起飞、悬停、爬升、机动……前不久，一架新型倾转旋翼机在黑龙江齐齐哈尔圆满完成阶段飞行试验。引人瞩目的是，它搭载了我国自主研发的民用涡轴发动机——AES100系列最新功率增强型产品。
AES100是我国首个自主研发的1000千瓦级先进民用航空涡轴发动机型号。它的问世，一举打破国内民用直升机等航空器动力长期依赖进口的被动局面。通过长达数年的适航攻关，我国成功建立起民用涡轴发动机适航符合性验证体系。
“为了让它拿到‘上岗证’，研发团队自主完成多项高难度、高风险适航试验，先后闯过150小时持久试验、整机包容试验、整机结冰试验等多道‘鬼门关’。”中国航发湖南动力机械研究所首席科学家、AES100总设计师李概奇告诉科技日报记者。
这是AES100发动机。（中国航空发动机集团有限公司供图）
跨越“极限红线”
150小时持久试验，是AES100面临的第一个重大适航考核项目。该试验由25组6小时循环运转构成，模拟发动机一生中最严酷的工作状态。
“其中最难的一项是‘三红线’试验，它要求发动机的推力、转子转速、燃气温度同时抵达设计限制红线值，每组循环需稳定工作6小时。”AES100副总师杨艳美打比方，“这好比让一名短跑运动员在心跳速率和体表温度达到生理极限时，仍保持最快速度向前冲刺。”
发动机燃烧室的温度空间分布本就不均匀，“三红线”试验则会加剧这种不均匀性，极易导致局部温度过高、烧坏涡轮叶片。
如何最大程度化解燃烧室温度场不均匀性，成为AES100能否挺过“三红线”的关键。研发团队先后研究了上百种稳定燃烧构型方案。可是，筛选出的方案试验效果并不理想——试验时，发动机时常出现喷嘴表面积碳、燃烧室出口温度不稳定等情况。
“时间紧迫，我们一边优化早期构型，一边开启第二路线研制。”杨艳美说，3年时间里，团队反复调整燃烧室结构，摸索更先进的构型。
在日复一日的海量计算中，设计人员发现燃烧室温度场对旋流器流道结构、孔径和角度十分敏感。“好比做饭的灶台，增加高旋流强度的分级旋流结构，能烧出更均匀稳定的火焰。”李概奇解释。随后，团队朝着提高旋流强度的目标，不断优化流道几何结构参数和旋流分级组合，发明了“小流量双油路喷嘴+三级旋流器”构型。
此时，经优化的早期构型已走通各个技术环节，试验数据全部达标。
“要不要换用第二构型？”就在大家犹豫不决之际，李概奇拍板：“航空发动机不仅要技术‘走得通’，更要‘行得稳’‘走得远’。选择更先进的方案！”
2022年，在四川绵阳高空台上，新构型不负众望，跑出令人振奋的试验数据。多台份燃烧室起飞状态的温度场均匀度指标稳定在0.15量级，优于国际指标40%，达到国际领先水平；最高热点温度降低约80摄氏度，确保燃气涡轮叶片在极限红线温度下不被烧蚀。
2023年3月，AES100开启150小时持久试验，一次性顺利通过。
解除“振动超限”
经受住持久试验的AES100，接下来面临第二重极致考核——整机包容试验。
该试验要在发动机最高转速运行时，人为切断动力传动轴，让高速旋转涡轮叶片整圈瞬间断裂飞脱，其破坏力不亚于在发动机核心舱内引爆多枚高能炸弹。在叶片飞脱后的15秒内，发动机机匣必须牢牢“兜住”高能碎片，既不能被碎片击穿，也不能引发不可控火情。
“这是一次牺牲一台价值超千万元发动机的重大试验。”李概奇说，一旦失败，整个型号的研制进程将遭受重创。
为了这15秒，团队提前5年开始集智攻关。他们针对整机包容试验涉及的10余个技术领域和36个关键风险点，一一排除风险隐患，并开展从材料特性、零件强度、部件可靠性到模拟整机测试的层层验证。
正式试验前2个月，团队进行高速切轴装置运转调试。试验中，动力传动轴需以每分钟超30000转运转。然而，当转速达到每分钟29000转时，显示屏指示灯突然从绿色转为红色报警——振动幅度超过限制值，传动轴存在断裂风险。
试验临近，突发振动超限这一棘手难题，大家的心都悬到了嗓子眼。团队连夜分析研究，并联系多方专家研判，再三论证后，锁定问题出在传动轴系过于复杂且偏长。
为尽快解决难题，各部门参试人员纷纷从自己负责的环节提出改进思路——
“调整轴承支撑布局，缩短轴系长度。”
“完善结构细节设计，降低不平衡量。”
“优化连接轴花键型面，让连接部位更加‘天衣无缝’。”
……
最终，团队综合优化改进方案，赶在试验前解除了轴系振动超限警报。
2023年9月的试验当天，试车台附近交通管制，抢险、救援等队伍悉数到位。
关键时刻终于到来，数十双眼睛紧盯大屏幕。叶片转速达到极限时，指令下达，传动轴瞬间切断，发动机内随即传出巨大的“爆炸声”，有人不自觉地惊叫了一声。15秒，整个世界仿佛只剩下监控屏幕上跳动的数据和发动机的轰鸣，每个人都体会到了什么叫“度秒如年”。
终于，发动机按照程序正常停车、试验顺利完成，沉寂的现场爆发出雷鸣般的掌声，团队创造了我国民用涡轴发动机重大高风险试验一次成功的新纪录。
找到“冰火平衡”
