摘要

為探索適用于中國航空渦扇發(fā)動機的吞鳥適航符合性驗證方法，針對吞鳥適航符合性驗證需求，結(jié)合渦扇發(fā)動機研制，重點圍繞中鳥附加的完整性評定要求，從試驗發(fā)動機、試車臺架、吞鳥試驗專用設(shè)備和測試方案等方面，提出試驗系統(tǒng)要求；從風扇葉片標識、鳥體發(fā)射系統(tǒng)布局、投鳥參數(shù)校準和鳥彈準備等方面，提出具體試驗方法；從鳥的質(zhì)量、投射位置、投射速度、試驗狀態(tài)和試驗程序等方面，制定試驗參數(shù)。依據(jù)制定的符合性驗證方法，在露天試驗臺完成渦扇發(fā)動機整機試驗驗證，進行了中國渦扇發(fā)動機吞鳥適航符合性方法的探索與實踐。結(jié)果表明：質(zhì)量為0.71kg的鳥彈以99m/s的速度投向70%風扇葉高區(qū)域后，發(fā)動機推力損失2%，驗證了渦扇發(fā)動機吞鳥后仍具有穩(wěn)定工作的能力，為后續(xù)渦扇發(fā)動機開展吞鳥適航符合性的研究與驗證奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞

吞鳥；渦扇發(fā)動機；適航；符合性驗證

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引言

隨著航空領(lǐng)域的快速發(fā)展，鳥類對飛行的危害不斷凸顯，鳥撞擊在發(fā)動機引發(fā)事故的概率高達44%。發(fā)動機在遭遇鳥撞擊后，可能會造成風扇葉片等進口結(jié)構(gòu)損傷，甚至引起高壓壓氣機喘振，進而導(dǎo)致發(fā)動機推力損失。由此可見，吞鳥對發(fā)動機的危害性值得引起重視。

國外對航空發(fā)動機吞鳥適航符合性驗證的研究起步較早，GE和RR公司等在20世紀80年代就具備了吞鳥適航符合性驗證的能力，開展了相關(guān)發(fā)動機整機吞鳥試驗技術(shù)研究[7-9]，已經(jīng)完成了GE90、BR710、CFM56等多型發(fā)動機吞鳥適航符合性驗證試驗，積累了豐富的方法研究成果和實踐經(jīng)驗。在中國，吳大觀[10]對吞鳥試驗?zāi)康?、要求和方法進行了分析，認為吞鳥試驗的程序、方法、參數(shù)選擇需要開展大量研究；張清等[11]研究了吞鳥適航規(guī)章的發(fā)展與內(nèi)涵；羅剛等[12-14]研究了風扇葉片遭遇鳥撞條件下的損傷規(guī)律，為吞鳥適航符合性驗證試驗參數(shù)分析提供了基礎(chǔ)；晏祥斌等[15]對軍用渦扇發(fā)動機吞鳥適航符合性驗證進行了研究。但是，上述吞鳥適航符合性研究主要停留在基礎(chǔ)方法和實驗室基礎(chǔ)驗證方面，在中國發(fā)動機研制中已開展的吞鳥試驗驗證主要參考軍標要求，綜合考慮型號特點和具體的驗證目的。針對吞鳥適航符合性驗證尚未形成用于發(fā)動機研制實踐的具體方法，也未完成中國渦扇發(fā)動機吞鳥適航符合性驗證。

基于上述情況，本文結(jié)合大涵道比渦扇發(fā)動機研制需求，進行吞鳥適航符合性驗證方法研究與探索，重點針對中鳥附加的完整性評定符合性驗證開展研究，并進行符合性方法有效性的驗證。

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試驗系統(tǒng)

1.1試驗發(fā)動機

試驗發(fā)動機是雙轉(zhuǎn)子大涵道比渦扇發(fā)動機，由風扇、高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪、附件傳動裝置和排氣系統(tǒng)等組成。

