航空发动机的高空试车台到底是什么?长啥样子?

来源:bobo体育赛事网    发布时间:2023-09-27 23:11:20 admin

  2022年11月8日,第十四届中国航展在珠海开幕,曾获“全国十大科技成就奖”和“国家科学技术进步奖特等奖”的航空发动机高空模拟试验舱首次在珠海航展中亮相。高空模拟试验舱可不受季节和气候限制,在地面“复现”空中飞行环境条件,开展航空发动机高空特性试验。

  投用以来,这里先后承担了40多个型号、近200台次航空发动机的科研试验和国家鉴定试验,当前国内所有在役、在研的航空发动机均在此试验后飞上蓝天,为我国航空武器装备的建设和发展作出了重大贡献。(数据源自《四川日报》2023年05月30日文章)

  关于航空发动机高空试车台的科普性内容网上能搜索到不少,而且我国一号高空台的大致数据在楼下另外一个回复里也有,所以本文就不重复去做科普了。

  本人曾在高空台工作过几年,仅从我个人角度写一些关于高空台的回忆吧。文中不会做太多的技术或科普介绍,所以想到哪就写到哪,将会不定时的更新或补充,若能找到新的不涉密的照片也会陆续加进来。

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  中国目前有两套高空台试验设备,都在四川绵阳的624所,也就是“中国航发四川燃气涡轮研究院”,第一座位于江油市松大康镇花岭地区,代号SB101(包含早期的1号舱,及后来2、3、4号舱)。第二座高空台是2008年512地震后在绵阳小枧沟新建的,代号不详。根据网络上的消息说现在又在规划建设一个新的高空台(三号台?),具体细节涉密所以不得而知。

  第一座高空台位于四川省江油市与北川县交界处(据说离李子柒的居住地不到40公里),地图上名称:松花岭,地址不保密,但厂房及含有厂房、设备的外景按照现有规定仍属于不允许拍摄的范围,所以本文中所用的图片都来自互联网或官方公布的照片。

  【在624所原来子弟中学位置看大康盆地,远处好像就是少年时代的李白读书的匡山】

  【松花岭生活区去2区(白果寺)的小路上两侧种满了法国梧桐,这条小路据说现在也是网红,很有名的情侣路,有不少年轻人专程去打卡拍照】

  图中那条河叫做平通河,图中左下侧的一大片厂房叫“一区”,也就是本文的重点——高空台,一区外侧靠河边的那些农田和村庄叫“任家坝”。远处左上那座高山是“观雾山”,图中右侧一片就是家属区(图中能模糊看见望江楼、松花岭、苦竹沟等)

  松花岭地处四川盆地边缘,刚好是较为平坦的盆地平原进入到龙门山脉山区地貌的边界地带,从江油市区沿着“平(武)江(油)公路”一路北行大约12-13公里,到达大康镇路段时就会见到二号隧道(亮洞子),然后再前行2公里左右就看到一号隧道(黑洞子),这两个隧道的修建其实和624所没什么关系,六十年代初,观雾山发现有黄铁矿,于是修了一条专用铁路到观雾山脚,这两个隧道就是为铁矿而建。后来铁矿停采,624所开始建设时,因当时认为铁路会增加战时被轰炸的概率成为轰炸目标,所以就把观雾山至水口庙段的铁路拆除改为公路,但路基及隧道等仍保留(现在还能看出来一些),水口庙保留了一段铁路作为624所的物质仓库。

  我国的第一座高空台从1965年开始立项,到1995年验收建成,历经30年,据说按当年的预算,前后投入约7.8亿元人民币(大约是1980年的物价计)。

  其实高空台最早的选址并不在江油,而是在北川县的甘溪乡(就是现在的甘溪小学往黑沟方向那一片),因为后来发现当地的地质条件不足以满足基地建设而废弃,但也形成了624所持续多年的“多点分布”局面(水口庙-松花岭-任家坝-白果寺-观雾山-甘溪)。

  【下图,1965年,第一批到达四川的高空台建设者,因为是18人,亦被称为18勇士】

  而甘溪区域直到90年代中期才归还给北川县管理,期间梅家院家属区还有很多人在那里居住过,当时的职工每天都要从松花岭坐班车回梅家院,距离倒不算远大约20公里,但时间需要50分钟左右。后来在甘溪的国道路边的那栋三层办公楼有一段时间改成了技工学校,当年也有不少子弟在甘溪上学。

