【长知识】国产航母下水，那舰载飞机对动力装置有什么特殊要求
导读：近日，我国第一艘国产航母下水，那航母上舰载飞机对航空发动机的要求又有什么不同，本文将从所处环境的特殊性出发, 按固定翼和旋翼机的不同特点, 分析和论证了它们对动力装置的特殊要求。文中重点从动力装置性能、结构强度、起动和外界环境等四个方面, 论述了15项特殊要求；指出了其重要性和必要性;并提示了实现这些要求应采取的某些技术措施。
由于舰载飞机在起飞、着舰、作战使用和外界环境及停放和维护等方面与陆基飞机有很大不同，所以对其装配的动力装置就有许多特殊要求。这些要求概括起来就是:“一高”、“二降”、“三抗”、“四防”、“五性”等15项要求。
“一高”，就是固定翼舰载机发动机比同量级陆基飞机发动机要有更髙的推力，一般要高12%〜19%；而旋翼机的动力装置要有高的功率裕度,一般为12%〜18%。
“二降”，是指降低耗油率和噪声。
“三抗”，是指抗畸变、抗过载和抗贫油。
“四防”，是指防盐雾、防湿热、防霉菌和防烟薰。
“五性”，是指发动机要满足作战适用性、可靠性、维护性、耐久性和着舰复飞加速性等要求。
1.固定翼舰载机发动机特殊要求分析
1.1发动机性能的特殊要求分析
1)防喘
在舰载飞机弹射起飞时，在发动机进气道靠近弹射滑轨的情况下，发动机会吸入弹射器泄露的过热蒸汽。发动机吸人蒸汽后，进口平均温度上升使压气机换算转速下降，如图1所示，发动机工作点将从A点沿压气机一涡轮共同工作线移至B点。
图1 蒸汽吸入对压气机综合特性的影响
由于压气机压缩高于平均温度的气体，在压比基本不变情况下换算转速将进一步降低，故工作点由B移向C点，使喘振裕度大大降低。如果吸入蒸汽造成的温升很大，C点将进人失速线左侧，发动机将进人喘振(美国的试验证明，温升率达到1371°C/秒就将引起喘振)。蒸汽与空气混合使气体特性发生变化，气体常数R升高、比热比r降低,会使上述现象加剧。
其次，当舰载机着舰时，舰尾的“公鸡尾”气流和来自舰右舷的侧风及航母高速航行舰桥后部紊流将造成进气压力畸变，导致喘振裕度降低和喘振。或者因这种进气畸变引起旋转失速而导致喘振。在此尤应指出的是：当空间温度畸变与温升率组合的组合温度畸变以及压力和温度的组合畸变，当这两种组合畸变各自都处于叠加状态时，喘振最易爆发。这是舰载机发动机的特殊之处。
基于上述分析，对舰载机发动机除应提出高喘振裕度要求外，尚可采取下述措施防喘和消喘：
进气机匣处理：用以扩大进口级的喘振裕度；
转子机匣处理：用于转子叶尖为临界失速区的转子，例如吸人过热蒸汽造成叶尖首先进入失速的转子；
采用感测喘振征兆自动消喘闭环控制系统：该系统是在外扰作用下能寻求和实现发动机气动稳定裕度最大的最优控制系统。当发动机发生喘振时，该系统能快速消喘并能在恢复时对动力装置和飞机状态产生最小的影响。该系统的调节中介可以是压气机可调静子叶片的角度，也可以是发动机供油量(一般应采取脉冲切油防喘，切油规律应保证既使发动机退出喘振，又对其性能影响最小、恢复过程最快)和喷口面积。在此系统中还应包括空中起动系统，工作时应指令空中起动系统连续工作8秒。
采用喘振主动抑制技术：它感测喘振的前期征兆，根据扰动的强度和频率，利用位置控制机构快速作用于与压气机通道相连的容腔来抑制和消除喘振。这种控制方法对发动机工作状态的影响甚小，因此最适合用于舰载机发动机。
2)推力响应快
所谓推力响应快是指发动机的推力随油门杆角度变化的变化速率大。这是保证舰载机着舰失败后能迅速加大油门复飞的首要条件。
推力响应快则必须油门操纵无限制，即从正常进场的油门状态可迅速推到最大油门状态，发动机不出现超温、超转和喘振。为此发动机必须有足够的喘振裕度，以便选择推力响应快的加速途径。由图2可知，正常运行线与加速线之间的面积越大，加速时间越短，推力响应越快。