發(fā)動機一旦發(fā)生吞鳥情況，鳥撞擊風扇葉片產(chǎn)生的沖擊能量，將以沖擊載荷的方式作用在發(fā)動機部件上，沿發(fā)動機承力系統(tǒng)向發(fā)動機安裝節(jié)傳遞，造成葉片、承力部件等一次損傷。沖擊載荷的方向和傳遞方式因為葉片帶扭和帶彎而變得異常復(fù)雜，軸向、徑向和周向傳遞的載荷同時存在。軸向和部分徑向載荷經(jīng)低壓轉(zhuǎn)子前支點、支點軸承座、中介機匣傳遞到發(fā)動機主安裝節(jié)；周向載荷和部分徑向載荷通過低壓轉(zhuǎn)子軸系傳遞到后支點，再經(jīng)后支點軸承座、渦輪后機匣傳遞至輔助安裝節(jié)，載荷傳遞路徑如圖1所示。因此，吞鳥用發(fā)動機的風扇轉(zhuǎn)子葉片、風扇機匣、軸承、低壓轉(zhuǎn)子軸系、承力系統(tǒng)、安裝系統(tǒng)等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)要具有代表性。

1.2試驗臺架

試驗臺架采用地面露天試車臺，包括門式支架和常規(guī)試車臺架兩部分，試車臺架如圖2所示。門式支架為4柱式支撐臺架，由各桁架部件裝配而成，4立柱中心距7m×7m，柱頂高8.6m，柱寬1m，凈空6m。4根立柱與土建基礎(chǔ)相連接，立柱頂部連接鋼結(jié)構(gòu)平臺，平臺下布置安裝支臂，用于安裝發(fā)動機。臺架上方安裝起吊裝置，便于發(fā)動機及其掛架的安裝和設(shè)備維護。

常規(guī)試車臺架主要由工藝系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、推力測量及校準系統(tǒng)、工業(yè)監(jiān)視系統(tǒng)等組成。其中，工藝系統(tǒng)包括空氣起動系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、燃油加載系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)、油封系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、氮氧系統(tǒng)和氣體滅火系統(tǒng)等，以滿足發(fā)動機整機試車需求。監(jiān)視系統(tǒng)中包含8個攝像頭覆蓋試驗現(xiàn)場，能夠從不同角度觀察并記錄試驗全過程。此外，為了滿足鳥體發(fā)射裝置等專用設(shè)備的安裝需求，試車臺前部進氣區(qū)設(shè)置專用的錨點和安裝導(dǎo)軌。

1.3吞鳥試驗專用設(shè)備

吞鳥試驗采用的專用設(shè)備主要包括鳥體發(fā)射系統(tǒng)、影像記錄系統(tǒng)和測速系統(tǒng)等。鳥體發(fā)射系統(tǒng)主要用于按照規(guī)定質(zhì)量、數(shù)量和速度向發(fā)動機進口規(guī)定區(qū)域完成鳥彈的投射；影像記錄系統(tǒng)主要用以滿足吞鳥過程的拍攝與記錄要求；測速系統(tǒng)主要用來實現(xiàn)鳥速的準確測量，確認試驗鳥的實際發(fā)射速度。

1.3.1鳥體發(fā)射系統(tǒng)

鳥體發(fā)射系統(tǒng)由安裝平臺、炮管安裝架、鳥炮、儲氣瓶和控制系統(tǒng)組成，鳥體發(fā)射系統(tǒng)如圖3所示。為了保證整套裝置安裝平穩(wěn)可靠，安裝平臺采用鋼結(jié)構(gòu)平臺，并在底部安裝調(diào)平地腳。為了保證炮管穩(wěn)定安裝，炮管安裝架分成前后2層支架，實現(xiàn)投射所用炮管的固定；為了滿足鳥彈在發(fā)動機正表面的不同投射位置需求，炮管安裝架設(shè)計為分層式結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)炮管中心在2.5～7.0m高度范圍內(nèi)調(diào)整，通過炮管在同一高度炮架上不同水平位置的安裝，可以實現(xiàn)水平位置的調(diào)整。為了實現(xiàn)炮管吊裝，支架上部設(shè)計為開放式結(jié)構(gòu)形式。為了滿足試驗鳥的質(zhì)量、投射速度等要求，采用炮口直徑為120mm、炮管長度為8m、最大發(fā)射速度為200m/s、最大發(fā)射鳥彈質(zhì)量為1.2kg的中型炮管。為了控制發(fā)射壓力，獲得試驗所需的鳥彈投射速度，在儲氣瓶上裝有壓力控制裝置。

