迎面气流进入到涡轮收敛通道内，可进入膨胀加速状态，推动涡轮运转，使其做功，获得的功率会传输到压气机中。基于上述原理，在飞机出现空中意外停车后，飞车启动是飞机状态冷转过程到风车状态的转变。

分析飞机发动机起动试飞方法，针对某型号的飞机出厂试飞，选取风车起动方法对发动机的空中起动性能进行检查。

1.2 涡扇发动机的空中起动特点

1.2.1 无需起动机提供辅助

通过上述分析可知，迎面气流的出现可带动飞机发动机的转子旋转，使压气机与涡轮的运行参数与标准数值差距加大，此时发动机的运行效率低下，但进入平衡的风车状态后，可保持飞机的稳定。而在飞机风车状态下，喷管的可用压力降逐渐减少，直到低于临界压力降，此时飞行马赫数会影响发动机的换算转速，二者间的关系趋近于正相关关系;在可用压力降并未低于临界压力降，且无限趋近时，飞行马赫数不会影响发动机的换算转速，此时飞机的风车转速逐渐加大，最高可达最大转速的70%，可满足飞机的自动空中起动，无需利用起动机提供辅助。

1.2.2 难以进入完全风车状态

在发动机出现空中意外停车后，可通过立即点火，起动发动机，提升转子转速。但在实践操作中，飞行员极易错过发动机的最佳打火时机，导致转子转速不断下降，在其数值小于空中起动下限转速时，燃料并未达到最佳雾化质量，且空气进入效果不佳，不能在燃烧室内有效点火，生成的火源不够稳定，发动机难以进入完全风车状态。就此，针对该问题，飞行员需利用起动机提供辅助，或者操纵飞机完成俯冲，提升转子转速，创设最佳打火条件，使发动机进入完全风车状态。

1.2.3 空中点火条件恶劣

飞机的飞行环境为高空，具有温度低、密度小与压力小等特征，使得发动机的周围空气流量，远小于地面状态下的数值。在飞机空中起动过程中，剩余扭矩的降低，加大了燃烧室进口的空气速度。同时，高空条件下的燃烧室进口压力减小，使燃烧室的余气系数越小。此时点火难以生成稳定的火源，空中起动难度较大。飞机的飞行高度越高，点火条件越恶劣。可见，在飞机空中起动中，其包线范围会受点火条件的影响。

1.3 风车转速与高度、速度特性

在相同高度下，飞机的飞行速度与风车转速呈正相关关系，但高压转子的速度一直低于低压转子。出现该现象的原因在于风车状态下的发动机部件功能转变，原本提供动力的部件，会在风车状态下负责提供阻力。当迎面气流进入发动机内部时，部分阻力转变为动能，部分阻力被消耗。在上述过程中，飞机的飞行速度越快，产生的能量就越大，使转子获得更多的动能，提升其转速。

在相同的速度下，随着高度的升高，风车转速略有增大。在飞行速度不变的情况下，飞机所处的高度越高，大气密度越小，风扇前方的空气流量随之降低。在迎面气流进入风扇内部部件后，一部分气流沿外涵道流通;一部分气流沿内涵道流通。内涵道流通的气流会进入到核心机中。飞机的飞行高度会提升核心机进入的流量，但由于风扇的内外涵道呈相互补充状态，内涵道的增多，会降低外涵道（即风扇进口部位）的流量。此时，风扇核心机的压气机受到更大的冲力，可提升风扇的转速。

通过上述分析可知，在一定的高度下，飞行速度的增加，会提升风车转速;在一定的飞行速度下，高度的增加，也会提升风车转速，但提升效果低于上一种状况。

2 飞机发动机空中起动试飞风险分析

飞机发动机空中起动试飞属于高风险试飞科目，存在多种风险，威胁试飞人员与飞机的安全，试飞工程技术人员和试飞员需掌握发动机空中起动试飞的风险，试飞最大的风险是被试发动机空中起动不成功。采取针对性预防与规避措施，确保飞行安全。