  【每到夏季,经常会遇到道路塌方(当地老百姓叫“垮岩”),即使到现在是相同。】

  甘溪在北川九皇山景区北面一点,当年平通河上唯一一座混凝土桥就是通往梅家院家属区的(和下面图片的桥很像),那桥现在还在,家属院好像是被改成了当地的敬老院。

  不过甘溪的地理环境和地质条件确实不足以满足高空台建设的需求,所以再后来就将高空台选址在北川与江油交界处的松花岭。另外按照最初的设计的具体方案,高空台本来是要进山洞的,后来也是因地质条件问题以及其他原因而改为露天建设。在现在一区(任家坝)顺着高空台排气方向走有个河湾叫做“龙旋湾”,龙旋湾靠山边有几个当年人工挖掘的山洞,后来也被称为炸药库,那几个山洞据说就是当年准备挖出来放高空台的。

  在高空台厂房(一区)一河之隔的对面,就是624所当年的生活区——松花岭。实际上在早年并没有“松花岭”这个地名,这片地区的山上,都是飞播造林的松树林,当年的三线建设者们看到满山的松树,于是起了这么一个富有诗意的浪漫地名。

  在整个松花岭地区的一些小地名也很有意思,比如一区对面的那片山坡叫“望江楼”,因为这片家属区可以看见平通河;一区后面山坡上的“高位水池(高空台冷却水存储水池)”叫“天鹅湖”;小学和招待所所在的那个山梁,当地人是叫“盐井垭”据说是因为很久很久以前有盐井,而624的人则对那里有几个称呼:1、直接说“招待所”2、燕子崖(确实是有很多燕子,但还在于早年624几乎都是北方人,听四川方言说盐井垭时听的不是太明白,看见天上飞的燕子就以为是“燕子崖”)3、马石壮,这个地名称呼就有些悲壮,据说是当年有一位工程兵烈士在那里牺牲,烈士的名字叫“马石壮”(应该是这个发音,石壮这两个字不一定正确。)。

  另外还有:小学、煤球场、洞子口、老商店、粮站、4层楼、营房科、24公司、丁字楼……等等的地名称呼,因为家属区分散、且编号不好记忆,所以一般都以其建筑功能或者特点来表示地名。

  上图应该是在“望江楼”拍摄的,这一片家属区在624搬迁江油市区之后就很少有人居住几乎废弃了,而08地震时又将那些干打垒的房子震成了危房所以干脆就拆除。当年除了624所自己的职工之外,还有协助单位比如四川省安装公司的实施工程人员及家属也在望江楼生活区居住。

  【下图:望江楼4栋,拍摄时已无人居住,不久后拆掉了。刘大响院士曾经在这栋3楼居住过。下面有一个回复说刘没住过。前段时间我又和一些老人确认过,刘院士肯定在望4住过,大约是三楼左起第二或第三个窗户。刘从英国高空台考察回来的那一年(1980)还是住在4栋的(因为带了一台“大彩电”回来,好像还有一台微波炉)。中间好像又搬过一次家,最后才搬去洞子口公司银行楼上那栋。】

  【下图:望江楼8栋,因为当年住的大多是领导干部,所有被工人们称为王八楼,哈哈。对面还有一栋乌龟楼……】

  【下图:远处左侧建筑是职工俱乐部,当年中央歌舞团也曾在那里进行过慰问演出】

  【下图:大学生楼,不知浏览本文的有没有哪位在这栋楼住过?说不定我们还认识。】

  70年代末,高空舱部件在德阳分段制造完成后,通过公路运送到江油,图中是两段舱体在水口庙至松花岭路段。这一段就是以前被拆除的铁路路基。

  上图是高空舱舱体部分运送到松花岭后,准备通过平通河大桥前往一区时的照片。图中这两段舱体是在德阳的东方锅炉厂和东方电机厂制造,外径约4.3米。

  而624所这个名词也是经历过多次的变化,在1965年1月三机部(航空工业部)的615会议上,确定组建一个航空喷气发动机研究所,隶属于三机部第六研究院,代号为第11研究所,并是以高空模拟试车台为重点开展建设。在1965年1月—1968年3月期间叫六院11所,1968年3月由于六院划归由国防科委领导,所以被改称为中国人民第624研究所,而在文革期间,为保护624所不被地方冲击以及保密的需要,对外的正式名称叫“成字104部队”。到1973年,原来由空军和三机部双重领导的六院,又重新划归三机部,改称第三机械工业部第六研究院。624所的名字一直保留沿用下来。由于624所长期以来一直的保密单位,为便于对外通讯联系,通讯地址直接就是“江油县(市)305信箱”。1979年1月,经上级批准624所对外开放,对外名称又叫中国燃气涡轮研究院。因此“624、305”这些数字,都是指624所。