鳥彈發(fā)射系統(tǒng)的主要工作原理為通過高壓氣體膨脹作功，使鳥彈在炮管內(nèi)不斷加速，到達炮口時加速達到試驗要求的鳥彈投射速度。鳥的速度主要通過壓力容器的充氣壓力控制，通過采用規(guī)定質(zhì)量的鳥彈進行多次調(diào)試，建立速度與壓力關(guān)系曲線，在試驗中通過控制合理的充氣壓力，滿足投射速度要求。在投射前，將鳥彈放在彈托內(nèi)，以實現(xiàn)鳥彈與炮管內(nèi)壁之間的密封和保持，彈托在炮管出口位置被彈托分離器剝掉并保留在炮管內(nèi)，實現(xiàn)鳥彈單獨射出。

1.3.2影像記錄系統(tǒng)

影像記錄系統(tǒng)主要由高速攝像裝置以及照明設(shè)備組成，高速攝像裝置為5臺拍攝幀頻為500010000幀/s的高速攝像機。

為了滿足上述拍攝與記錄要求，主要在發(fā)動機進、出口2處關(guān)鍵區(qū)域布置高速攝像裝置，安裝位置布局如圖4所示。為了拍攝、記錄鳥撞擊部位、撞擊過程及零部件損傷情況、鳥從炮口發(fā)射情況，在1、2號位置分別布置1臺幀頻為10000幀/s的高速攝像機，拍攝角度覆蓋風扇進口區(qū)域，其中1號位于鳥炮出口后側(cè)，拍攝方向沿發(fā)動機軸線方向，2號位于發(fā)動機進口前側(cè)方，相對發(fā)動機軸線有一定角度；為了拍攝、記錄鳥彈飛行過程及軌跡，在3號位置布置1臺幀頻為10000幀/s的高速攝像，拍攝方向垂直于發(fā)動機軸線，拍攝角度覆蓋炮管出口到進氣道之間的距離范圍；為了拍攝、記錄吞鳥后發(fā)動機外涵和尾噴管的情況，在尾噴管后方4、5號位置分別布置1臺幀頻為5000幀/s的高速攝像，拍攝角度覆蓋發(fā)動機出口區(qū)域，其中4號拍攝方向垂直于發(fā)動機軸線，5號拍攝方向從斜側(cè)方指向尾噴管。

為了保證高速攝像裝置能夠清晰地監(jiān)測記錄鳥彈撞擊風扇葉片過程，在發(fā)動機進口配備滿足拍攝要求的照明設(shè)備，所采用的燈光功率為200kW，以提供足夠的拍攝光源。為了照亮風扇進口，照明設(shè)備主要安裝在炮架上鳥炮出口附近位置，照明設(shè)備安裝如圖5所示。

1.3.3測速系統(tǒng)

為了實現(xiàn)鳥彈投射速度的測量與確認，試驗配備激光測速系統(tǒng)，主要由激光發(fā)射器、接收器等組成。測速系統(tǒng)基本原理如圖6所示。在發(fā)射物飛經(jīng)第1個激光發(fā)射器時，激光束被遮擋，接收器的輸出電壓改變，飛經(jīng)第2個發(fā)射器時，輸出電壓再次改變，2次電壓改變之間的時間間隔Δt可以由計算機記錄并算出，2臺發(fā)射器之間距離L可以測

出，則發(fā)射物飛越測速裝置時的平均速度v=L/Δt。鳥彈投射速度的測量結(jié)果由工業(yè)計算機直接給出。

1.4測試方案

為了分析吞鳥對發(fā)動機工作狀態(tài)的影響，試驗過程中針對發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)速、低壓轉(zhuǎn)速、推力、排氣溫度、高壓壓氣機進口及出口截面壓力等參數(shù)進行測量、記錄，獲得吞鳥后發(fā)動機典型性能參數(shù)變化情況。為了分析吞鳥過程中發(fā)動機振動、關(guān)鍵影響部件應(yīng)力等變化情況，進行振動、應(yīng)力參數(shù)測量、記錄，其中，振動測量包括1支點軸承座、風扇機匣、中介機匣、渦輪機匣部位，應(yīng)力測量包括1支點軸承座、主安裝節(jié)、輔助安裝節(jié)部位，1支點軸承座在軸向2個不同截面位置進行測量，振動、應(yīng)力測量部位如圖7所示。

