高空模拟试验中真空度与次流作用力校准方法的发展演变
真空度与次流作用力系数测定是发动机高空推力确定的重要内容，其校准方法仍在不断发展与完善。介绍了我国真空度与次流作用力校准方法的发展过程，依据作用力系数校准时发动机是否工作和校准结果适用范围，提出了作用力系数校准方法研究的三个发展阶段，及其对应的三种校准方法——点校法、静校法和动校法。探讨了作用力系数测定方法的校准过程及其特点，可供发动机高空台试验和作用力校准研究参考与借鉴。
1、引言
确定与评估航空发动机飞行推力的最通行、最有效方法，就是在直连式高空台上进行发动机高空模拟试验，但要在高空模拟试验中准确测量并评估发动机的飞行推力仍不容易。一方面，由于发动机工作包线范围宽，同一台发动机最大状态推力在其包线范围内的变化可达10倍以上，使得高精度推力测量系统的构建难度增加；另一方面，为模拟发动机高空工作环境并测量其工作特性，高空舱内必然存在真空度和冷却气流，这将对高空台推力测量系统及其测量结果产生影响。因此，高空模拟试验中直接测量的台架推力既不是发动机总推力，也不是净推力，需修正才能得到与发动机实际工况相符的推力。发动机高空模拟试验中推力确定的重要内容之一，就是对真空度与次流作用力的校准研究。
真空度和次流作用力，分别是由于高空舱内外压差和舱内冷却空气流动对发动机推力测量系统作用而产生的力，二者随模拟高空工况及台架预载系统的差异而有所不同，其总影响在极限高空情况下可超过150 daN。因此，真空度与次流对发动机推力测量的影响及校准，是高空台建设调试与使用维护中需要研究和解决的关键问题。经过近半个世纪的探索实践，我国在真空度与次流作用影响方面形成了较为成熟可行的校准方法。从校准工况一致性和校准结果适用范围看，笔者认为作用力影响系数校准方法可分为点校法、静校法和动校法三种。本文旨在阐释这些方法的应用研究背景及我国真空度与次流作用力校准方法的发展演变情况，为发动机高空台试验和作用力校准提供参考。
2、校准方法的发展历程
2.1、点校法
点校法是点对点校准方法的简称，即对真空度与次流作用力(当时合称为台架附加阻力)校准的结果仅适用特定工况高空性能试验，其它点还得分别单独校准的方法。该方法根源于我国对高空模拟试验技术和罗·罗高空台试验研究方面的认识，是当时(从我国高空台建设伊始至上世纪80年代末90年代初)使用的真空度与次流作用力校准方法。其工作原理见图1。
图1 高空台次流作用力与真空度作用力点校法与动校法原理图
在高空台建设调试和高空模拟技术研究早期，虽认识到高空舱内外压差与冷却空气流动对台架测力系统有影响，但并不十分清楚其影响规律和差异。因此，对推力性能准确度要求较高的高空性能试验只能采取点校法，即在每个不同高度-速度性能试验前，在发动机静止和给定模拟高度及冷却气流条件下对推力秤进行偏离零位的校准，并将该校准值输入数采系统对试验的推力计算进行修正。
点校法的主要步骤为：①用杠杆系统静态校准推力测量系统；②试验前(或校准前)用杠杆系统预加载；③起动性能试验需动用的有关设备；④发动机起动并暖机后，在某一中间功率状态(一般在高压转速85%状态)运转；⑤调节调温、调压系统与次流调节系统，建立高空性能试验对应的发动机进口总压、总温和排气压力环境，稳定工作约10 min直至进气管道、稳压室达到要求的温度(即发动机进口总温)，将Pc调压系统和次流调节系统置为手动调节，其它调压系统处于自动调节状态；⑥发动机停车并慢全关Pc调压系统的管路阀门，此时发动机进口总压与高空舱内环境压力相等；⑦记录台架测量系统读数并计算与试验前预加载时读数之差(也称为推力测量系统的零位漂移)，该差值(负值)即为真空度与次流综合作用于测力系统上的力；⑧用⑦中校准结果对该高空条件下试验测得的推力进行修正，可补偿真空度与次流作用对发动机推力测量的影响。为提高发动机性能试验过程中推力测试结果精度，通常还要在该压力条件下，在预期推力测量范围内对推力测量系统进行校准，方法同步骤①、②。