  说起SB101,其中SB是“设备”的意思,而101其实在“一区”又有特指,一般是指高空舱所在的厂房——101厂房,其他还有102、103、104、105等厂房,各有不同功能。一区的正式名称叫“整机试验部”,当年包括2室(整机实验室)、8车间、9车间、12车间、11室等单位,由一区指挥部统一负责调度指挥。

  这张照片估计有点年头了,估计是92年之前的。看起来整个抽气部分还未建好,101厂房被白色新厂房挡住了,后面一大堆工地还在施工,右侧中部那个院子是当时的“大集体”厂房,左下的是冷却水软化处理厂房的一部分,应该也还在建,当时应该是叫12车间吧?

  上面这张看起来比较清晰,年代估计稍微晚一点,三个高高的是加温炉,简直就是天然气消耗的巨兽。

  【进气加温炉,也叫冲天炉。后来小枧基地使用的加温炉个头就明显小了很多,应该是能源利用效率提高了很多】

  加温炉后面是102厂房;炉子轴线对过去的右侧三层房子是当年的一区科研楼(一区指挥部、二室、十一室等在里面办公),最左下的红砖房是地面台厂房,而101厂房(高空舱所在的厂房)就很不起眼,看见图中间屋顶有个大烟囱的厂房了吗?烟囱向左靠近三个加温炉的那一段厂房就是。为啥有个烟囱,因为当年没建“抽气”,高空舱发动机尾气是直接排出来的,模拟效果当然就打折扣,所以才在后来建了抽气部分。

  下图是抽气段的一部分,先安装好设备,然后再建厂房,下面这张是设备安装好但厂房还没开始建的时候。右侧银色高高的柱状是排气段,能移动,可向上直排也可换成直通段连接后部抽气系统,抽气和冷却系统利用抽气机、水冷装置,可把发动机高达1750度的尾气迅速降低到50摄氏度左右。直排是利用发动机尾气引射作用形成一定的负压来达到模拟部分高空环境,可不启动抽气及冷却系统能大幅度的降低试验能耗和费用。

  下图是排气段水冷装置配套的软化水设备,试验冷却水使用的是平通河的水,当地为喀斯特地貌,水质偏硬,需进行软化处理。

  这个试验舱盖,最早是用“行车”吊起来开盖的,后来才加了作动筒变成液压的。舱盖很重,查了一下资料长近7米,重量约20吨。下面这张应该和上面的是同一张。

  在某个视频里截图了一张,也许是624所当时自己拍摄的视频片段,好像9室(第九研究室)就是专门拍照拍视频的。

  又在网上找到一张图,看那个光滑的后部,应该是当年中推核心机上高空台试验时拍的。

  “第二台中推预研核心机用来进行高空台试验,最大的目的是在模拟风扇出口条件下考核核心机的性能和结构强度。430等承制厂在进度紧、难度大、研制经费不足的情况下克服了重重围难,终于在1993年12月19日完成了加工组装,并于12月22日安全运抵624所。”

  这个截图中最特别的是,发动机安装位里,放的并不是真正的发动机,而是空的圆筒,专门做安装测试用的。那时调台用的是WP-7发动机,好像有3台还是4台很旧的涡喷7,都是空军淘汰不要的,我们当宝贝,其中有一台在地面台试车时还因为加力供油管爆了而着火差点报废。这几台老爷涡喷七,平时是放在2室的装配厂房里,要试车时把发动机装到专用转运架上,人工推着绕一大圈才能到高空台。【见下面截图】

