气候实验室低温环境下航空发动机滑油系统响应分析

田培强，王彬文，吴敬涛，邓文亮，张惠，张亚娟

（中国飞机强度研究所，西安 710000）

引言

飞机航线覆盖面积广且运行/服役环境条件复杂，虽然航线已覆盖大部分区域，但仍尚未覆盖极寒地区且存在维护难等问题[1,2]。无论是FAR还是CCAR适航条款，都含有类似CCAR.25.1309（a）款的要求，即航空器机载设备、系统及其安装必须保证在各种可预期的运行条件下能完成预定功能[3]。其中“可预期的运行条件”包括预期运行条件下的极端低温环境，即需进行极端环境条件下飞机系统性能验证，考核机场停放的飞机低温冷浸透后再起动性能[4,5]，这就要求飞机在研制和适航取证阶段采用分析和试验的方法，表征极端低温环境下飞机系统性能符合性。

本文围绕低温下飞机系统的状态响应问题，分析实验室低温环境的有效性，结合发动机滑油系统功能与原理，量化极端环境对飞机的影响，确定出飞机可承受的极端条件，再依据系统环境响应来优化全机环境试验方案和飞机维护时间，为飞机运营安全和维护提供支撑。

1 飞机实验室环境有效性分析

由于飞机外场环境试验受限于自然界不可控的温度条件[6]，外场所遇到的最低温度不能完全满足适航条款的环境要求，这就需要引入实验室气候环境试验，建立可控的气候环境试验条件，拓展飞机外场试验环境来进行适航符合性验证，但从外场环境试验转到实验室环境试验过程，需要建立在内外场试验具有一致性的基础上，因此本节围绕实验室环境的有效性进行分析。

1.1 飞机外场运营环境分析

根据外场百叶箱装置测量结果，飞机外场环境试验中环境温度最低点为夜晚的-35 ℃，实际飞机外场试验是在早晨的温度回升阶段进行的，故其机采设备测温高于外部环境温度，选取外场环境下飞机静温/总温为-28.8 ℃。在此环境下，作为飞机的重要核心系统，发动机需满足适航条款要求，即发动机能在特定低温环境温度下正常起动，因此发动机起动的耐受温度边界是整机环境试验的重要参数。而发动机外部温度传感器安装在吊挂上，并且吊挂环境温度直接关联着发动机燃油和液压油的油液温度，所以本小节围绕发动机附近的吊挂外场环境温度作为实验室环境有效性的判据，其中外场环境试验过程中，在飞机静温/总温为-28.8 ℃时吊挂外场环境温度均值为-31.9 ℃。

1.2 飞机实验室环境与有效性分析

与外场环境试验不同，根据外场百叶箱装置测量结果，实验室环境温度最低点为-40 ℃。为了与外场环境条件保持一致，飞机实验室环境试验温度点参照飞机外场静温/总温（即-28.8 ℃）进行选取，因此将实验室环境试验温度点选取在温度上升阶段，即静温/总温为-28.79 ℃。在此实验室环境试验条件下，飞机吊挂环境温度均值为-32.48 ℃，其温度曲线如图1所示。

图1 实验室环境下吊挂环境温度曲线

由于环境温度点均在温度上升阶段，实验室环境试验下吊挂环境温度与外场环境试验下吊挂环境温度均比相对应的静温/总温低，两者趋势相同且误差为1.82 %，因此相比于飞机外场运营环境，飞机实验室环境具有有效性。

2 低温环境下发动机滑油系统的响应分析

在实验室环境有效性的基础上，结合适航符合性验证和系统性能研发需求，针对飞机低温停发再起动过程，研究极端低温环境下发动机的环境响应规律，为编制整机环境试验方案与执行飞机安全维护程序提供支撑。

作为飞机核心部件，航空发动机由众多子系统构成。在众多发动机子系统复杂工作过程中，滑油系统流经各子系统，传走相对运动摩擦所产生的热量和高温零件传给滑油的热量，带走零件磨损所产生的金属屑等杂物[7,8]。而飞机外部环境直接影响着滑油系统温度，若滑油温度过高，则起不到传出系统热量的功能；若系统滑油温度过低，油液粘度会增大，供油压力不足，导致发动机低温无法启动等问题[9]，因此本节依据整机环境试验，研究极端环境对发动机滑油系统的定量影响和变化趋势，为飞机环境试验和运营维护提供支撑。

整机环境试验过程中，发动机试车起动试验在-40 ℃环境下进行，此时滑油温度均值为-36.03 ℃，本节分别从发动机试车起动时滑油温度上升阶段和停发时滑油温度下降阶段分析，并且为便于后续计算，将试验时间序列经归一化处理为自然数序列，每一个单位代表31 ms。

2.1 发动机试车起动时滑油温度特征分析

发动机试车起动时，滑油温度随之上升，根据滑油温度试验数据上升特点，采用幂函数形式和多项式形式进行数据拟合，如表1所示。

表1 发动机滑油温度上升函数表

根据上述滑油温度曲线拟合形式和拟合度可知，四种拟合形式的拟合度均大于0.98，且四次多项式形式的滑油温度曲线拟合程度最高，但四次多项式函数曲线呈“∩”型或倒“∪”型，而发动机试车起动时滑油温度试验数据逐步上升且逼近收敛于一个温度极值，即更符合幂函数特征，因此采用分段式拟合方法：四次多项式顶点前采用四次多项式形式进行拟合计算（如图2所示），用来修正滑油温度上升过程离散数据；四次多项式顶点后采用幂函数形式进行拟合计算（如图3所示），用来计算滑油温度最高点。