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試驗方法及程序

2.1試驗方法

2.1.1風扇葉片標識

為了滿足清晰拍攝、記錄、測量投射位置與損傷情況等需求，對全部風扇葉片葉身涂黃色底色，并結(jié)合投射位置對應(yīng)風扇葉身高度，對葉身進行分區(qū)標識，在風扇葉片盆側(cè)和背側(cè)涂畫寬度為10mm的黑色網(wǎng)格線。風扇葉片標識如圖8所示。

2.1.2鳥體發(fā)射系統(tǒng)布局

鳥體發(fā)射裝置布局主要從滿足投射參數(shù)要求、不對發(fā)動機進口氣流產(chǎn)生干擾2方面考慮。

為了將鳥彈準確發(fā)射至發(fā)動機前表面目標區(qū)域，并確保鳥彈撞擊風扇葉片速度相比炮口發(fā)射速度偏差較小，考慮鳥彈從炮口發(fā)射后所受到的重力、摩擦力等帶來的投射位置、投射速度偏差，發(fā)射系統(tǒng)布局時，炮口與發(fā)動機進口之間的距離不宜過遠。

為了確保鳥體發(fā)射系統(tǒng)不對發(fā)動機進口氣流產(chǎn)生影響，從鳥體發(fā)射系統(tǒng)布局位置靜態(tài)影響和鳥炮發(fā)射氣流動態(tài)影響2方面，通過數(shù)值仿真計算與空炮試驗相結(jié)合的方式，綜合分析鳥體發(fā)射系統(tǒng)對發(fā)動機進口氣流影響，得到合理的布局位置，確保對試驗不產(chǎn)生額外干擾。具體分析方法如下：

（1）為了避免鳥體發(fā)射裝置布局位置對發(fā)動機進口氣流產(chǎn)生附加影響，采用商業(yè)軟件開展鳥體發(fā)射裝置布局對發(fā)動機進口氣流影響數(shù)值仿真分析，仿真分析模型如圖9所示。通過仿真分析得到發(fā)動機風扇進口總壓分布和發(fā)動機進口流線。仿真分析結(jié)果表明，在發(fā)動機進口距離4m處布置鳥體發(fā)射系統(tǒng)（距離以炮管出口為準）相比發(fā)動機進口區(qū)域不布置鳥體發(fā)射系統(tǒng)，風扇進口總壓分布基本一致，進口前1m處截面流量變化基本可以忽略，變化量≯0.65%，對發(fā)動機進口氣流基本無干擾。仿真分析得到的發(fā)動機風扇進口總壓分布如圖10所示，發(fā)動機進口流線如圖11所示。

（2）為了確保鳥炮發(fā)射氣流所帶來的發(fā)動機進口氣流影響可以接受，在鳥體發(fā)射系統(tǒng)安裝位置氣動影響仿真分析基礎(chǔ)上，在完成鳥體發(fā)射系統(tǒng)安裝與調(diào)試后，開展空炮試驗，向工作狀態(tài)下的發(fā)動機發(fā)射空炮，模擬正式吞鳥試驗而不發(fā)射鳥彈條件下的發(fā)動機氣動穩(wěn)定性影響?？张谠囼灣绦蛉鐖D12所示，X為發(fā)動機上推至試驗狀態(tài)后穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時間。試驗結(jié)果表明，在空炮試驗過程中，空氣炮發(fā)射前后發(fā)動機推力、排氣溫度、轉(zhuǎn)速以及各個控制參數(shù)未出現(xiàn)變化。

通過上述數(shù)值仿真計算與試驗綜合分析，表明投射裝置安裝在炮管出口與發(fā)動機進氣道之間為4m距離時，不影響發(fā)動機進口氣流，滿足試驗要求，鳥體發(fā)射裝置安裝位置如圖13所示。