2.2、静校法
静校法是静态校准方法的简称，即在发动机不工作和内部没有气流流动条件下对真空度与次流作用力(系数)进行校准的方法。从上世纪90年代初到本世纪初，基本上都只采用静校法。该方法根源于我国对高空模拟试验技术的深入研究和我国高空台与俄罗斯高空台的对比标定，是目前使用的规范方法(企标)。其工作原理见图2。
随着高空模拟技术研究的深入与发展，逐渐认识到舱内真空度与次流对发动机推力测量结果影响的作用机理不同。真空度作用力与舱内外压差呈线性关系，因而舱外压力一定时，真空度作用力表现为与高度(舱内压力)呈线性关系，因此早期称之为零位高度(作用)；而次流作用力尽管为引起次流动量损失的一部分作用力的反作用力，但其表现为与舱内次流的流速和流通面积直接相关，因此早期称之为高空舱迎风阻力。尽管二者作用机理不同，但可采用相同方法和程序校准其影响系数。
静校法的主要步骤为：①用杠杆系统静态校准推力测量系统；②试验前(或校准前)用杠杆系统预加载；③在工艺进气道上安装堵板；④起动试验需动用的供油设备、舱内冷却供气设备及相应的气源抽气设备和Pd调压系统；⑤将次流调节系统置零位(阀门全关)，调节Pd调压系统，建立不同高空高度环境并记录稳态参数，计算出真空度作用力系数；⑥在相应高度环境下，调节次流调节系统，建立不同次流流量下的高空舱内流动环境并记录稳态参数，计算出次流作用力系数；⑦调节Pd调压系统，使高空舱内恢复地面大气条件，开舱并拆除堵板，同时将真空度与次流作用力系数输入数采和性能分析系统。
2.3、动校法
动校法是动态校准方法的简称，即在发动机工作条件下对真空度与次流作用力(系数)进行校准的方法。该方法根源于某发动机全包线范围内带可移动插板的压力畸变试验需求，以及我国现有高空舱结构在安装可移动插板条件下难以实施静校法的客观现状。2012年已完成其理论分析与推导，并在积极探讨该方法的工程适应性，经过一段时间的有效性验证后，预期会对现有的规范校准方法(静校法)进行补充和拓展。其工作原理见图2。
图2 高空台次流作用力与真空度作用力静校法原理图
尽管静校法已成为真空度与次流作用力(系数)校准的通用规范，但由于堵板的装拆需要，使得工艺进气道的结构设计复杂且试验效率低。同时，尽管次流作用力不大(对SB101高空台现有1号舱试验而言，发动机空气流量120 kg/s 时一般也不到100 N，但相同次流流量在发动机静止与工作条件下的舱内流动图谱显然不同，因而需要探讨次流作用影响的动态校准方法。更为重要的是，随着发动机研制对高空模拟试验科目与内容要求的拓展，尤其是某些特定科目试验时，已有的静校法就显得乏力或非常棘手。基于此，在对真空度和次流影响及其与发动机总推力内在联系深入分析的基础上，发现并提出了不用加装堵板的动校法。该方法不从作用机理着手，而从与台架测量推力和发动机总推力的关系来分析研究真空度与次流作用力，即利用发动机在稳定工作状态下对应的发动机推力不变和真空度与次流作用力只影响台架推力测量结果的关系，就可在发动机工作过程中对其进行动态校准。