图2 在压气机特性线图上加速途径
推力响应快还要求发动机转子要轻、惯性要小；压气机、涡轮效率要高；燃烧稳定、延迟时间要短；加力接通要快。
此外，还要求加速过程实现最优控制，控制精度要高，系统时间常数要小。
目前推力响应的指标可参照美国的规定确定，即：在环境温度为32°C时，发动机从正常进场状态加速到最大推力状态所需时间不大于2.5s，以保证飞机纵向加速度达到2.2m/s2(约0.25g)。
另外，加力接通时间可参照MIG-29K的发动机PD-33K的要求，从最大到接通加力不超过1.5s。
3)起飞推力高并应有应急功率状态
由于舰载机过载大，飞机外形多变化(降翼载、多増升措施、机翼折叠等)和增设着陆钩、海上降落防沉装置及通讯、导航、飞行控制等多种机载设备，而使飞机增重；由于增升装置等需要，应从发动机大量引气；以及由于对发动机的一些特殊要求，发动机的推力必须比同量级及陆基飞机动力装置有所增加，一般增加12%〜19%。
另外，为适应着舰失败复飞的需要，发动机应设应急功率状态，即在极短时间内(如10s)，发动机可以使用发出的最大应急推力或功率(比起飞推力或功率约高7%)。
4)巡航耗油率低
为使舰载机能向海上延伸必要的活动半径，并执行预定空域的战斗巡逻，必须有较远的航程、较长的留空时间和较大的活动半径。
欲使航程和留空时间增长，在飞机飞行速度、升阻比和总质量不变的前提下，必须降低安装耗油率SFCa，即降低发动机巡航耗油率。
另外，由于舰载机可能经常要活动在平均气温较高的海域，因此发动机进口温度升高，从而耗油率增高。因此更要求发动机设计耗油率进一步降低，以弥补海洋湿热造成的损失。
5)飞机推进系统一体化最优控制
为保证舰载机正确的飞行姿态、轨迹、速度、高度及为保证其返舰时有正确的垂直、横向位置、俯仰与滚转姿态以及下滑角度和空速，同时为保证发动机有最佳性能，发动机必须具有多变量、多回路、多余度综合最优控制系统。它包括进气道，尾喷口，发动机转速、加速、加力、防旋转失速和防喘及自动功率补偿等控制子系统。它应能与飞机自动控制计算机联网，实现进排气系统/发动机和飞机/发动机，即飞机/推进系统最优匹配自动控制。这就要求发动机必须采用数字电子控制装置。
1.2发动机结构强度特殊要求分析
1)高可靠性
由于舰载机发动机比陆基飞机发动机使用条件苛刻，所以更加强调要有高的可靠性。对其具体要求分析如下：
•可承受大的纵向过载：舰载机发动机在弹射起飞时将承受9g的向后过载，着舰时向前过载又大于10g。在如此大的过载下，发动机的主轴承、安装节、加力燃烧室安装结构、进气道、尾喷管与发动机的连体结构，均应在规定的参照期(平均故障间隔时间)内不出现故障。
为此，在发动机推力轴承和安装节设计中，必须保证能承受上述过载造成的叠加最大工作载荷，并留有足够的可靠余度。对进气道、喷管与发动机的连接处，应在设计时考虑上述过载引起的轴向载荷，保证有较低的失败概率。加力燃烧室筒体与发动机的连接结构应能承受上述过载造成的更大的轴向载荷而不失效。
对于国内发动机而言，由于主机和加力筒体的连接都采用快卸环结构，所以能很好地防止热膨胀和飞机在Y方向大过载情况下引起的变形。但由于上述大的轴向交变过载，会使快卸环这种“热迷宫”结构产生滑动和撞击，以致其配合处磨损变形、泄露。这是造成全机烧毁事故的一大隐患。所以这种结构应该更改为惯用的螺栓连接结构，以保证承受大的轴向过载。
•抗大的横向过载和着舰冲击载荷：舰载机最大横向过载为：弹射起飞时,向下的过载为5.5g；着舰时，向下过载高达10g以上mm。另外，飞机着舰时，下沉速度高达6m/s,加上着舰甲板短，母舰颠簸、晃动，难于控制飞机的着舰姿态，将承受很大的冲击载荷。
