第1章概述
　　1.1航空发动机室内整机试验概述
　　自20世纪30年代以来，航空发动机技术的发展日新月异，取得了巨大进步，并呈现出继续加速发展的态势。以涡轮喷气式发动机技术为主线，战斗机的发动机发展了五代，推重比从2提高到11以上；军用和民用大涵道比涡扇发动机朝着高可靠性、高安全性、更经济、更清洁的方向发展；涡桨发动机性能、可靠性持续提高，耗油率持续降低，单位空气流量产生的功率由180kW/（kg/s）提高到270kW/（kg/s），耗油率由0.41kg/（kW h）下降至0.21kg/（kW h）；高超声速飞行器动力和非传统新型发动机也在研究开发之中；利用航空发动机技术改型发展的舰船用燃气轮机和作为地面动力设施的燃气轮机得到了广泛应用。航空动力已形成军机、民机、燃机三足鼎立的格局，成为国防武器装备建设和国民经济发展的重要支柱和高科技战略性产业。
　　由于航空动力技术的复杂性和研制的高风险性，特别是工作范围的不断扩大和设计指标的日益提高，包括概念研究在内的航空动力发展的每个环节都离不开广泛而深入的研究与试验。据统计，一台航空发动机有数以万计的零部件，一种新型发动机研制工作一般需要进行10000h以上的整机试验，数千小时高空台模拟试验和飞行试验。尽管设计手段日趋成熟和进步，基于大量整机与部件试验数据的积累和计算机仿真与故障诊断技术的长足进步，使得设计更加优化、常规试验时数不断减少和试验效率不断提高，但飞机战技指标的日益增长使得发动机研制对试验（特别是新功能验证和考核的试验）需求有增无减。例如，据英国《防务新闻》2007年5月11日报道，以经过数千小时飞行验证的F119核心机为基础发展的F135发动机，已进行累计超过7400h的研制和验证地面试验，这还不包括F35计划概念验证阶段试验累计的3600h。可见，发动机设计技术和手段的进步，尽管对常规试验的需求有所下降，但对总的试验需求不降反升。
　　一般来说，按照试验项目分类，航空发动机整机试验主要分为以下类别：
　　1）基本性能试验
　　基本性能试验包括基本性能调试试验（常规、矢量、变循环、垂直起降）、各部件性能匹配优化试验、节流特性试验、发动机过渡态试验（加减速特性）、进气道/发动机相容性试验、发动机工作稳定性试验等。
　　2）基本功能试验
　　基本功能试验包括发动机起动试验、发动机防冰试验、发动机功率提取试验、发动机引气试验、发动机电器加载试验、发动机反推和矢量推进装置试验、发动机燃油加温试验（满足主燃油泵进口温度要求）、发动机控制及调节系统适应性/匹配性试验等。
　　3）发动机可靠性试验
　　发动机可靠性试验包括发动机低循环疲劳试验、发动机振动测量试验和应力特性试验（核心机）、发动机转子结构完整性试验、发动机滑油中断试验、发动机飞行姿态试验、发动机电源失效试验、发动机起动扭矩试验、发动机超温/超转试验、发动机包容性试验、发动机机动载荷模拟试验（发动机陀螺力矩试验）、发动机新材料应用试验等。
　　4）发动机环境试验
　　发动机环境试验包括发动机结冰试验、发动机腐蚀敏感性试验、发动机吞鸟试验、发动机吞冰（冰块、冰雹、冰风暴）试验、发动机外物（机械硬件）损伤试验、发动机吞砂试验、发动机吞水试验、发动机吞烟试验（武器排烟）、发动机侧风试验、发动机排气污染试验、发动机地面效应试验等。
　　5）生存能力试验
　　生存能力试验包括雷达横截面测量试验、红外辐射试验、电磁干扰试验、核辐射试验、发动机噪声水平试验等。
　　开展上述试验主要有四大类别的试验设施： 地面室内整机试车台、高空模拟试车台、露天试车台和飞行试车台。其中，发展最早、应用最广泛、试验时数占比最大的是地面室内整机试车台。
