[科普中国]-空中起动边界

必要性

发动机空中停车使飞机失去或部分失去动力，对飞行安全构成严重威胁，所以将空中停车率作为衡量可靠性的重要指标。空中停车率定义为：每飞行1000h，发动机空中停车的次数。这项指标虽然已从最初的每1000飞行小时1次，降低到大约每106 h一次，但航空燃气涡轮发动机是一个工作条件苛刻、结构复杂的产品，由于设计、工艺，使用维护、工作条件等原因，空中停车仍然难以避免。为了飞行安全，发动机必须有停车后可靠地起动的能力。与地面启动机带动的起动相比，空中起动的难点在于发动机在风车状态下，进入燃烧室的空气流速高，压力、温度低．使燃油点燃和稳定燃烧十分困难。发动机从设计开始，就要对燃烧室的点火可靠性加以考虑，并在后续的部件和整机试验中加以调整、验证。一般要求发动机在空中起动时，60 S内应达到慢车转运。2

分类燃烧室熄火后，发动机进入风车工作状态。在风车状态下起动发动机不是在任何飞行条件下都可以成功的。右图所示为发动机完全冷却后空中可以起动的高度和飞行速度边界(起动包线)。从图上看出，启动可分成两种情况：①风车状态下起动和②起动机辅助起动。2

高度边界高度越高，燃烧室进口空气的压力和温度越低．燃烧室难以点燃，在右图上示出发动机可以起动的高度边界。这个高度一般为8000～9000m。2

速度边界图上右边界是发动机风车状态起动的最大速度边界。飞行速度过高，燃烧室进口气流速度过大，燃油与空气的混合气体难以点燃，即或点燃，火焰也难以稳定，发动机无法起动。与此情况相反，飞行速度过低，风车转速太低，如供油量低则有可能出现涡轮输出功不足，致使起动过程中出现转速悬挂，起动失败。如加大供油量又可能出现涡轮前温度太高或高压压气机失速。所以飞行速度过低时，发动机无法在风车状态下起动。这就是风车状态下起动的最小速度边界。在飞行速度低于此边界后，发动机起动需要起动机辅助用以提高发动机的起动转速，和起动加速能力。靠起动机辅助能以可靠起动的飞行速度也有下限。飞行速度低于下限则发动机转速过低，或则燃油泵压出的燃油压力过低，燃油无法雾化，难以被点燃，或则和风车状态在低飞行速度边界起动一样，发动机起动过程中出现转速悬挂，涡轮前温度过高以及高压压气机失速等问题。

点火边界由于起动成功的必要条件是燃烧室能可靠点火，因而一般是在燃烧室空中再点火试验器上通过点火实验确定空中起动点火边界。但因此时无法准确地给出发动机的风车特性，因而得到的结果仅是个近似值，最终还需通过高空台试验和试飞来确定。1

发动机空中起动是个复杂的过程，需要作专门的部件和整机的模拟试验和飞行试验加以检验验证。经验证后的空中起动边界将不会像右那样简单。图中所示的空中起动边界是指完全冷却的发动机的起动边界。刚刚停车还没有完全冷却的热发动机比较容易起动。为了飞行安全，在飞行中，一旦出现发动机熄火停车，如不是发动机本身故障原因造成的，可以将油门放到慢车位置立即启动。这种起动是由燃油控制系统自动完成的，称之为自动启动。发动机熄火，燃油控制系统感受到高压转子转速已降至慢车转速以下或转速与排气温度在非控制状态下迅速下降时，自动接通点火系统，进入起动状态。这种起动，由于发动机仍处于热状态，成功率非常高。2