[科普中国]-动力模拟试验

螺旋桨发动机飞机动力模拟试验

模拟螺旋桨动力影响的风洞试验有两个思路：

（1）直接模拟方法——流动状态的模拟。

模拟螺旋桨工作时的前进比和桨叶角，使气流流过模型螺旋桨每一个桨翼剖面的当地迎角与飞机飞行中螺旋桨各个桨翼剖面的当地迎角相等，从而使模型试验的螺旋桨周围气流的流动状态与真实飞行的情况相似，所以称为“直接模拟” 。

（2）间接模拟方法——流动效果的模拟

模拟螺旋桨工作时的拉力系数，法向力系数和扭矩系数使模型试验中，螺旋桨诱导的气流轴向加速度、法向加速度和旋转方向的加速度与真实飞行的情况相似，谓之“间接模拟” 。

现在的涡轮螺桨发动机都自动变矩螺旋桨，动力模拟试验使用“直接模拟” 比较困难。所以，大多采用间接模拟方法。

我国FL-12风洞的螺旋桨动力模拟试验采用拉力系数和前进比两个相似参数。其优点是直接模拟和间接模拟的两个主要参数都模拟了，模拟效果应该应该比较好。但是，从试验相似准则的概念来说是不完全的。2

发动机动力模拟风洞试验为了降低结构质量、提高有效载荷，现代运输机动力装置（涡扇、螺旋桨等）多采用近耦合安装形式。动力装置与机翼、挂架及尾翼之间存在非常复杂的干扰流场。现代的飞机设计发展了飞机－发动机一体化设计方法，这种设计方法对提高飞机的性能以及安全性具有重要作用。在风洞中进行飞机带动力模拟试验是开展飞机－发动机一体化设计的主要手段。为在风洞中模拟涡扇发动机，发展了引射式短舱、TPS短舱等多种模拟技术；为在风洞中模拟螺旋桨发动机，发展了空气马达驱动螺旋桨模拟技术。

这些发动机动力模拟试验技术在欧美国家得到了大力发展，并广泛应用，如“空中客车”和“波音”系列飞机在风洞中开展了大量的TPS短舱动力模拟试验，大型运输机A400M和预警机E-2系列在风洞中开展了空气马达驱动螺旋桨动力模拟试验。动力模拟风洞试验已经成为现代飞机设计中不可缺少的试验项目。我国自主研制的ARJ21飞机也在国外进行了TPS短舱动力模拟试验。为了满足我国以大飞机为代表的一系列飞机型号研制的迫切需要，急需发展和完善发动机模拟技术。中国空气动力研究与发展中心、中国航空工业空气动力研究院等单位都在积极发展和完善发动机模拟技术。

和真实发动机不同，风洞中的发动机模拟装置多采用高压空气驱动。为了驱动发动机模拟装置，需要采用专用管路传输高压空气。动力模拟技术必须要解决的难题是管路既要能输送高压空气，又对天平测力的影响较小且稳定，且同时还能克服高压空气的内力、温度效应。空气桥就是目前解决这一难题最先进的技术，是动力模拟试验技术的关键技术之一，广泛应用在TPS短舱动力模拟、引射短舱动力模拟、喷流模拟、空气马达驱动螺旋桨模拟等试验中，也可推广应用至发动机、喷管测试领域。3

高速风洞发动机进排气动力模拟试验技术对于航空喷气发动机，不论是涡喷式、涡扇式还是冲压式，其前部都配置进气道，而后部配置尾喷管。这样进气道前面的进气流和尾喷管后面的尾喷流，都会对飞行器的外部绕流产生干扰影响，从而改变飞行器的气动特性——通常称为“发动机进排气动力影响”。这种影响量，目前尚难以用理论计算方法给出精确的计算结果，主要通过风洞试验来测定。1

发动机动力模拟风洞试验技术，就是要在风洞试验中，实现其发动机进气和排气流动效应的模拟，以便测定出发动机进排气流对飞行器的气动影响量。随着目前大推力发动机被广泛采用，动力对飞行器性能的影响更显示出重要性。动力模拟试验已成为飞行器研制中必不可少的风洞试验项目。

真实发动机尾喷流一般为高温燃气，受试验设备和技术所限，目前国内外通常进行冷喷流试验，只在喷流温度影响严重或为了校准计算喷流温度修正数据时才做热喷流试验。

在风洞中开展发动机进排气模拟试验，是一个比较复杂的特种风洞试验项目，技术难度大，需用设备多。

在目前常规的无动力风洞试验中，一般在进气道前和尾喷管后加装整流锥或做成通流短舱，用来近似模拟发动机进排气处的模型绕流，但这和实际情况相差很大。从减少试验技术难度出发、可以分别开展进气和排气试验，但这样试验即麻烦，又忽略了进排气之间的相互干扰。为此，在风洞试验中，开展飞行器模型的发动机进排气同时模拟试验是非常必要的。

国外自70年代开始采用引射器和TPS试验技术，开展发动机进排气动力模拟试验，目前该项技术已经相当完善和成熟。

国内哈尔滨FL-8低速风洞自80年代开始进行发动机进排气同时模拟的试验技术研究，目前已具备完善的引射器试验技术和初步的TPS试验技术。国内高速风洞自70年代以来，一直在进行单独排气——即尾喷管试验和单独进气，即进气道试验，尚无开展发动机进排气同时模拟的试验能力。1