　　航空发动机地面室内整机试车台作为航空发动机整机试验的主要试验设施，一般布置在室内，并且采取了满足噪声控制要求的特殊措施，因而其试验不受大气条件的影响和限制，而且对周边环境影响较小。与高空模拟试车台、露天试车台、飞行试车台等相比，地面室内整机试车台可以满足航空发动机科研、生产的大多数试验需要，具有建设和运行成本低、可用运行时间长、试验改装灵活程度高等诸多优点，因此广泛装备于航空发动机研究所、生产厂等。地面室内整机试车台承担的任务多、适用范围广，其应用范围从单项技术验证、验证机研制到型号定型，再到服役发动机排故与改进改型的全产品生命周期，应用领域涉及所有类别和型号的发动机。
　　1.2国外相关概况
　　美国、俄罗斯、英国、法国等航空发达国家，为了持续提高民机适航能力和军机作战威力，一直致力于功能完备的试验研究、测试手段的建设和试验测试技术的研究。功能强大的零部件与整机试验手段和先进的试验与测试技术的拥有，确保了其在发动机研制方面特别是超声速飞行与机动性能研究方面的领先地位。这些国家正是在注重航空发动机理论研究的同时，重视试验和测试技术的同步发展，促进了航空发动机日新月异的发展，同时垄断了航空发动机这个巨大的高科技市场，使这些国家相比其他国家具有政治、经济和军事的突出优势。
　　燃气涡轮发动机作为航空飞行器的主动力，其研究和发展是一个“设计—制造—试验—修改设计—再制造—再试验”的反复迭代过程。国外航空发动机试验技术经历了以性能试验、适应性试验、耐久性试验为特征的前三个阶段，20世纪70年代后开始进入数值仿真与实物试验紧密结合的第四个阶段。针对不同阶段的要求建设试验设备，并不断补充、扩建、更新测试技术。目前，发达国家研制航空发动机的特点：一是研制手段齐全、设备配套、试验设备能力适应范围广，为发动机研制技术的进步留有一定的发展空间；二是规模大、投资多、考虑全面，研制能力相当强大；三是随着发动机技术的发展，不断地扩建、改建和增建试验设备，提高设备能力，扩大其适应范围，特别是应用信息技术不断更新和提高测试手段、试验数据采集处理能力和自动化控制水平。例如，通用电气公司、普拉特 惠特尼集团公司、罗尔斯 罗伊斯公司等都拥有几十年甚至上百年的经验，借助计算机技术的发展，发展了能全面考核发动机和验证设计技术的试验设备与试验测试技术，而且在现有试验测试技术体系的基础上不断积极探索先进的试验测试方法。
　　随着微电子技术、传感器技术、光电测量技术、计算机技术、仿真技术、网络技术的迅速发展，航空发动机测试技术水平不断提高，主要表现在：非接触式传感技术、激光与光纤技术、薄膜传感技术等有了较大发展，以计算机为中心的集散式实时数据采集、处理与控制系统日趋完善，动态测试、信号处理与试验测试数据库技术有了较大进步。
　　适应飞机动力需要更优越的性能、更可靠的工作、更高的机动性、更低的成本与使用维护费用要求，围绕发动机研制的试验与测试研究呈现以下显著的发展趋势。
　　1）数字化试验技术发展迅猛
　　随着计算机技术和数字化技术的不断发展，特别是发动机研制与试验研究的日积月累，数字化技术在高风险的发动机试验研究领域得到了积极应用和深度拓展。几乎在计算流体力学发展的同时，航空发动机数字化试验技术开始发展。航空发动机数字化试验技术可以替代相当一部分航空发动机试验，降低试验成本，而且可以消除受试验设备能力限制而难以达到的或付出太高代价才能进行的具有很大危险性的试验状态等。数字化试验技术可以优化真实试验（实物试验）方案，培训试验操作人员，监控整个试验过程，实时判断航空发动机试验的有效性，辅助航空发动机试验数据的处理，从而提高航空发动机试验数据的质量和试验效率，缩短试验周期。据估计，该计划将使发动机的研制时间和成本减少25%～40%。数字化试验技术在高性能航空动力研制试验中的应用越来越广泛，而且呈日益深化发展和与试验研究融汇发展的趋势。
　　2）智能化、综合化和集成化发展迅速