动校法的主要步骤为：①用杠杆系统静态校准推力测量系统；②高空校准试验前用杠杆系统预加载，将真空度与次流作用力系数置为0；③起动高空校准试验需动用的有关设备；④发动机起动并完成暖机，然后按程序调节调压系统并置于自动状态，建立高空校准试验条件；⑤保持发动机状态不变，改变次流流量(2～5个)，在每个状态记录稳态参数，计算出次流作用力系数；⑥保持发动机状态不变，调节调压系统改变校准试验的环境条件(1～3 次)，记录稳态参数，计算出真空度作用力系数；⑦将真空度与次流作用力系数输入性能分析模型与计算程序中，同时按程序完成高空校准试验的其它内容。对同型号发动机再次高空台试验(指发动机车台安装结构与气动布局无变化)或非性能试验而言，作用力系数的校准(步骤⑤、⑥)还可简化：保持发动机状态和次流状态不变，改变校准试验环境条件(1 次)，记录稳态参数，得到真空度作用力系数；然后改变次流状态(1～2次)，记录稳态参数，得到次流作用力系数。另外，为提高作用力系数校准精度，推荐在发动机最大连续或非加力最大状态下进行校准。
动校法不仅在发动机工作条件下对真空度与次流作用力进行系数校准，保证了高空舱内冷却空气流动特性在作用力系数校准和在发动机试验中的一致性，使得其结果更为真实、准确，而且可随时对作用力系数进行动态校验，确保台架测力系统处于良好工作状态，后者的工程意义更为显著。
3、校准方法对比
点校法和静校法是从真空度与次流作用机理着手，而动校法则从真空度与次流作用力对台架测量推力和发动机总推力的影响来分析研究。下面从校准的环境一致性、方法复杂性与约束条件、经济性、结果检验及应用现状方面探讨三者的特点(表1)。
表1 作用力系数校准方法的特点
3.1、一致性
动校法是在发动机工作条件下对作用力系数进行校准，其校准环境与工作环境完全一致。点校法和静校法在发动机静止条件下进行校准，此时由于没有发动机排气射流及其对舱内冷却空气的引射作用，使得次流在发动机喷管出口到扩压器之间的流动图谱与发动机试验过程中的完全不同，即使在舱内压力和温度一致的情况下也是如此。但由于发动机排气喷管进口下游的舱内测试、电气管线与工艺支架很少，流动图谱的差异对次流作用力的影响不大，加之次流作用力很小，因而从舱内冷却空气流动对推力测量台架的作用而言，点校法与静校法的舱内流动环境与发动机实际试验中的环境基本一致。但当Pc调压系统不具备气路关断功能或发动机进口封严篦齿环上游稳压室中存在泄漏时，点校法的校准环境与试验工作环境的差异会变大，得到的作用力差异也会变大，使得过修正发动机推力。可见，从环境一致性而言，动校法最好，静校法较好，点校法一般。
3.2、约束条件
点校法要求在对应的发动机高空性能试验前进行。首先要求发动机在高空性能试验对应的高度-速度环境下稳定运行，直至进气管道、稳压室达到求的温度(性能试验对应的发动机进口总温)，然后发动机停车并保持次流调节阀开度不变进行作用力校准，并常在该条件下用杠杆系统静态校准推力测量系统。校准结果只适用于一个特定的高度-速度试验点，其它性能试验点还得重新单独校准。该校准方法复杂，并有进气管道与稳压室达到发动机高空试验要求温度、进气调压系统有关断功能(或截止阀)、进口封严篦齿环上游稳压室中无泄漏、只能单点校准等限制条件。
静校法要求在发动机高空校准试验前完成。首先要求在发动机进口封严篦齿环上游的工艺进气道上安装堵板，然后分别校准真空度和次流作用力系数，校准完成后拆除堵板。校准结果具有通用性，一台次发动机高空台试验期间只需进行1次校准。该校准方法较复杂，并有在工艺进气道上安装堵板的限制条件。
动校法要求在发动机高空校准试验中完成。该方法在发动机工作条件下进行，只要求保持发动机工作状态不变，且可在非发动机高空校准试验中动态进行。校准结果具有通用性。该校准方法简单，可动态校验。
可见，动校法简单且无约束条件，点校法复杂且使用限制条件多，静校法介于两者之间。
