第1章直升机防砂研究背景
1.1砂尘问题的由来
砂尘环境遍布全球，是数百万年的风蚀和其他地貌过程形成的结果。砂尘环境是一类耦合空气与砂子、灰尘等固体颗粒物的气固两相流环境，如沙漠、海滩、火山喷发等环境或由大气运动裹挟砂尘导致的沙尘暴天气等。飞行器可能遭遇的典型砂尘环境如图11所示。尤其直升机，由于其可以垂直起降，经常会遇到砂尘环境，如在东南亚和中东，气候炎热、干燥、多尘等多因素混合的恶劣条件对于直升机发动机而言是个巨大的考验。直升机通过诱导流经桨盘面的一定质量的空气来产生升力。气流向下的动量与桨盘面上向上的升力相平衡使得直升机保持空中姿态。从桨盘面向下运动的气流称为“下洗流”，表现为一系列从桨尖脱落、流向地面的桨尖涡。桨尖涡是由桨叶上下表面压力差造成的，其特点是存在一个低压核心。
下洗流及其桨尖涡耦合形成旋翼尾涡，当直升机起降于松散的沉积砂尘表面时，尾流及桨尖涡撞击地面造成砂尘颗粒被夹带卷起。如果砂尘颗粒尺寸足够小，就会形成“砂盲云（brownout cloud）”。当一架接近地面的直升机的旋翼下洗流搅动起砂尘时，就会发生砂盲。砂盲问题在50ft（约15m）以下的高度*为严重，因为直升机在悬停或着陆时减速，旋翼开始再循环灰尘。飞行员失去了对地面上固定点的视觉参考，飞机开始偏离预定的进近路径，飘移着陆会导致直升机在着陆时发生侧翻。另外，砂盲对直升机涡轴发动机性能影响巨大，如果不对发动机进行保护，发动机性能会在短时间内迅速恶化。
以一台质量流量5.9kg／s的轻型通用直升机发动机为例，当其工作在砂尘浓度为2.5g／m3的环境中时，每分钟吸入大约0.7kg的砂尘。根据实验结果，发动机吸入7kg砂尘后功率损失1％或者只能在这样的砂盲云中工作10min［1］。2020年9月10日的一份研发测试报告显示，美国直升机CH53K在无防护情况下在砂尘环境中飞行21min后发动机的性能会下降到可接受的*低水平之下，该机的操作手册将机动飞行过程中直升机发动机暴露在砂尘环境中的时间限制在70s内［2］。另外，运输机、民航客机在起飞阶段发动机处于高温、大流量工作状态，大流量会形成*特的由地面延伸至短舱进气道的不稳定流动现象，即地面涡（ground vortex）。当地面存在砂石等外物时，地面涡会将其卷入发动机，进入发动机核心机。另外，民航客机也会由于遭遇火山喷发导致的极端火山灰砂尘环境而停飞。
1.2砂尘环境的危害
砂尘环境导致的危害至少体现在以下几个方面。
（1）视觉环境退化。砂盲对于飞行员来说极其危险，当砂盲云强度增加时，飞行员视觉环境退化（degraded visual environment， DVE），导致飞行员失去空间方向感、操作失误而发生灾难性事故，如图12所示。
图12砂盲云包围直升机导致飞行员视觉环境退化
图13砂尘环境导致旋翼桨叶及压气机叶片受到侵蚀破坏
（2）侵蚀。旋翼长时间暴露在砂盲环境中，桨叶几何型面尤其是前缘会受到严重的侵蚀损伤，导致原来的*佳气动型面遭到破坏，进而影响桨叶气动性能，如图13（a）所示。砂尘进入发动机后*先撞击高速运转的压气机叶片，尤其在叶片前缘及叶尖部位，会形成严重的侵蚀损伤，如图13（b）、（c）所示。压气机叶片几何外形受损会导致压气机受力不平衡而发生喘振，导致发动机功率降低。研究表明，砂尘侵蚀导致的发动机功率降低量与吸入的砂尘颗粒质量成正比［3， 4］。另外，砂尘进入转轴缝隙并沉积，造成转轴受力不平衡而振动，加剧转轴的磨损损伤，降低其使用寿命。在伊拉克和阿富汗战争中，美军超级种马和海上骑士等多型直升机发动机压气机叶片受到严重损伤，部分发动机使用寿命从设计值的3000h降为100h。
（3）腐蚀。砂石经燃烧室高温（实验证明，温度达到1000℃时砂石即被熔融）熔融后形成的液体会黏附在火焰筒、涡轮叶片等部位，即“上釉”，造成部件表面腐蚀，如图14所示。
图14砂尘环境导致发动机部件表面受到腐蚀破坏