2.1.3投鳥參數(shù)校準

在吞鳥試驗過程中，需要精確的控制鳥彈在發(fā)動機前表面的撞擊位置，為了滿足該需求，在發(fā)動機進口前安裝校靶設(shè)備，采用靶板標定的辦法，反復(fù)測試鳥體撞擊位置，控制發(fā)射準度。

投鳥參數(shù)校準原理如圖14所示。將靶板移動至炮口前方約2.5m位置處，并保持靶板平面與炮口平面平行，使用激光從炮管后方的裝彈艙射出，經(jīng)過8m長的炮管內(nèi)腔，在靶板上形成均勻集中的斑點。記錄靶板上斑點出現(xiàn)的位置，并張貼醒目的標識。采用真實鳥體進行試射，并通過高速攝影記錄鳥體在靶板上的擊打位置，并與標識的位置進行對比，通過反復(fù)測試，得到不同炮管的標識點與實際擊打點的位置偏差。測量實際擊打位置點之間的相對位置，并與要求的位置進行對比，如在精度要求范圍內(nèi)，則可以認為鳥體發(fā)射準度滿足要求。如果偏差較大，則需要挪動炮管位置，并重復(fù)靶板標定與擊打測試過程，直到發(fā)射準度滿足要求。

校準結(jié)果表明，氣炮功能正常，發(fā)射系數(shù)偏差不超過0.1%，發(fā)射速度誤差不超過1%，撞擊位置中心誤差不超過2%，滿足要求，投鳥參數(shù)校準結(jié)果見表1。

2.1.4鳥彈準備

基于適航條款要求，根據(jù)發(fā)動機進口喉道面積，確定吞鳥試驗的鳥彈質(zhì)量為0.7kg。為模擬飛行中遭遇鳥撞的真實情況，采用自然鳥體進行試驗。在物種選擇上，根據(jù)中國典型機場附件區(qū)域常見鳥種質(zhì)量特征及威脅程度評估結(jié)果，質(zhì)量范圍涵蓋0.7kg質(zhì)量級的鳥種為雉雞0.455～1.21kg、獵隼0.51～1.2kg，考慮包括體重、數(shù)量等級、影響區(qū)域、集群規(guī)模、鳥撞次數(shù)、鳥撞損壞比率等9方面的鳥類群威脅程度評估結(jié)果，雉雞、獵隼威脅程度分別為中級、低級[16]，因此，選用雉雞作為試驗用鳥彈更具有代表性。由于雉雞與家雞同屬雞形目雉科，身體特性較為相近，而雉雞被列入中國林業(yè)局2000年8月1日發(fā)布的《國家保護的有益的或者由重要經(jīng)濟、科學研究價值的陸生野生動物名錄》，同時也被列入《世界自然保護聯(lián)盟瀕危物種紅色名錄》。因此，綜合上述鳥的質(zhì)量、威脅程度、身體特性以及自然保護要求等方面考慮，確定采用家雞作為試驗用鳥彈。

按照試驗鳥彈質(zhì)量要求，準備正式試驗、投鳥參數(shù)校準所需足夠數(shù)量的鳥彈。為了避免體內(nèi)多余物干擾試驗驗證結(jié)果，正式試驗前對鳥彈進行X射線檢查，驗證體內(nèi)無硬物或金屬。為了更接近真實鳥撞情況，避免窒息死亡可能帶來的鳥彈僵硬，試驗前采用酒精麻醉的方式進行處理，保證鳥彈發(fā)射時為軟體。

為了確保滿足試驗鳥的質(zhì)量要求，麻醉后進行鳥彈稱重，根據(jù)稱重結(jié)果進行剪裁或注水，并對最終稱重結(jié)果進行記錄。試驗用鳥彈如圖15所示。

2.2正式試驗

在完成所有試驗前準備工作，具備試驗條件后，開始正式的發(fā)動機吞鳥驗證試驗。試驗具體程序如下：

（1）起動發(fā)動機，經(jīng)慢車暖機并達到發(fā)動機起飛狀態(tài)，穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，在此期間，對攝像系統(tǒng)及測試系統(tǒng)等進行檢查；