3.3、经济性
点校法需要使用与发动机高空性能试验完全相同的设备，因而动用的资源多，一般为静校法和动校法的两倍，甚至更多。一个性能点对应作用力校准的时间一般在0.5～1.5 h，具体视用零位漂移测定还是用杠杆系统静校推力测量系统而定。但由于点校法的结果只适用于单一的高空性能试验点，按通常一台次高空台试验有5～8个性能试验点计算，其作用力校准时间达6.0 h 左右。且作用力校准在每个性能试验点之前相继进行，使得发动机高空不同状态点试验无法连续进行。因此，点校法动用的设备资源多、耗时长、经济性差，使得发动机高空模拟试验的经济性显著恶化。
静校法只使用抽气设备，且发动机内部没有气流通过，故使用的抽气机组数量比点校法少得多；通常在试验准备阶段安装堵板，完成作用力系数校准一般需要2.5～4.0 h(其中1.0～1.5 h 为堵板拆除与设备恢复进入发动机高空校准试验的时间)。因此，静校法动用设备少，但由于作用力校准时间较长，加之堵板需要装拆，其试验效率与经济性较差。动校法使用与发动机高空校准试验相同的设备，不过目前高空校准试验采用大气供气，因而动校法使用的抽气机组设备基本与静校法相同。因动校法在高空校准试验中结合进行，无需额外准备和措施，作用力系数校准一般只需要0.25～0.50 h即可完成。而发动机每台次高空台试验都需进行发动机高空校准试验，因而动校法动用设备少，作用力系数校准时间短，试验经济效益非常显著。
可见，动校法动用设备少且耗时短，点校法动用设备多且耗时多，静校法介于二者之间。从经济性来看，动校法最好，静校法次之，点校法最差。
3.4、实用性
点校法复杂且校准结果只适用于特定的高度-速度点，工程实用性不好。动校法简单，静校法较复杂，但两者的校准结果具有通用性，因而工程实用性好。但静校法因实施时需安装堵板，难以在试验中动态检查和校验作用力系数；点校法尽管可在试验中随时检查和校验作用力系数，但由于其方法繁琐且会导致试验效率显著下降，校准结果只适用于特定点，因而使用操作性不强；动校法易于在试验中动态检查和校验作用力系数，且校准中发动机工作状态不变，可借此对测力台架系统的工作情况进行判断，因而使用操作性好。
可见，动校法的动态校验性与工程实用性好，点校法的校验性与实用性差，静校法的工程实用性好但校验性不足。
3.5、应用现状
点校法是早期研究真空度与次流对高空台推力测量系统作用和影响的结果，并形成了较为成熟的校准方法，我国上世纪90 年代初以前就使用该方法。静校法是当前广泛使用和认同的作用力系数校准方法，并有相应的标准(企标)和规范。动校法是适应当前发动机高空台试验科目拓展与特殊试验科目要求而提出的作用力系数校准方法，有严密的理论推导和可行的测定方法，但由于发动机高空模拟试验对性能确定与评估的严肃性，及高空舱内流动的复杂性和发动机工作条件的宽泛性，动校法的工程应用还需要一定时间的实践检验和规范。可见，点校法是曾经的校准方法，静校法是当前的规范校准方法，动校法是发展中的校准方法。
真空度与次流对高空台推力测量结果的作用客观存在，不可避免。准确、高效地测定真空度与次流作用力系数，是正确确定和评估发动机高空推力性能的重要内容，也是从事高空模拟试验技术研究和参与发动机高空台试验的相关人员共同关注的技术议题。
本文介绍了我国真空度与次流作用力校准方法的发展过程，并基于当前在作用力系数校准方面的研究现状，尤其是针对特殊情况下难以采用现行作用力校准规范方法时，提出了新的作用力校准方法——动校法。对比研究表明，动校法的使用限制条件少且试验经济性好，值得深入研究和应用推广。
