高空模拟试车台的类型和我国的SB101高空模拟试验台

互推小编 2023-06-05

9.6.2 高空模拟试车台的类型

高空模拟试验按模拟程度不同分为连接式、自由射流式和推进风洞式试验。相应的高空模拟试验设备也被称为连接式、自由射流式和推进风洞式高空模拟试车台。

连接式高空模拟试验是模拟飞行条件下，压气机进口截面到尾喷管排气截面整个发动机内部气动热力过程的一种试验，用于研究和鉴定发动机的高空性能、稳定性、工作可靠性以及测定发动机的畸变容限等，设备的供气量与试验发动机流量相等。

由于它将模拟飞行条件下的发动机进口空气通过与试验发动机直接连接的管道输入发动机，因此被称为“直接连接”或“连接”式。

也就是说，连接式高空台只能模拟发动机进、出口在飞行状态下的工作环境（空气压力、温度等），不能模拟进气道的流动以及发动机的外部气流流动，即不能进行模拟超声速飞行时的进气道/发动机联合试验。

图9-9、SB101高空模拟试验舱示意图

自由射流高空台则可以将进气道与发动机连接在一起进行高空模拟试验，与连接式高空台相比，其主要区别在于它的进气参数是模拟飞行状态下飞机进气道的进气参数，而不是发动机进气参数，从而可以进行进气道/发动机的相容性试验，更加真实地模拟发动机的实际工作状态。

由于考虑了进气道的外部流动，其设备供气量是试验发动机流量的2～3倍，因此大大增加了试验成本。

推进风洞式试验是将包括进气道、发动机短舱（或后机身）、发动机和尾喷管在内的整个推进系统放入闭式风洞中进行高空模拟试验，因此可以更真实地模拟飞行状态下发动机的实际工作状态，但也需要更大的试验设备和更多的试验经费。

事实上，目前世界上最大的推进风洞其试验段也只有4.88X4.88米，只能作小型飞行器（如巡航导弹）的全尺寸高空模拟试验，对于一般的战斗机或民用客机，则只能作缩尺或部分模型的试验。

因此，从经济性、实用性等方面考虑，连接式高空台是目前应用最广泛的高空模拟试验设备。

9.6.3 连接式高空模拟试车台的特点和组成

连接式高空模拟试验与自由射流式和推进风洞试验相比，优点是试验费用低、试验设备较简单、拆装发动机较方便、试验周期短等。因而，获得了广泛应用。

我国自行建造的SB101高空台是连接式高空台，于1995年通过中俄高空台对比并经国家验收投入使用。

连接式高空台模拟发动机进口截面上的进气压力与温度，排气条件则保持发动机尾喷管出口环境压力为所模拟高度的压强。

由于发动机进气压力、温度是随飞机的飞行高度、速度变化而改变的，飞机在其飞行包线中飞行时，进入发动机的空气温度最高可达180℃左右，最低低至-60℃，而进入发动机的空气压力约在0.03～2.9大气压范围内变化。

因此连接式高空台必须根据模拟的飞行条件，向试验的发动机连续不断地提供不同温度（有时是高温，有时是低温）、不同压力的空气流。

为此，需要对流入发动机的空气进行加温、降温和加压、降压的设备。其试验设备主要包括供气系统、试验舱、排气系统和其它附属设施，整个设备的工作流程见图9-11。

供气系统一般包括压气机、加温器、干燥及降温装置、混合器、相应的辅助系统和调压、调温阀门等。它向试验舱内的发动机提供符合模拟要求的温度、压力、湿度和流量的空气。

在连接式试验舱内装有被试验发动机及其附属系统。试验舱前舱保持发动机压气机截面上的气流条件，而后舱则模拟飞行高度的大气压力和温度。

排气系统一般包括排气扩压器、排气冷却器和抽气机（或引射器）及各种串、并联连接管道及阀门。其作用是保证“造成”试验舱内的高空低压。其它附属设施包括电、水和油等系统。

连接式高空模拟试车台的试验内容主要包括：

高空性能试验；推力瞬变试验；功能试验；进气畸变试验；起动和再起动；高空风车旋转试验；此外，还可完成发动机进口空气增压和加温持久试车等。

图9-10、我国SB101高空台试验舱

9.6.4 我国的SB101高空模拟试验台

我国的航空发动机高空模拟设备的建设和高空模拟试验技术的研究，起步不算太晚。早在1958年就着手进行航空涡轮发动机高空模拟试验设备的建设；

1959年曾与前苏联协作，规划建设以航空涡轮发动机高空模拟试验设备为核心的航空发动机试验基地；

1962年开始进行航空涡轮发动机高空模拟试验技术的研究工作；

1964年改建成一个工作时间为7.5～10分钟的暂冲式小型涡轮喷气发动机高空模拟试验舱；

同年正式规划并着手建设大型连续式气源的航空涡轮发动机高空模拟试验设备，简称高空台。

在当时特殊的政治环境下，1965年，选定在四川西部的秦岭山区建设我国的SB101高空台。老一辈高空台建设者不畏困难，一切从零开始，历经30年艰苦卓绝的建设，1995年，SB101高空台顺利通过国家验收，并与俄罗斯中央航空发动机研究院高空模拟设备的Ц-4Н高空试验舱进行了对比试验，其结果优于美、英、法三国高空模拟设备之间的对比试验结果，完全可以满足我国现在和将来航空涡轮发动机研制和发展的需要。