  记忆中某年中央新闻电影制片厂也专门为高空台拍摄的纪录电影,查了一下好像是1991年拍摄的“中国航空工业《中国》系列片”。

  关于我国高空台的一些影像资料,建议观看央视纪录片——《三线风云》-第三集 千里跋涉,其中9分30秒到15分20秒这6分钟视频有不少镜头。

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  由于国内高空舱的图很难很难找,所以再补几张国外的高空舱的图,反正结构上都很近似,只是尺寸和细节上不太一样而已。

  下面这张是美国NASA的Propulsion Systems Laboratory (PSL)。中国的高空台和这个还是很相似的,只不过这个舱体的直径比中国的1号高空舱要大的多,NASA官网介绍其直径为24英尺(约7.3米),而我国江油的1号高空舱外径约4.3米,体积差了不少。绵阳新建的2号高空舱数据保密,据网上的信息2号舱直径是5.7米(最大常温空气流量450公斤每秒,最大抽气量47000立方米/分钟)。

  关于NASA的PSL,这里有全景图,有兴趣的能自己浏览。能够正常的看到里面很多细节。

  下面这张就比较早了,大约是70年代初,美国空军阿诺德工程开发中心(AEDC)的高空台对F101涡扇发动机来测试。F101是当时B-1的配套发动机。

  日本近年来也搞了自己的高空试车台,这个是日本高空台在2019年进行XF9-1原型机高空性能实验

  上图是我国高空台气源厂房(102厂房),102分2部分(102-1和102-2),这个应该是左边的厂房,右边还有一个一模一样的,一个负责压气一个负责抽气。那些大家伙你可能感觉不到有多大,一个电动机加一个压缩机,压缩机是沈阳鼓风机厂生产的离心式压缩机DA3500和DA1000;电动机是TDY12000型同步电动机,功率为每个12000千瓦,你没看错,是1万2千千瓦。为了启动这些电动机,又单独建了一个104厂房做变频(超低频),还配备了一个大型变电站。

  最后顺带放一张624所地面试车台(我们一般称为地面台)试车间内的图。网上找这些图很不容易,清晰度肯定是不高,凑合看吧, 图中是当年中推核心机首次在地面台试验时在台架上的状态。注意是地面台不是高空台。

  国之利器出绵阳~~正在绵阳建设中的亚洲最大的高空台SB102~~中国航空发动机高空台试验能力将达世界第三

  高空台之于发动机的重要性就不多说了,这个大家都了解。但对于高空台之巨大,这个估计就鲜有人知了。下面是一段关于有着“亚洲第一台”美誉的SB101高空台(位于江油北川交界处的松花岭)的相关描绘(03前状态)。

  1.其中加温器能够把流量近70千克/秒的空气从常温加温到500°C,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。

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

  3.抽气机最大抽气容积流量达到27000立方米/分,如此强大的抽气能力能够在3分钟内将首都体育馆内的空气全部抽空,使其内部形成真空而被外界大气压力压垮。

  4.其总装机容量为17万千瓦,高空台试验一天的用电量相当于一个25万人口的小型城市日生活用量。

  为提升中国航空发动机研制能力,满足中国造大飞机航空动力试验的要求,中国航空工业集团公司在绵阳市小枧镇新建了国际一流的航空城。

  中航工业燃气涡轮研究院郭昕院长透露,为大飞机而建造的航空城主要以高空台试验基地为主业,就是测试飞机发动机高空模拟试验基地为中心。他说,“航空发动机是飞机的心脏,中国要干大飞机,要高空台试验能力达到世界第三,就要有世界一流的中国航空发动机试验基地,以满足“中国造”大飞机发动机试验的要求。”

  新航空城总占地约三千亩,地处涪江、安昌江、芙蓉溪三江交汇地,距绵阳机场四公里;东临绵渝高速公路,南邻小枧镇。

  绵阳航空城建设分为三大区域、六个主体部分和六大景观。其中,生产试验区坐落在笔架山梁,主要由航空发动机试验、燃机研发、航空科技产业园及相应的设施设备组成,高耸庞大的高空台与其纷繁的配套设施设备交相辉映,蔚为壮观。生产试验区重点建设的高空模拟试车台及其配套气源、电站等设施,能够完全满足中国各型发动机研制任务需求。

  此外,充分的利用当地的茂密天然林地,在办公生活区和生产试验区之间还将建设占地一千亩的“东安森林公园、南方植物园,成发龙潭湖。这些环保景观据说不但可以形成有效的防噪音林带,还可以绿化、美化航空城周边环境。