横向大过载和冲击载荷主要影响推进系统各主要安装边(包括进气道、尾喷口、加力筒体及发动机各机匣等的安装边)处的最大剪力载荷；发动机外部结构轮廓与发动机舱之间的工作间隙；各部位机匣的变形;安装节的最大载荷等。在考虑横向最大载荷情况下，上述各结构件和部位应有足够的可靠度。
•有足够的包容性：当舰载机弹射起飞致使发动机吸人过热蒸汽时，或当着舰失败复飞、发动机需迅速推到应急功率状态时，风扇、压气机或涡轮叶片的叶身与榫头转接部位可能断裂。因此，发动机必须完全包容，不允许任何一个破损的零件飞出。这种绝对的包容性，对舰载机发动机之所以尤为重要是因为舰载机的起降空间狭小，机群密集，一旦出事后果极其严重。此外，为保护昂贵的母舰免受破坏，也要求发动机必须有足够的包容性。
2)髙耐久性
按耐久性的定义，舰载机发动机的特殊要求在于强调抗裂纹生成(腐蚀引起的裂纹)、抗腐蚀和恶化的能力。
由于海上的盐雾、湿热和霉菌的易于滋生，再加上航母上烟筒冒出的油烟的影响，舰载机发动机的金厲机件会严重腐蚀而导致裂纹生成。因此，一方面要求发动机要有特殊的四防措施；另一方面还要求发动机具有抗腐蚀引起裂纹的能力。
另外，由于作战海域多是较高气温的工作环境，尤其当舰载机起飞时，发动机是在典型的性能恶化速率的温度条件下工作，所以要求热端部件仍应按达到正常工作条件下的设计寿命进行设计，以确保发动机有较高的耐久性。
3)良好的可维护性
由于舰载机在库内或飞行甲板上维护时空间狭小、照明不足及为保证随时有足够数量的飞机升空作战而必须尽量缩短维护时间，加之飞机在甲板上有高达3°的纵、横摇运动，并伴随有0.06g的横向加速度以及高达40节(74km/h)的风速,所以对舰载机发动机的维护性应有如下更高的要求:
在发动机重要部位设置孔探仪检测孔，特别是对热端部分，要求发动机不分解即可全面检査热端部件；
发动机应采用单元体设计，以便于更换发动机主要部件。一些重要零件应能机上更换；
应最大限度地减少发动机的零件数，提高其耐久性；
发动机附件及装在发动机上的飞机附件应配置在发动机下方；要求经常维护、检查、调整或频繁更换的发动机零件应具有良好的可达性，不需拆卸其它零件、部件，也不需将发动机分解便可维护、检查、调整或更换；
各种电器接头应设防错装置，以保证正确无误地快速检修和连接；
外部锁紧一律取消锁丝，以减少维修时间和不可达性；
采用状态监控和视情维修，状态监控是实行视情维修必不可少的工具，二者都是一种以可靠性为中心的维修分析之维修方式。目前，国外许多舰载机发动机都成功地采用了状态监控系统;
维修工具应最大限度地标准化，并适当配备必要的专用维修工具；
发动机在飞机上的安装应采用上下左右的拆装方式，而不是通常陆基飞机沿轴向拖出拖进的拆装方式。
1.3起动方面的特殊要求分析
由于母舰上无高压空气源，所以现代涡喷、涡扇发动机多采用空气涡轮起动机进行地面起动。因此,要求另外备有机上独立起动装置，如燃气涡轮起动机。当然燃气涡轮起动机还作为飞机的辅助动力装置。
由于舰载机所处海域大气温度较高，为使发动机地面和空中起动时间不致过度增长,要求起动机性能提高，即起动扭矩加大或起动扭矩特性随大气温度的变化要小。
由于舰载机在待飞状态是处在甲板风风向和风速经常变化情况下，所以要求发动机应能在有较大角度(风向与发动机轴线夹角)和较大速度的侧风时顺利起动。
2 旋翼舰载机对动力装置特殊要求分析
旋翼舰载机与固定翼舰载机虽处同一使用环境和条件下，但在起飞和着舰方式上截然不同。因此，它们在对动力装置的要求上，除了有相同处之外，还有不同的特殊要求。
2.1承受大的横向冲击载荷
当旋翼.机着舰时，由于舰区气流环境的影响使飞机下沉速度增大；又由于浪涌、摆动、起伏、滚转、俯仰和偏航等甲板运动，导致对旋翼机大的横向冲击载荷。