图9-11、连接式高空模拟试验设备工作原理图

SB101高空台的设备规模在世界上是继美、俄、英、法后居第五位，在亚洲目前是第一位。被称为“亚洲第一台”。

SB101高空台建成后，相继完成了多种航空发动机和部件、系统的设计定型试验、高空性能试验、高空鉴定试验、模拟高空飞行状态比对试验、进气畸变鉴定试验、飞行中使用故障分析研究与排除等模拟高空试验，并研究出一套比较成熟、实用的航空发动机高空模拟试验技术，在我国自行研制航空发动机的过程中起到了不可替代的重要作用。

可以说，现在正在服役和即将服役的绝大部分国产发动机都曾先后在SB101高空台上经受过高空模拟试验的严格考验。鉴于高空台对我国航空事业所做出的巨大贡献，该项目先后荣获国家科技进步特等奖、“九五”全国十大科技成就奖，以及其他省部级奖数十项，并接受过刘华清、林虎等国家领导人和空军高级领导的多次视察。

在SB101高空台的建设与发展中，在这个孕育科学家和设计师的肥沃土壤里，还培养了大批从事航空发动机试验与研究的高科技人才，以及我国航空发动机专业的第一位院士，成为航空发动机行业的骄傲。

SB101高空台主要包括供气系统、试验舱、排气冷却系统、抽气系统和其它附属设施，整个设备的工作流程见图9-11。

供气系统包括压气机、加温器、干燥及降温装置、混合器、相应的辅助系统和调压、调温阀门等。它向试验舱内的发动机提供符合模拟要求的温度、压力、湿度和流量的空气。

大型压气机系统见图9-12，它由14台离心式压缩机组成，最大供气量高达350千克/秒，最大供气压力达4.5个大气压。其中加温器能够把流量近70千克/秒的空气从常温加温至500℃，加温器运行一天所消耗的天然气相当于一个中小城市（44万户家庭）一天的消耗量，加温系统（冲天炉）见图9-13。

降温装置能够把流量近50千克/秒的空气从常温降至－70℃，其制冷量足够一个百万人口的城市在夏天人人享受空调。

图9-12、SB101高空台压气机系统

在SB101高空舱内装有被试验发动机及其附属系统。其试验舱示意图及实景分别见图9-9、图9-10。试验舱前舱保持发动机压气机截面上的气流条件，而后舱则模拟飞行高度的大气压力和温度。

排气系统包括排气扩压器、排气冷却器和抽气机（或引射器）及各种串、并联连接管道及阀门等。其中抽气机的最大抽气容积流量达到27000立方米/分，如此强大的抽气能力可以在3分钟内将首都体育馆的空气全部抽光，使其内部形成真空而被外界大气压力压垮。

SB101高空台还有很多其它附属设施，如电、水和油系统，以及复杂的控制系统、数据采集系统等。

高空台的压气机、降温设备、泵、阀门、风机、抽气机等许多设备都需要电力驱动，因此高空台试验时耗电量巨大，是名副其实的“电老虎”。SB101高空台总装机容量达17万千瓦，高空台试验一天的用电量相当于一个250万人口的中型城市日生活用电量。

为了缓解高空台试验时巨大的用电负荷对正常民用和工业用电的影响，高空台试验一般安排在后半夜的用电低峰进行，并且还要与当地供电部门协调，防止跳闸等意外发生。

为了冷却大量的高温设备和调节发动机进口空气湿度，高空台还需要大量的“喝水”，不仅如此，为了防止管道结垢堵塞和异物进入，高空台还得“喝”经过软化过滤处理的“纯净水”。

SB101高空台试验设备日耗水量相当于一个450万人口的大型城市日生活用水量，一般的管道输水（自来水）流量是远远不能满足其需要的。为了给高空台“解渴”，还专门在邻近高空台的一座小山上修建了一个水域面积近百亩的小型人工水库，试验时先用水泵将水抽到水库中，再通过直径超过一米的管道将水引入高空台用水设备中，其作用和原理有点类似于水塔和高层建筑顶部的水箱。

小水库的正式名称叫“高位水池”，但建设者们却另给它取了个浪漫的名字—天鹅湖。不过从这里起飞的已经不再是优雅的天鹅，而是保卫祖国神圣领空的“飞豹”和“枭龙”。

SB101高空台的主要技术性能：最大模拟高度25公里，最大模拟M数2.5，试验对象是流量为120千克/秒以下的涡喷和涡扇发动机（海平面标准静止状态）；

气源最大供气质量流量350千克/秒，最大抽气容积流量27000立方米/分；设备总安装功率17万千瓦；高空舱内径3.7米，长度22米，可测最大推力200千牛。