【航空技术】浅谈航空发动机整机试验安全风险与对策

航空发动机整机试验是综合气动、材料以及测试等多种学科的大型科研试验，在进行发动机试验的时候，设备处于高温与高压状态下，热端部件在运转状态下，面临危险恶劣的工作环境，因此，整机试验必然存在风险。本文在总结航空发动机整机试验的基础上，阐述进行试验安全的重要性，论述可能存在的风险，结合当前发展的实际情况，给出风险应对策略，制定针对性的措施来保证试验的安全。

关键词：航空发动机；整机试验；风险；策略

由于航空发动机整机试验关系到航空装置的质量，因此，进行试验至关重要。试验环节涉及多专业、多学科，因此承担整机研制中相当部分可能存在的风险，一旦发生问题，会对参试人员、发动机本体等造成威胁。因此，必须从可持续发展的角度出发，在充分考虑各环节的基础上进行风险分析，根据风险制定安全风险对策，尽可能减少航空发动机整机试验的风险，保证试验安全。

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航空发动机整机试验概述

航空发动机整机试验是指使用专门实验与测试设备进行发动机性能检测的试验，通过试验能够了解发动机的可靠性与耐久性等数据。试验的宗旨在于评估发动机不同工况下是否安全，因此，试验是全面的、有风险的。发动机试验也叫作试车试验，时长在20min～8h之间。发动机的运行环境十分恶劣，必须在三高（高温、高压以及高速运转）的状态下工作，整机试验的目的就是要掌握发动机在不同工况下温度、压力变化情况。在不断的发展中，人们已经可以快速计算出一系列参数，但是，在航空设备使用的过程中，很多复杂情况是在制造、生产与设计阶段无法考虑到的，离开试验进行研制就是纸上谈兵。对于航空发动机而言，只有累积大量的试验数据，并在此基础上不断计算，不断改进设计才能最终设计制造出一款优秀的发动机。航空发动机拥有复杂的气动、热力结构，对于其运行工况很难通过计算来精准描述，因此，试验成为获得数据的主要途径。装配装置前，技术人员或工程师需要确认每个部件性能指标，并且在试车台上进行测试来获得对应数据，用来判断与评价设计质量。在进行发动机研制的过程中，使用大量的材料以及零部件，整机试验是判断其性能、完整性的关键。整机试验内容十分广泛，这里列举部分：（1）初始试验，这是发动机在投入使用前必须进行的一系列测试，验证装置性能；（2）设计定型试验，在设计阶段验证设计质量的试验；（3）生产定型，这是基于生产考虑，确保生产出来的发动机质量一致的试验；（4）适航审定试验，检验是否符合航空安全标准。

除此之外还有很多试验内容，进行整机试验的具体实例有：（1）吞水试验，这是模拟飞机在雨天时候吸水状况以及是否可以正常工作；（2）冰雹试验，类似极端天气下运行的测试；（3）鸟撞试验，飞鸟极有可能撞到发动机，在被撞击后，飞机运行性能判断；（4）叶片丢失测试，一旦发动机叶片脱落，性能就会受到影响，该试验是良好的评估手段。

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航空发动机整机试验重要性

在航空发动机研制中，强调走一步、试验一步，从部件到整机都是如此循环，最后才投入实用中，即便在投入使用以后，仍旧在试验。通过试验，设计薄弱环节会在试验中暴露出来，科研队伍据此进行改进。在某型发动机的研制中，设计占比10%，制造占比40%，试验占比达到50%。重视试验是航空技术不断发展的基础，也确保产品安全与可靠。在20世纪70年代的中期，发达国家研制高性能发动机的时候，忽视结构强度，导致机械设备出现大量结构问题。美军在发展中单纯追求发动机高性能，导致飞机在运行中出现诸多问题，在造成严重事故后，执行“发动机结构完整性大纲”，该大纲包含五项基本任务，其中有三项就是进行试验，每项试验任务中都有复杂的试验项目和考核指标，这充分说明试验对发动机整机运行的重要性。