由于旋翼机采用的中、小型涡轴发动机流道高度小.转、静子间相对径向间隙过大，压气机和涡轮效率降低，压气机喘振裕度减小，因此要尽量减小转、静子间绝对径向间隙。这一特点以及涡轴发动机的高转速，要求旋翼舰载机发动机必须能抗受这种大的横向冲击载荷，以免导致转、静子相碰造成发动机毁坏。
为此，需在结构上采取如下措施：
采用叶片和盘一体化的压气机转子；
采用双层壁压气机和涡轮机匣，外层机匣承力，内层构成气体流路；
在静子机匣内壁涂软的可磨涂层；
在转子内腔和对应的双层机匣腔通人一股空气，以减少整个工作范围内温差引起的径向间隙的变化；
缩短转子长度。
2.2要求有更严格的多功率状态
旋翼舰载机要求发动机具有更严格的多功率状态，以便适应旋翼机不同飞行状态的要求。多功率状态应包括:
最大应急功率状态：发动机能在规定的较短时间(如2.5min，累积30min)持续工作。此状态适用于一台发动机停车时，另一台可用此状态工作，以使旋翼机保持飞行并使停车发动机重新起动,保证顺利着舰。一般比最大连续功率高16%〜20%。
最大功率(起飞功率)状态：发动机能在规定时间内(一般为5〜lOmin额定值)持续工作。为保证在舰上顺利起飞，要求比陆基飞机发动机功率要高12%〜18%。一般比最大连续状态功率要高11%〜14%。
中间功率（或称中等应急功率）状态：发动机至少能持续工作30min。此功率状态适用于快速爬升、做升限飞行、取得最大平飞速度或做大过载机动飞行等，即适应作战适用性的需要。
最大连续功率状态：发动机能长时间持续工作。适用于快速巡航、爬升或其它机动飞行。
3 舰载机动力装置“四防”要求分析
3.1 舰载机使用环境分析及“四防”的重要性
舰载机长期在海洋环境下使用，所以必须弄清海洋环境的特点以及对飞机发动机的影响和危害。
海洋大气最显著的特点是潮湿，一般相对湿度大于70%以上。除北冰洋等个别海域外，大部分海洋处于温带、亚热带和热带，如我国海域就处于温带和亚热带，温度一般在30°C以上(个别达40°C。一年中，高温高湿同时出现时间长(平均100天以上)。
上述海洋大气条件是各种霉菌滋生的良好环境。霉菌适应生长的湿度为大于70%(在相对湿度为90%〜100%时，生长速度最大)，温度为24〜31°C。
此外，海上海浪溉起的水沫在海风撕裂下，会形成盐雾，而且这种盐雾含盐量很高，如我国北海、东海、南海的盐雾含盐量分别高达84.1，33，99mg/m3。
上述恶劣环境对发动机可靠性影响和危害极大，不仅会损坏金属和非金属机件，而且更严重的是导致大量采用电子装置的故障。据统计，机载电子设备在使用中发生的故障，有52%是因上述原因引起的。国内，机载电子设备因受潮而引起的故障占80%，因霉菌造成的故障占10%～15%。
当然，对舰载机而言，还要受到母舰烟筒冒出的油烟的侵害。所以舰载机发动机必须要求做到“四防”。
3.2 盐雾、湿热、霉菌和烟气对发动机可靠性影响的机理分析
首先是盐雾，它长期作用于发动机的金属材料，将引起电化学腐蚀和酸碱溶液腐蚀，并会加速机件的应力腐蚀。同时，盐的沉积会使机件活动部分阻塞或卡死，使电子器件形成额外的导电层。
其次，湿热会使非金属材料体积膨胀、组织疏松、强度降低，甚至起泡、破裂和老化;会引起金属材料氧化、腐蚀;会使电子器件绝缘电阻降低、介电损耗加大、电容增加、介电强度降低，从而导致整个电子装置故障。
另外，霉菌不仅会对一些材料分解而导致机件直接破坏，而且其代谢产物会使金属腐蚀、塑料和其它材料发暗或剥蚀，甚至还会导致损害电器或电子装置，降低绝缘电阻、介电强度，影响电器性能，加上霉菌本身含有大量水分，会间接导致金属、非金属材料及电子器件受潮而损坏。
再者，舰上的烟筒冒出的烟气随潮湿的盐雾一起，更会加剧对发动机机件的腐蚀。