图2 幂函数形式的滑油温度上升函数曲线

图3 四次多项式形式的滑油温度上升函数曲线

根据上述分析可得极端温度下发动机滑油温度上升段曲线特征如图4所示：在-40 ℃极端环境下发动机滑油最低温度为-36.03 ℃，随着发动机试车起动，滑油温度逐渐升高，升至54.04 ℃前，滑油温度上升规律更符合四次多项式形式拟合曲线；升至54.04 ℃后，滑油温度上升规律更符合幂函数形式拟合曲线。

图4 发动机滑油温度上升规律

结合时间归一化的原则：每一个单位等于31 ms，依据幂函数特征分析滑油温度上升后半段变化可知：

1）当发动机试车时滑油温度由-36.03 ℃上升至54.04 ℃，实际实验室试验时间为15 min。而根据滑油温度函数曲线进行计算，滑油温度上升至54.04 ℃所对应试验时间坐标点为 ，结合归一化原则可得，滑油温度上升时间为864.35 s，即14.41 min，与实际试验时间相差3.9 %，同时验证了滑油温度函数曲线的精度。

2）当发动机全状态运行后滑油温度最高可达到74.92 ℃，所对应试验时间坐标点为，结合归一化原则可得，滑油温度上升时间为1 455.8 s，即24.26 min，表明在-40 ℃极端环境下，飞机发动机起动24.26 min后滑油温度由-36.03 ℃达到74.92 ℃，为飞机系统检查和维护提供依据。

2.2 发动机停发时滑油温度特征分析

飞机停发时滑油温度随之降低，根据滑油温度试验数据上升特点，采用幂函数形式和多项式形式进行数据拟合，计算结果如表2所示。

表2 发动机滑油温度下降函数表

滑油温度下降段函数曲线拟合度均大于0.99，且与上升段函数曲线形式的原理相同，因此同样采用分段式拟合方法：四次多项式最低点前，采用四次多项式形式进行拟合计算（如图5所示），用来修正滑油温度下降过程离散数据；四次多项式最低点后，采用幂函数形式进行拟合计算（如图6所示），用来计算滑油温度最低点和到达时间。

图5 幂函数形式的滑油温度下降阶段函数曲线

图6 四次多项式形式的滑油温度下降阶段函数曲线

由上述分析可得极端温度下发动机滑油温度下降段曲线特征如图7所示：同样在-40 ℃极端环境温度下发动机停发后，滑油温度随之下降，降至-8.71 ℃前，滑油温度下降规律更符合四次多项式形式拟合曲线；降至-8.71 ℃后，滑油温度下降规律更符合幂函数形式拟合曲线。

图7 发动机滑油温度下降规律

结合时间归一化的原则：每一个单位等于31ms，依据四次多项式函数和幂函数特征分析滑油温度下降后半段变化可知：

1）当滑油温度由-54.04 ℃降至0 ℃时，所对应的时间坐标点为2.391 5×105，表明滑油温度降至0 ℃需要7 413.65 s，即2.06 h，因此当飞机试车停发后，滑油温度由54.03 ℃经2.06 h后降为0 ℃。结合飞机维护手册要求：发动机停发2 h且滑油温度低于0 ℃时，下次发动机起动需执行发动机预热维护程序，即发动机在-40 ℃环境下停发后，若停放超过4.06 h，则需要执行发动机预热维护程序，保障飞机系统安全运行；

2）当滑油温度滑油温度由-54.04 ℃重新降至-36.03 ℃时，所对应的时间坐标点为6.712 8×105，表明滑油温度降至-36.03 ℃所需时间为20 809.68 s，即5.78 h，因此当发动机试车停发后，滑油温度由54.03 ℃经5.78 h后重新降至最低点-36.03 ℃，可依据该时间制定极端环境试验的冷浸透时间，提高试验精度和试验效率。

3 结论

本文依据飞机外场环境特征，分析实验室环境的有效性，从发动机起动和停发两个状态，研究航空发动机滑油系统的环境响应特征，提高极端低温环境下全机环境试验效率和飞机运营安全性，得到结论如下：

1）在外场环境温度（-28.8 ℃）和实验室环境温度（-28.79 ℃）的误差为0.03 %条件下，相比于外场环境下发动机吊挂温度（-31.9 ℃），实验室环境下吊挂环境温度为32.48 ℃，两者相差1.82 %，表明相比于飞机运营的外场自然环境，实验室环境具有有效性；

2）以-40 ℃极端环境下发动机试车状态为依据，计算出发动机全状态运行后滑油温度最高可达74.92 ℃，且由-36.03 ℃上升至74.92 ℃的时间为24.26 min。发动机试车停发后，当飞机停放超过4.06 h，达到发动机维护要求，则发动机下次启动前需执行发动机预热维护程序。并且试车停发后滑油温度由54.03 ℃经5.78 h重新降至-36.03 ℃，可为整机环境试验制定冷浸透时间提供依据。