　　航空推进系统是一个知识和技术高度密集型的大学科跨度产品，具有难度大、投入多、周期长、风险高等显著特点，因此综合试验是航空动力研制和先进航空推进技术研究必不可少的最有效保障手段。发达国家已经建成了较为完善的航空推进系统综合试验技术体系，在第四代战斗机动力和大型民机动力的全寿命过程中纵向集成了试验与测试的体制，实现了试验自动化。国内的试验手段更新和技术研究基本上依附于科研生产，其通用化和自动化水平远落后于美国等发达国家，在相当程度上影响了我国高性能航空产品的研发进程，加剧了航空动力“瓶颈”的形成及其影响。试验技术的研究对先进航空推进关键技术的机理认识和重点攻关具有直接推动作用。
　　为了更深入地了解和掌握发动机的真实工作情况，为设计和修改设计提供准确可靠的依据，发动机试验要求越来越多、越来越全、越来越高。因此，测试参数越来越多，测点容量、测量速度和测量精度越来越高，测量参数范围越来越宽，测量环境越来越恶劣，常规测量越来越难以满足需求；非接触式、特种测试技术的快速发展解决了对测量参数的“扰动”和对发动机结构的“破坏”；电子和计算机技术的广泛应用，使数据采集和处理的速度越来越快；测试设备更加智能化、更加精准，更新换代速度越来越快。虽然国外20世纪五六十年代建设的许多试验设备尚能满足试验要求而仍在使用中，但其测试设备平均3～4年就要更换一次，并难以做到试验数据自动采集、实时处理以及试验过程的自动化控制。
　　3）故障诊断与健康管理促进试验安全
　　高性能航空发动机结构复杂，而且工作在高温、高压、高应力及高交变载荷的苛刻条件之下，因此目前的设计、生产、维护和工艺材料还不能充分满足发动机使用中对可靠性、耐久性和维修性的要求，不能确保试验的安全性和可靠性。为了有效降低发动机在研制试验与使用过程中的风险，充分利用以往多型号发动机试验研究与使用维护中积累的成熟经验，降低试验与使用成本，需要开发功能强大的发动机监控系统（engine monitoring system， EMS）和故障诊断系统、状态监控与性能分析软件系统等专家系统，以确定发动机的技术状态和健康状况，有利于进行趋势分析和风险分析；缩短试验周期、节省试验费用，促进试验方式由定期试验检查向视情试验检查发展；能够根据试验情况分析和确定发动机自身的薄弱环节，为设计改进和使用维护提供技术支持。
　　4）大数据驱动的航空发动机试验应用日益受到重视
　　航空发动机试验数据库的设计和开发是发动机设计、试验和使用维护中的一个重要课题。一方面，随着发动机性能、可靠性和操纵性水平的提高，试验工作日趋复杂，数据量也日趋庞大，对试验研究和试验数据管理的要求也日益提高；另一方面，试验数据与试验信息是发动机试验中的宝贵资源，对发动机设计、验证和改进改型，以及发动机试验专家诊断系统的建立和数值仿真都有十分重要的意义。因而，试验数据库的开发和应用研究在现代发动机试验和研制中日益受到重视。
　　1.3国内相关概况
　　地面室内整机试车台一般分为三类： 涡喷涡扇发动机整机试车台、涡轴/涡桨发动机整机试车台和辅助动力装置（auxiliary power unit， APU）整机试车台。目前，国内航空发动机试车台主要建设在中国航空发动机集团沈阳发动机研究所、中国航空发动机集团湖南动力机械研究所、中国航空发动机集团涡轮院、中国航空发动机集团贵阳发动机设计研究所、中国航发商用航空发动机有限责任公司等研制机构和相关批生产厂。
　　在发动机研制过程中，地面室内整机试车台主要承担发动机技术研究验证整机试验任务、型号设计调整整机试验任务以GJB 241A—2010《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》、GJB 242A—2018《航空涡轮螺桨和涡轮轴发动机通用规范》、CCAR33R2《航空发动机适航规定》、相应型号规范等文件规定的部分鉴定试验任务。另外，在地面室内整机试车台上还能够进行核心机试验、叶尖间隙检测、进气温度调节、发动机气动稳定性检查等特种试验。
　　从地面整机试验专业试验内容的完整性来看，国内基本具备了较完整的试验研究能力。