3.3“四防”的要求与措施
1)弄清湿热、盐雾、霉菌和烟气腐蚀的机理，参照《航空产品腐蚀及其控制手册》，对发动机零件进行恰当的“四防”设计。
2)通过故障模式和影响的分析，弄清四者对发动机可靠性和安全性的影响程度，确定可靠性关键件和重要件，找出薄弱环节，并采取有效的防护措施。
3)精心进行金属零件表面防护处理，努力避免或减轻双金属接触腐蚀。
4)为减缓吸湿和老化过程，对复合材料制件应设计有效的防护涂层，并要严格控制复合材料的制造质量。
5)设计时应注意防止非金属材料对金属造成气氛腐蚀或接触腐蚀。
6)设计必要的淡水和药液冲洗机构，以便定期对发动机实施冲洗。
7)应设置在定期维护时能方便地检查发动机关键零部件被腐蚀情况的检查装置，以便及时采取维修措施，使腐蚀影响减到最低程度。
8)电子设备应采用密封组件、固封元件及涂覆零件等办法防止腐蚀介质接触材料的表面。继电器、接触器、开关、按钮等器件均应选择密封式器件。
9)尽量不采用易腐蚀的金属构件，如镁合金和铝合金件。如要采用则必须严格进行防腐等保护处理。
4 降低动力装置噪声的特殊要求分析
与陆基飞机相比，舰载机在实际使用中存在下述三方面的特殊性：
甲板上来自舰右舷的侧风和航母高速航行时舰桥后部形成的涡流以及舰运动(包括纵摇、横摇、浪涌等运动)所造成的极不均匀的流场；
舰载机机群密集且飞行甲板附近有许多舰载机用和舰用重要仪器设备；
航母活动空间小，各类人员等过分密集。
由于第一个特殊性，导致发动机前端部件，如风扇等的噪声频谱改变，声压级提高，因此总的噪声级提高。这种高的噪声污染将严重危害舰上活动着的各类人员，甚至将影响战斗力。为此，必须经过精心计算确定舰载机及其发动机的噪声级并将算得的舰载机总噪声级与允许的89〜93EPN dB(有效感觉噪声分贝）相比较，如超出则必须采取措施降低噪声。
另外，由于噪声场高频声压的作用，会使处于该噪声场的飞机、发动机结构和舰上的各种设备发生疲劳开裂，即所谓声疲劳。因此，为防止声疲劳造成的破坏，应尽量设法降低发动机噪声。
结束语
舰载飞机自问世以来，技术上经历了螺桨舰载机、喷气式舰载机、综合舰载机群和常规舰载飞机/垂直短矩起落舰载飞机并存等四个发展阶段，战术和技术性能日臻完善。
目前世界上已经有美、俄罗斯、英、法、意、印度、西班牙、阿根廷和巴西9个国家拥有总计30余艘航空母舰，1000架以上舰载战斗机、750余架舰载攻击机、130余架固定翼舰载预警机和170余架固定翼舰载反潜机，几乎构成了对全球海洋的威胁。
面对上述情况，我国要自立、自强于世界，不仅要有强大的陆军和强大的空军，而且必须发展强大的海军。我国海域从南到北约有300万平方公里(约占陆地面积的1/3)，其中被侵占面积有70万平方公里，有争议面积约110万平方公里。要实现经略海洋的使命，必须有以航空母舰为核心的海上舰队和制海空的机群。因此，发展舰载机势在必行，只是有个时机问题。
要发展舰载机，首先必须发展舰载机发动机，即所谓动力要先行。要发展舰载机发动机。就必须弄清这种发动机的特点，了解其特殊的要求，掌握它的技术难点之所在,熟悉国外这类机种技术发展的水平、现状和发展趋势。为此，本文从这些方面进行了探索，展开了初步分析，概括出了15个方面的特殊要求，并相应提出了实现特殊要求的技术措施，可为研制这类发动机提供借鉴。
(作者：田宝林 沈阳航空发动机研究所)
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来源：《航空发动机》第3期，原标题为：舰载飞机对动力装置特殊要求的分析(下)，有部分删节。
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