航空发动机整机试验重要性具体体现在：（1）验证装置设计是否合理、性能是否优良。整机试验是系统、全面的，由专人掌控下完成的试验，确保发动机实际运行可以满足性能要求。通过实验模拟发动机在极端状态下的工作，评估发动机性能，为后续的改进提供可靠的支持；（2）累积宝贵的数据，促进航空技术的发展。整机试验累积的大量数据可以为数据管理提供可靠的支持，这对优化、改进发动机设计都有意义。不断累积、分析数据，是发动机研发与创造不断进步的体现，也是航空技术进步的表现。（3）确保实际运行的安全与可靠。由于发动机日常工作环境恶劣，这就对制造与生产提出严格要求。在高温与高压状态下工作的发动机，任何一点小的问题都会影响装备的安全。整机试验可以掌握装置在不同环境下的不同情况，保证实际运行的安全与可靠。（4）促进物理机理的认识以及理论累积。航空发动机的研制、发展都是综合、复杂的工程，其内部的气动、热力、结构材料等等都十分复杂，理论描述存在局限，试验验证可确保发动机的性能，其合理可靠，以帮助人们对物理机理有进一步的认识。因此，航空发动机整机试验对于发动机有重要意义。

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航空发动机整机试验安全风险分析

3.1 风险识别

根据国内外历史事件案例分析以及相似的事故经验所获得的教训，使用可靠的技术方法能够识别出航空发动机整机试验的安全风险。常用的识别方法有头脑风暴和预先危害分析等。根据航空发动机整机试验要求来识别试验的风险，按照实际情况来看，存在的风险如下。

（1）进气系统中有异物进入。在试验中进气流速快会导致异物吸入，进入进气道内。原因：发动机进气道没有安装防护网或者是防护网破损。发生风险后，喷口部位会有火星、振动异常情况，并且发生发动机损伤，随之会发生爆炸、物体打击的危险。（2）设备问题。试车台包含进排气、台架、燃油等众多试验，在运行的过程中极有可能会发生问题。原因：试验设备维护不及时，投入使用后极有可能发生问题。发生风险后，试验中断，发动机有损伤的风险，大概率会发生火灾。（3）消防系统问题。灭火系统、机械连锁和启动气瓶问题。原因：消防部分的维保不到位导致灭火系统不动作。发生风险后，发动机起火、试验中断、设备毁损。（4）测控系统问题。测试传感器与控制系统等发生意外，不能发送指令控制发送机。原因：软件问题，电气控制电脑蓝屏和死机，导致软件异常。风险发生后不能获得有效数据，甚至导致发动机失控。（5）发动机本体问题。试验的时候叶片掉落、轮盘破裂、轴承失效等。原因：主要是由于发动机发生意外、不可预见的问题。风险发生后（试验时人员不能进入现场，不会出现人员伤亡），掉落部件会打击燃油、滑油管路，导致燃油泄漏，极有可能产生火灾。（6）燃油与滑油管路泄漏。在试验中发动机燃油与滑油管路发生泄漏。原因：管路连接不严、外力破损所导致的问题。风险发生后，试验中断，有可能出现失火情况。（7）极端天气问题。试验会在极端天气进行，尤其是雷暴和雨雪天气都会影响到发动机性能。原因：极端天气会造成发动机的结冰影响电气系统。风险发生后试验中断。（8）员工操作失误问题。试验中员工的操纵发动机与设备失误。原因：试验人员在进行操作的时候，没有进行对应的培训，甚至出现误操作。风险发生后，对设备造成不同程度的损伤，发动机问题以及设备损坏。

3.2 安全风险分析

在风险分析时，可使用定性与半定量的方式，科学分析每个风险事件发生的可能。在风险分析中，常见的方法有风险指数评价、问题树、问题模式影响以及可靠性预计等等。安全风险可能性等级划分为I（灾难，属于较大安全事故，产品与设备完全被毁损）、II（严重，一般事故，产品与设备严重毁损）、III（较严重，人员受伤，设备破坏）、IV（轻度，人员轻度受伤，设备轻度损毁）。

对于风险清单，重点是风险源可能引发的危险与隐患，结合风险发生的可能性，对于风险的等级和可能性再次进行分析。根据风险后果与可能性等级评估，进行安全风险指数评估，根据指数评估内容，划分不同安全风险指数的接受准则，再根据接受准则评估风险。