  目前,中航工业的飞机发动机高空模拟试验基地叫燃气涡轮研究院(624所,刘大响长期在此工作),创建于一九六五年四月(从606析出),试验基地位于四川省江油市与北川县交界处的松花岭。该院现有亚洲最大的高空模拟试验台。

  郭昕说,航空城投入运营后通过现有试验设备的搬迁和扩容改造,将拥有较为完善的试验设施,形成中国初具规模的航空发动机大型试验研究基地。为更好地满足先进军民用发动机试验的要求,还将通过一系列研保条件建设,逐步建成世界一流的中国航空发动机试验基地。

  高空台关键技术复杂,工作条件要求苛刻,康毅过去曾对高空台建设做了大量前期技术准备工作,但在建设过程中仍遇到许多技术难点。当时在国内找不到设计经验,成为高空台建设的拦路虎。他多次奉派出国考察,想方设法克服困难,探索到了解决途径,促进了此台的建设,使建设少冒了不少风险,少走了不少弯路。

  高空试验舱——发动机安装在此舱内作试验。舱体长26米,直径4米,其上有圆弧角170°30′,长6米重约16吨的舱盖,舱体上还有若干个防爆窗,舱体上开孔面积约为总面积的30%。高空舱承受0.025大气压的负压至8-9大气压的爆炸压力,前舱进口温度-60℃至250℃。舱内有产生爆炸的充分条件,在设计中一定要考虑。产生爆炸时舱内温度可突升至2000℃,压力突升至8-9大气压,因此舱体承受瞬时热冲击载荷。1958年在沈阳建高空台时,曾设计制造出一个较小的高空舱,完全未考虑承受爆炸压力,也未考虑大筒体在负压下失稳的问题。在康毅的主持下,较好地确定了高空舱的结构尺寸、壁厚、材料等重要技术条件,促进了高空舱的设计工作。

  排气冷却器——发动机在高空舱内做试验时排出大量的将近1800℃的炽热燃气,一定要通过排气冷却器冷却到40℃左右才能被抽气机抽出去排入大气。冷却器长60米,最大直径9米,重约1900多吨。工作条件与高空舱类似,承受0.025大气压的负压,至8-9大气压的爆炸压力。必须在设计中考虑爆炸,以便产生爆炸时,设备能抗住不致于产生严重破坏。爆炸波在排气系统中传播会迅速地演变为爆震,爆震波传播速度达2000米/秒,压力突升数十倍,是任何结构都抵挡不住的。若发生爆震,高空台即被瞬间摧毁,因此,一定要采取措施绝对防止爆震的发生。康毅根据国外于50年代初期为建高空台做过在低压下产生爆震的试验,找出防止措施。

  在排气冷却器设计过程中,曾分析对比了四个方案,1978年在英国国家燃气涡轮研究院谈判技术协作时,发现该院高空台第四号舱冷却器方案结构相对比较简单,维护方便,经使用考验情况良好,于是经研究决定选用该方案,并和院方达成技术咨询的协议,致使冷却器顺利地设计出来。

  进气加温器——发动机在高空台上做模拟高速飞行试验时,进气需加温至250℃,曾探索过电加热和用燃气发生器直接加温的方案,但都不适用。在康毅的指导下采用了国外的冲天炉间接加温方案。冲天炉可把21千克/秒的空气从100℃很快的加温至500℃。此炉体高14米,烟筒高24米,直径9.5米,以天然气作燃料。冲天炉是根据国外的模式在国内设计制造出来的,高空台用三台这样的冲天炉。

  为了保持多台空压机串联并联(抽气、供气)在不同的工况下(温度压力)工作时的流量协调,使空压机不进入喘振区,保持压力稳定,需在每台空压机上装置具有温度修正及Re数修正的定压比调节器。没有这种设备空压机不能运转,高空台不能做试验,这也是一个老大难问题。康毅从英国国家燃气涡轮研究院得知,其高空台上的定压比调节器是英国的一个企业提供的,于是便从此公司引进,解决了我们的问题。

  这些只是叫模拟高空试车平台,真正的高空,是运输机四个发动机,有一个挂的是你要实验的发动机,这才叫高空台