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。
（1）针对发动机空中起动不成功风险机务人员须在试飞试验前，做好飞机发动机的全面性能检查，对发动机进行试车，检查发动机润滑状态、润滑油是否存在金属屑等。
（2）针对此风险试飞机组采取以下三个措施进行预防和处理：1）在试飞前通过座舱练习掌握油门和点火电门的动作协调性，提高试飞员的熟练程度。2）试飞机组熟悉发动机空中起动的方法并做好相应的预案。在起动过程中的预案两个方面一是飞行试验过程中第一次空中起动失败，应该通过增加飞机的速度，提高发动机的风车转速后，再次对被试发动进行空中起动。二是发动机在空中起动过程中出现超转、超温或喘振等异常状况，试飞机组应立即终止飞行试验。3）试飞机组应做好空中起动不成功的技术准备，技术准备主要包括两个方面一是空中起动不成功后的飞机操纵，这种状态下飞机操纵的特点是飞机容易侧滑，出现侧滑时，可以通过使用方向舵调整片来消除侧滑;二是飞机单发着陆的技术准备，试飞机组在试飞前可以通过地面模拟机练习飞机单发着陆的操作方法。
（3）试飞工程人员合理设置试飞科目，提高发动机空中起动的成功率。1）试飞工程人员设置试飞科目时规定：发动机进入试验前，减少起动过程中飞机功率提取负载等如发动机负载，发动机引气等，以提高飞机空中起动的成功率，发动机起动成功后，待发动机状态稳定再进行发动机的功率提取。2）国军标要求采用发动机空中慢车状态拉停或者中间状态拉停发动机，在本项目中采用空中慢车状态拉停的方式进行试验，空中慢车状态拉停相对于从中间状态拉停有许多优点：①空中慢车状态流量与风车状态流量相差无幾，会在空中表现出，慢车拉停状态，此时发动机进口部位的各项参数基本不变，可顺利完成再点火，提高实验状态点的达成效率;②发动机从中间状态拉停，由于惯性作用转速下降慢，而从空中慢车状态拉停短时间即可降至风车启动转速，更有利于试验成功;③发动机处于中间状态时，燃烧室火焰筒壁温度高冷却时间较长，空中慢车拉停，在较短时间内便可达到试验状态点，节约试验时间;④多发飞机的拉停一侧发动机后，发动机的推力衰减时间越短，飞机的侧滑角和偏航角速度变化就越剧烈。当发动机推力瞬时减小到最小时，此时，侧滑角就会最大，而达到最大侧滑角所用的时间也最短。发动机空中慢车状态拉停，飞机侧滑较小，有利于控制飞机姿态。
飞机发动机空中起动试验的风险较大，试飞前应做好风险分析并制定相应的风险措施，保障飞行试验的安全。因此在开展飞机试验时，试飞工程人员可根据飞机的飞行品质要求与标准规范，合理安排试验次序，降低飞机风险试飞架次，可提升试飞试验安全性与试飞效益。
3 发动机风车起动试飞操作程序
在本试飞项目中采取发动机风车起动试飞操作程序如下：（1）飞机状态和限制条件：飞机的重量及重心在正常范围：选择的高度、速度点应在给定的起动包线范围内;（2）气象条件：双发飞机空中起动科目能见度不小于3km;（3）环境要求：试验气压高度6000m，在本场空域内执行;（4）试飞方法：被试发动机油门调整至空中慢车状态，保持好飞机状态;关闭被试发动机的功率提取，将被试发动机油门杆拉至停车状态;将被发动机在停车状态平飞2min或更长时间，使发动机达到风车状态;通过增大飞行速度改变高压压气机转子自转转速，风车状态下的转速不应低于14%：油门杆放空中慢车位置，按下空中起动电门，发动机在不超过120s内自动进入空中慢车状态，慢车状态稳定工作1min后，根据飞机状态调整被试发动机油门杆位置，恢复被试发动机的功率提取。
4 结语
在本项目中进行了3个架次飞行验证，该型发动机在气压高度6000m，风车转不小于14%状态下，被试发动机空中起动均一次成功，且发动机并未表现出超转、超温或喘振等异常状况，验证表明飞机的发动机空中起动性能优异，飞机制造的质量可靠，可以确保飞行安全。飞机交付用户后，降低使用过程中的风险。
参考文献
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