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航空发动机整机试验安全风险的对策

4.1 安全风险应对流程

对于风险发生原因与指数，选择合适的风险应对措施，可采取的措施有：（1）规避风险，通过优化方案设计来消除风险源。消除的措施有更改方案与技术要求，选择可靠以及安全性高的材料和工艺。（2）改变风险的可能性以及改变后果，比如，补充专业力量和生产条件、严格检查管理强化安全管理措施，从而减少发生风险的概率。如使用机械化、智能化技术降低风险，尽可能减少人员损伤的后果。（3）分担风险，通过将安全风险工程外包给具备资质的第三方。（4）承担风险，风险确定后，可容忍风险以及能够接受风险。

如异物进入进气系统，选择（1）规避风险；同样选项的风险源还有试验设备问题、消防系统问题、测控系统问题、燃油与滑油管路泄漏、极端天气、误操作，均可以规避风险。发动机本体问题则可选择（2）改变风险的可能性以及改变后果。

4.2 安全风险应对策略

对于各类试验风险制定应对措施，具体有：

（1）异物进入进气系统之内，产生的后果是出现火星与振动，导致发动机损伤甚至出现火灾爆炸。具体应对措施：在进气道前或是稳压箱内，安装进气防护网。整机试验前，对进气道这种管道装置、箱体进行杂物的检查。试验的过程中，随时检查防护网状态，一旦出现破损就进行停车检查。停车后，对管道与箱体进行检查，确保里面没有异物的存在。后期使用中，定期检查，随时更换防护网。（2）试验设备问题，产生的后果是试验中断，会发生火灾等。具体应对措施：严格按照设备的保养规程对系统进行详细的检查、保养，尽可能降低设备问题风险。进行试验前，排查各处细节，确保无问题。（3）消防系统，产生的后果是火灾无法扑救，甚至会造成发动机毁损。具体应对措施：对消防系统定期检查、日常检查。试验前，对消防系统完成静态试喷。（4）测控系统问题。试验时，不能获得可靠数据，而且会出现失控情况。具体应对措施：检查仪表和传感器，按照要求定期进行校准。在进行试验前，调试控制系统，严格定期按照规程进行点检，从而降低整机问题风险。（5）发动机本体问题。产生风险后果是会导致燃油、滑油管路破损，导致燃油泄漏。具体应对措施：试验时，操作台禁止操作人员进入，试车台和操纵间有设施进行物理隔离。（6）燃油与滑油管路问题。产生的风险后果是试验中断，极有可能造成发动机失火。具体应对措施：试车前，对燃油系统进行打压验证。燃油泵与阀门电气接头的研制材质都必须使用防爆型。燃、滑油管路的连接处定期检查稳固性，对供油软管进行检查，试验前，认真检查是否存在裂纹和其他的破损情况。（7）极端天气。产生的风险是试验中断以及发动机问题。具体应对措施：雷暴天气不建议进行试验，如果特殊情况处于试验中，尽快按照程序中断、停止；天气好转后继续。雨雪天气不建议进行，空气湿度超过75%不建议进行，当环境温度在±5℃之内也不建议。在其他的温度区间内进行试验，则要打开发动机的防冰功能，注意控制试车时长。停车后，对进气壁面的结冰情况进行检查。如果试车台上雪量大，则不再进行试验。（8）员工操作失误，产生的后果是试验中断，发动机问题。具体应对措施：操作人员必须持证上岗，没有经过培训不能进行试车操作。

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结语

综上所述，航空发动机整机试验安全风险分析是发动机性能与质量保证的关键，试验是必要行为，为装置的运行安全奠定了良好的基础。本文总结了整机试验的风险源以及风险应对的讨论。从普通视角来看，航空发动机整机试验的风险水平比较低，而且风险时间也很长。试验中技术人员或者工程师需要重视每个环节的管理与控制，实现对风险的全过程的监控。通过试验杜绝风险，关注试验中的薄弱环节，在所有的风险中火灾风险最高，试验中，应该严格做好消防系统的管理。

论文来源：研究与探索·智能检测与诊断

作者：李树东，李建福，耿君，贾宏鑫

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