摘要：近些年，我国的科技水平不断进步，目前，高性能、高可靠性是现代航空发动机型号研制的主要目标，为确认发动机可靠性水平，需要在设计、制造、使用全过程中策划并开展各种不同的可靠性试验。本文针对航空发动机研制阶段的验证性试验，介绍了整机性能试验、振动试验、强度验证与考核试验、疲劳寿命试验和环境试验等整机可靠性试验方法。
关键词：航空；发动机；试验验证；体系建设
引言
作为贯穿航空发动机全生命周期的关键技术之一，试验与测试技术是发动机发展过程中不可或缺的环节，所以航空发动机试验条件建设备受重视。以美国为例，美国空军阿诺德工程发展中心（AEDC）常年悬挂着“今天的试验是为了明天的飞行”的标语。美国在20世纪90年代投入使用的高空模拟试验设备前后花费的资金高达6.25亿美元，是当时世界上最昂贵的单项航空发动机试验设备，而这只是其试验条件建设投入的冰山一角。
1政府主导完成试验验证体系建设
在喷气发动机快速发展的20世纪60—70年代，时任英国首相哈罗德·威尔逊亲自参加了NGTE第四座高空台（Cell4）的竣工仪式。在他看来，现代化的英国要在白热化的科技创新中铸就，而航空发动机将在这场技术革命中扮演至关重要的角。
归纳起来，航空发动机技术研究和试验验证体系，无一例外都是在国家战略的引领和政府、企业资金的长期支持下完成构建，历经80多年的发展，形成政府机构（包括军方研究机构）、发动机骨干企业、院校3级组织架构，覆盖基础和预先研究、应用研究、产品研发、状态鉴定或者适航取证、外场综合保障全过程。
进入20世纪90年代，由于冷战结束后军备竞赛减速及经济全球化的影响，各国政府不再大规模集中投入发动机试验验证设施建设，但仍安排专项计划统筹支持设备翻新和技术升级，如美国国家航空航天局（NASA）的航空试验计划（ATP）支持喷气推进实验室（JPL）改造了可模拟高空冰晶的结冰试验器；美国空军阿诺德工程发展中心（AEDC）扩建了世界上最大的高空试验台。欧美还成立各类委员会协调不同部门和不同国家之间的试验设施，统一标准、补充完善试验验证体系，并推动地方政府以增加就业机会的名义资助
各大公司的关键设备设施建设。
2航空发动机试验验证体系建设发动机型号
2.1整机振动试验
整机振动问题是新发动机研制过程中的难点之一，通过对整机振动进行有效测试，从而建立故障模式和识别系统，有利于降低发动机的整机振动水平并排除振动故障。整机振动试验的目的是掌握整机的振动特性，包括频率、振动模态、振动响应、转子临界转速等，可划分为整机振动监控值的测定试验、整机振动监测试验、主要零部件振动应力水平的整机监测试验等。
整机振动试验主要测量压气机、涡轮、附件传动机匣外部的振动位移、速度和加速度，并在轴承部位测量轴承载荷及转子振动加速度、位移等基本参数，还测量转子支承系统以及机匣等构件的固有频率、转子临界转速、振型、刚度、阻尼等模态参数。典型的整机振动测试系统包括传感器、信号调节器、测振仪和动态采集系统，振动结果分析方法主要有时域分析、时频分析、小波分析和频域分析等
2.2基于数字孪生的试验
试验阶段的物理模型包含试验对象（整机、零部件）和试验环境，其数字孪生模型则是虚拟的试验对象与环境，在设计/制造数字孪生的基础上扩充试验设备、试验环境的模拟，以及基于海量历史数据构建的分析模型等。
在进入实际试验之前，利用试验阶段的数字孪生模型，一方面可以进行试验方案的评估与优化，缩短试验台的建设周期，降低建设经费；另一方面，可以进行大量的虚拟地面试验和高空台试验，预测发动机的功能、性能表现，预测可能出现的故障，评估发动机的可靠性，如平均故障间隔时间、平均维修间隔时间、可靠度等，为设计和制造工艺的优化提供有价值的信息。
在实际试验过程中，通过将采集的试验数据（温度、压力、应力、振动等）和外部数据（环境温度、湿度、压力等）进行分析，通过与数字孪生的预测结果比较，修正发动机模型、环境模型和设备模型，不断提高数字孪生的预测精度，实现基于数字孪生的高精度预测
2.3面向成本的设计、试验对基础设施建设提出了新的要求
随着航空业进入激烈的市场竞争状态，主要发动机制造商的产品研发理念从单纯追求技术卓越朝着面向成本的设计和试验转变。以结冰试验为例，过去主要在高空台上进行，为了营造低温、结冰的环境，要配备庞大的设备、消耗惊人的能源才能满足试验对供气、制冷、干燥等能力的要求。据介绍，为完成这样一次适航试验将花费千万美元。昂贵的成本迫使发动机制造商另辟蹊径，不约而同地在临近北极的加拿大曼尼托巴省建设专用的结冰试验台，以充分利用当地极端气候和政府优惠条件来节省试验成本。
长期以来，发动机制造商将退役飞机改造为自主飞行试验平台，也是为了降低发动机特别是大涵道比发动机高空台试验成本。常见的流程是：在高空台上进行充分的核心机试验，在地面室内台和露天台完成整机试验并进行比对，最后上高空台、飞行台进行考核试验，这样可以节省设备和试验费用。当然，随着测控技术和改装技术的提高，在波音747改装的飞行台上可以测试比地面台更多的参数，而且可以在装机条件和真实飞行环境下提前考核发动机的工作稳定性和可靠性，以及瞬态、过渡态等极限工况，切实加快发动机的研制进度。
2.4高、低温起动试验
大气温度的变化会极大地影响发动机的起动性能，主要原因为：①会引起空气密度变化，造成发动机进气流量变化，在供油量不变的情况下，改变燃烧室的余气系数，影响点火和起动性能；②会引起燃油密度变化，在燃油调节规律不变时燃油质量发生变化，造成涡轮做功减少或增大，发动机会出现冷悬挂或热悬挂并导致起动失败；③会引起滑油粘度变化，影响滑油润滑效果，造成起动过程转子阻力增加，影响起动性能。为了确保新研制的发动机具备高、低温起动的能力，必须进行高、低温起动试验。国军标GJB241规定，发动机在海平面热天地面浸润温度或海平面冷天最低温度中至少保温10h，然后在海平面热天最高温度或海平面冷天最低温度的燃油和进口空气条件下，起动发动机并加速到中间状态，若发动机在起动和工作极限范围内连续两次加速到中间状态，则表明高、低温起动试验成功。因高空模拟试车台有冷冻、干燥和膨胀涡轮等降温设备，也有空气加温设备，完全满足国军标GJB241中高温或低温保温的要求，目前高、低温起动试验均在高空模拟试车台上进行。
结语
建设完备的世界一流航空发动机试验验证体系是确保我国航空工业取得决定性竞争优势的
关键要素，是实现国防和军队现代化不可或缺的重要组成部分，也是未来节能减排、实现碳中和目标的重要抓手。深入分析研究世界航空发动机试验验证体系建设的历史和未来方向，将有力促进我国航空发动机试验验证体系建设沿着正确的轨道迈向新征程。
参考文献
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