（2）觸發(fā)投射裝置、高速攝像裝置，完成規(guī)定質(zhì)量的鳥彈發(fā)射，啟動高速攝像拍攝；

（3）吞鳥后繼續(xù)在試驗狀態(tài)運轉(zhuǎn)2min；

（4）按照程序規(guī)定運轉(zhuǎn)后，經(jīng)慢車冷機停車，完成試驗。

試車程序曲線如圖16所示。

投射位置如圖17所示，鳥的質(zhì)量、速度、撞擊位置參數(shù)詳見表2。鳥彈以99m/s的速度投向70%風扇葉高。

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試驗數(shù)據(jù)與分析

3.1試驗過程概況

在發(fā)動機起動后，按照試驗程序穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，并達到試驗狀態(tài)，鳥彈發(fā)射完畢，所投射鳥的質(zhì)量、投射速度、投射位置、發(fā)動機狀態(tài)等均滿足試驗要求，鳥彈發(fā)射過程如圖18所示。

從發(fā)動機表現(xiàn)來看，吞鳥后發(fā)動機在起飛狀態(tài)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)2min，各系統(tǒng)工作正常，滿足吞鳥后保持不低于75%起飛推力穩(wěn)定工作的要求；并按照預(yù)定程序在各狀態(tài)累計穩(wěn)定運轉(zhuǎn)20min后，正常停車。

3.3試驗后發(fā)動機檢查

在試驗后，對發(fā)動機結(jié)構(gòu)損傷進行檢查，對飛機引氣管路中的氣體成分進行分析。

結(jié)果表明，鳥體撞擊引起3片風扇轉(zhuǎn)子葉片葉身進氣邊變形，風扇葉片損傷區(qū)域及損傷情況如圖23所示。發(fā)動機其余結(jié)構(gòu)完好，各部件未見損傷，未發(fā)現(xiàn)危及飛行安全的結(jié)構(gòu)損壞，安裝系統(tǒng)連接可靠，反推力裝置未發(fā)生異常，飛機座艙引氣管路中的氣體成分符合要求，滿足了CCAR33.75條(g) (2)的情況。

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結(jié)論

（1）依據(jù)適航吞鳥要求，建立了大涵道比發(fā)動機吞鳥適航附加的完整性評定驗證方法，經(jīng)過試驗驗證方法有效性，制定了吞鳥適航符合性驗證技術(shù)路線，進行了中國大涵道比發(fā)動機吞鳥適航符合性驗證的探索與實踐；

（2）吞鳥試驗專用設(shè)備及試驗前安裝、調(diào)試方法，經(jīng)過實踐驗證能夠保證鳥彈按照規(guī)定速度、位置準確發(fā)射，鳥彈發(fā)射及撞擊過程完整、記錄準確，鳥炮發(fā)射氣流不會對吞鳥結(jié)果帶來干擾，均滿足吞鳥試驗要求；

（3）試驗結(jié)果表明，發(fā)動機吞鳥后工作狀態(tài)穩(wěn)定，未產(chǎn)生危害性頂事件，推力損失相比吞鳥前的約為2%，滿足了發(fā)動機吞入1只質(zhì)量為0.70kg鳥條件下的安全性與保持75%推力的工作能力的要求；

（4）數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，發(fā)動機吞鳥后轉(zhuǎn)速、高壓壓氣機進/出口壓力、推力、排氣溫度、振動、應(yīng)力等參數(shù)存在波動，隨后快速恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)，通過試驗與數(shù)據(jù)分析，首次掌握了發(fā)動機吞入0.70kg量級鳥彈后的參數(shù)變化規(guī)律。

本文研究成果為中國大涵道比渦扇發(fā)動機吞鳥適航符合性驗證方法的首次探索，在試驗參數(shù)與方法制定、臺架與配套設(shè)備準備、吞鳥專用設(shè)備準備與調(diào)試、試驗數(shù)據(jù)分析等方面進行了首次實踐，積累了寶貴的經(jīng)驗，可為后續(xù)大涵道比渦扇發(fā)動機以及其它類型航空發(fā)動機的吞鳥適航符合性驗證提供借鑒與參考。