（4）堵塞气孔。砂尘熔融物黏附在燃烧室预旋喷嘴、火焰筒、涡轮冷却通道出入口等关键通道部位造成通道污染、堵塞，降低燃烧效率及涡轮冷却性能，如图15所示。
图15砂尘环境导致发动机部件通道受到污染及堵塞
迄今为止，已有很多反映发动机吸入砂尘致灾的报道。越南战争期间，直升机在砂尘战场环境中工作100h后就需要更换发动机。海湾战争期间，未受保护的莱康明T53发动机只能工作20h［5］。在20世纪90年代美军沙漠风暴、沙漠之盾演习中，CH53配备的GE T64发动机每工作120h就需要更换，几乎耗尽了美国海军／海军陆战队的发动机库存［6］。根据美国国防部发布的《航空技术安全报告》，砂盲及其导致的视觉环境退化是美军直升机坠机事故的主要原因，占所有坠机事故的一半［7］，如图16所示。2001年到2008年，在伊拉克和阿富汗的直升机战场非战斗损毁中，砂盲及其导致的撞击事故（撞电线失事、物体相撞）占48架（约37％）［8］，如图17所示。尽管并非所有由砂盲云引起的视觉环境退化都会导致机体损失，但在这种环境下运行的飞行器，其旋翼桨叶、过滤器、发动机和其他暴露在砂盲云中的部件的寿命会大大缩短。据估计，大约80％的陆军砂盲事件发生在降落期间，仅美国陆军每年因设备损坏和飞行员风险而造成的货币成本为6000万美元，而所有军种每年的货币成本达到1亿美元［9］。
图16伊拉克战争和阿富汗战争期间美军直升机飞行事故统计
OIF:伊拉克自由行动（Operation Iraqi Freedom）; OEF: 持久自由行动（Operation Enduring Freedom）
图172001年到2008年伊拉克和阿富汗的非战斗损毁直升机统计数据
民航客机遭遇火山喷发砂尘环境导致的航空事故也时有报道。1982年6月24日，英国航空的波音747飞机飞入印尼加隆贡火山喷发区，4台罗罗RB211发动机都遭遇短暂熄火，飞机不得不迫降［10］。事后调查发现，发动机部件受到明显的冲蚀和沉积。1989年12月25日，一架波音747400飞机进入阿拉斯加的里道特火山喷发区，所有发动机均遭遇熄火，万幸的是经过机组人员多次尝试并以损失10000ft高度的代价重新启动了发动机实现紧急降落，事后飞机维修、更换所有4台发动机花费了超过8000万美元［11］。
综上所述，不管是在军用还是民用领域，砂尘环境对各类飞行器发动机的危害都很大，不仅造成了巨大的经济财产损失，还严重威胁飞行器安全。因此，飞行器发动机进气防护是一项具有重要研究和应用价值的课题。
第2章砂尘环境特征描述
2.1颗粒吸入质量
旋翼将地面砂床上的砂石卷起，到达发动机入口高度处时就可能会被发动机吸入。假设流动为不可压条件，进入发动机进气系统的气砂混合物质量流量为
m？p＝cm？f（2）
式中，c为砂尘质量浓度，m？f为发动机质量流量。下标“p”表示颗粒，下标“f”表示流体（本书中专指空气）。
c＝ρpVpρpfVpf＝cvρpf（2）
式中，V为体积；cv为颗粒体积浓度，即单位气粒混合物体积内的颗粒质量；ρpf为气固两相混合物的密度，由下式计算得到：
Vpfρpf＝ρpVp＋ρfVf（2）
式中，ρp为砂尘密度，ρf为流体密度。
将方程（23）代入方程（22）可以得到关于砂盲浓度的砂尘质量浓度c：
c＝1ρf／cv＋（1－ρf／ρp）（2）
方程（24）与方程（21）相结合可确定到达发动机入口的砂尘质量。
2.2颗粒材质
掌握砂盲对发动机性能的影响机理必然要求对砂尘进行多学科研究。砂尘从砂床上升、输运到进气道、砂盲的产生等理论均建立在牛顿第二定律基础上，并发展到直升机地效操作、气砂分离、砂尘吸入对发动机损伤特性等相关领域，而基于牛顿第二定律的砂尘受力、轨迹必然涉及砂尘颗粒的阻力系数、砂尘颗粒与壁面的反弹特性等微观特性。因此，需要对不同地区的砂尘颗粒的材质进行分析。
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