发动机喘振边界试验“吞烟”很关键

正在热映的军旅题材电影《长空之王》取得了不错的票房成绩。影片以试飞员的独特视角，向观众展现了一款武器从工业部门完成研制到装备部队要经历的漫长而曲折的测试与改进过程。

影片后半段用较长时间讲述的导弹与载机发动机间的吞烟试验不仅紧张刺激，还因为试飞员因载机发动机喘振导致空中停车的牺牲而赚足了观众的眼泪。那么，吞烟是一种什么试验？引起载机发动机熄火的喘振需要如何避免呢？

吞烟必须要硬扛

吸气式发动机也称喷气式发动机，广泛用于航空航天领域，其与火箭发动机在工作原理上的最大不同是在获取燃烧反应的氧化剂方式上。火箭发动机自带氧化剂工作，而吸气式发动机则通过吸入空气来获取其中的氧，因此，虽然吸气式发动机飞行的经济性要比火箭发动机好，但对外部工作环境也更加敏感。

在目前常用的喷气式发动机中，涡轮发动机广泛应用于航空动力和亚声速的弹用动力。影片中试飞的泰山发动机就是涡轮发动机的一种——涡扇发动机。

涡轮发动机工作时，需要不停地吸入氧气，但飞行平台尤其是军用飞机在飞行时的状态却不是一成不变的，发动机吸入由自己发射出去的导弹尾烟或其他军机的尾烟都是无法避免的。

这些尾气由于是燃料燃烧后形成的产物，温度很高、含氧量很低，可能还因为没能完全膨胀，压力也要高于环境压力，如果是固体火箭发动机的尾烟，则还会含有固体颗粒和没烧完的灼热金属。

飞行平台的发动机吸入这些高温、高压、无氧，还有很多杂质的烟气和废气，将会偏离设计状态，轻则效率降低、推力下降，重则发动机熄火，甚至出现结构损坏。因此，为避免出现机毁人亡的事故，开展导弹与载机发动机之间的吞烟试验已经成为固定测试科目，换装新发动机要试验，换装新导弹同样也要试验，是一种导弹和载机发动机间的双向奔赴。

需要强调的是，由于载机平台的高价值性，吞烟试验并不会直接开展飞行试验，负责发动机研制的工业部门会先从性能分析入手，计算吞烟对发动机工作稳定性的影响，之后会进行地面测试，只有地面测试的考核全部通过后才会进行飞行试验。如果发动机吞烟试验出现问题，工业部门会返回到设计流程，对发动机进行改进优化，保证发动机能够硬扛下吸入的尾烟。

喘振危害性很大

喘振是涡轮发动机上一种比较常见的故障现象，其模式很像人体呛到后出现剧烈咳嗽的现象。在涡轮发动机上，负责给来流增压的装置叫压气机，它由很多级组成，且每一级都由两排叶片组成，第一排叶片是旋转的，主要负责给气流加速或把气流吸过来，让它们能流入第二排固定的叶片。

第二排固定叶片负责压缩气流，给它们增压，再后面又是下一级的旋转叶片，气流就这样经过一级又一级的增压，最后被压缩到比压气机进口高20多倍的高压。正常工作状态下，气流沿着叶片间的通道按规定路线流动，从一级流向下一级，直到进入发动机燃烧室与燃料混合燃烧。

不过，一旦发动机工作状态出现剧烈变化，气流的队列就会出现混乱，乱跑的气流会从“队伍”里分离出去，阻断前面正常流动的气流路线，让被阻挡的气流无路可去。这是因为后面级压力比前面一级压力高，会在压差作用下回流到前一级。这点很像我们呛到时使劲咳嗽，要把异物从喉咙里咳出来。

气流流向前一级后，该级由于气流突然减少，压力会瞬间降低，低压又会抽回向前回流的气流，就像我们咳嗽时又会伴随着喘，因为气不够，要努力吸入更多的气。于是，这些乱跑的气流就会带动全体气流在整个发动机里来回流窜。

来回激荡的气流会引起振动和噪声，不仅会带动整个发动机一起振动，还会把压气机后面的燃气也带回到压气机中，使发动机超温和推力下降，这就是涡轮喷气发动机的喘振。由于喘振是由发动机本身的增压原理所决定的，只能想办法预防或硬抗，没办法完全避免。

预防就是通过地面和飞行试验，摸清发动机出现喘振的工作状态点都有哪些，也就是电影里说的“喘振边界”。发动机使用时规定只能在边界内工作，决不允许出现超出边界的使用状态，而硬抗就是给发动机设计一些一旦出现喘振，能够及时退回到正常工作状态的机制和机构，保证发动机即使出现了喘振也能正常工作。

防止喘振有妙招

喘振的危害较大，一定要想办法预防或控制。要预防，就必须先了解发动机产生喘振的原因。

战斗机的发动机喘振危害大

引起发动机喘振的原因有很多，电影中吸入烟气是可能的诱因之一。其他产生喘振的因素有：超出规定的飞行动作或操作，例如飞行员过猛地推油门杆，超过最大限度地大迎角飞行等，这会使发动机进气产生严重畸变；发动机自身设计问题，如稳定工作裕度偏窄，没有设计防喘、控喘机制等；还有叶片结冰或损坏导致流场特性变化等。

预防发动机喘振，除了要尽量避免发动机进入以上这些工作状态外，还要对发动机的特性具有100%的了解，知道发动机出现喘振的边界条件在哪里。

从设计角度讲，一方面要努力拓宽这个边界，让发动机更牢固，更能适应复杂的工况和技战术要求；另一方面要合理设计喘振裕度，既要让裕度范围能够有效保护发动机，还不能让这个裕度范围影响发动机和飞机性能的发挥，所以，喘振的边界和裕度是要像电影中展现的那样，靠工业部门和试飞员进行摸索。

除预防之外，还要在发动机设计上对喘振加以主动控制，一旦发动机进入喘振，就要想办法立刻退出，避免进一步的危害发生。目前，最常用的防喘振方案叫中间级放气，就是在中间级压气机机匣上设置一些阀门，一旦监测到有喘振发生，这些阀门就会打开，把不按规定线路流动的气流从压气机通道里排出来，防止它们来回乱窜。

其他方法还包括压气机叶片可调技术，通过调节叶片角度，让叶片主动适应气流流动方向的变化，始终保持流动通道的畅通，以及把压气机设计成多转子形式，通过调节叶片的转速来改变动叶片出口的气流运动的相对速度方向，从而纠正走错路线的气流方向来实现防喘。

虽然这些防喘机制都各有效果，但也增加了发动机的结构复杂性和重量，因此在实际研制中要综合考虑予以采用。 

信息来源：科普中国