整机包容试验通过后，研发团队立即着手准备最后一项高难度考核——结冰试验。
“考核标准非常严苛，要求发动机在零下30摄氏度低温、6000米高空、云雾环境等数十个典型结冰工况下，保持稳定可靠运行。”李概奇告诉记者，全程不得出现熄火、喘振、结构损伤等影响飞行安全的问题。
这场考验中，AES100将直面“风刀霜剑严相逼”。
“如果防冰措施不到位，高空云雾冰晶会被大量吸入发动机内部，高速撞击、磨损、打坏压气机叶片，进而损坏发动机。”AES100主任设计师赵尊盛解释。
为此，团队在发动机防冰结构设计上下足了功夫，为发动机穿上了两件“防寒服”：一件是进气道网罩，在进气口阻挡高风速冷气与水滴；另一件是进气组件热气防冰系统，通过管路将压气机出口的热气引入进气组件内腔，利用这股热气持续加温结冰通道。
但这套系统也有“高昂代价”。“引气加温需要占用发动机部分做功功率，一定程度上会影响整机工作效率。”赵尊盛说，这意味着大家必须在防冰效果和整机运行效率之间做好取舍，找到“冰与火”的最佳平衡点。
为了找到热气最精简高效的“行军路线”，团队开足马力进行流—固—热多学科耦合的仿真计算。回忆起那段日子，赵尊盛坦言，“简直算得头晕眼花、昏天黑地”。
经过数月持续攻坚，他们最终确定2.8%最优引气比例，在保障全域防冰效果的前提下，最大限度降低功率损耗，找到防护和运行的最佳“性价比”。
彼时，试验正值冬季。大家穿着特制厚棉袄，仔细观察发动机结冰后的状态。在典型明冰试验场景下，进气网罩前结出厚达26厘米的巨大冰块；喷雾装置制造出的云雾环境中，发动机恍若在仙境“翱翔”……
“结成的冰有时像羽毛，有时又像棉花糖，看着十分有趣，但大家的心始终是悬着的。”赵尊盛说。凭借“双重防护服”，发动机始终保持稳定运转，运行参数一切正常，成功抵御各类极端结冰工况考验，填补了国内航空发动机整机结冰适航符合性验证的空白。
“如今，依托AES100核心技术系列化发展的产品，以及衍生的涡桨、混合动力、氢燃料等新型产品，正在稳步推进研制。”李概奇表示，“未来，我们将持续推动AES100迭代升级，拓展应用场景，为我国低空经济发展、通用航空产业升级提供坚实的国产动力支撑。”
起飞、悬停、爬升、机动……前不久，一架新型倾转旋翼机在黑龙江齐齐哈尔圆满完成阶段飞行试验。引人瞩目的是，它搭载了我国自主研发的民用涡轴发动机——AES100系列最新功率增强型产品。
AES100是我国首个自主研发的1000千瓦级先进民用航空涡轴发动机型号。它的问世，一举打破国内民用直升机等航空器动力长期依赖进口的被动局面。通过长达数年的适航攻关，我国成功建立起民用涡轴发动机适航符合性验证体系。
“为了让它拿到‘上岗证’，研发团队自主完成多项高难度、高风险适航试验，先后闯过150小时持久试验、整机包容试验、整机结冰试验等多道‘鬼门关’。”中国航发湖南动力机械研究所首席科学家、AES100总设计师李概奇告诉科技日报记者。
这是AES100发动机。（中国航空发动机集团有限公司供图）
跨越“极限红线”
150小时持久试验，是AES100面临的第一个重大适航考核项目。该试验由25组6小时循环运转构成，模拟发动机一生中最严酷的工作状态。
“其中最难的一项是‘三红线’试验，它要求发动机的推力、转子转速、燃气温度同时抵达设计限制红线值，每组循环需稳定工作6小时。”AES100副总师杨艳美打比方，“这好比让一名短跑运动员在心跳速率和体表温度达到生理极限时，仍保持最快速度向前冲刺。”
发动机燃烧室的温度空间分布本就不均匀，“三红线”试验则会加剧这种不均匀性，极易导致局部温度过高、烧坏涡轮叶片。
如何最大程度化解燃烧室温度场不均匀性，成为AES100能否挺过“三红线”的关键。研发团队先后研究了上百种稳定燃烧构型方案。可是，筛选出的方案试验效果并不理想——试验时，发动机时常出现喷嘴表面积碳、燃烧室出口温度不稳定等情况。
“时间紧迫，我们一边优化早期构型，一边开启第二路线研制。”杨艳美说，3年时间里，团队反复调整燃烧室结构，摸索更先进的构型。
在日复一日的海量计算中，设计人员发现燃烧室温度场对旋流器流道结构、孔径和角度十分敏感。“好比做饭的灶台，增加高旋流强度的分级旋流结构，能烧出更均匀稳定的火焰。”李概奇解释。随后，团队朝着提高旋流强度的目标，不断优化流道几何结构参数和旋流分级组合，发明了“小流量双油路喷嘴+三级旋流器”构型。
此时，经优化的早期构型已走通各个技术环节，试验数据全部达标。
“要不要换用第二构型？”就在大家犹豫不决之际，李概奇拍板：“航空发动机不仅要技术‘走得通’，更要‘行得稳’‘走得远’。选择更先进的方案！”
2022年，在四川绵阳高空台上，新构型不负众望，跑出令人振奋的试验数据。多台份燃烧室起飞状态的温度场均匀度指标稳定在0.15量级，优于国际指标40%，达到国际领先水平；最高热点温度降低约80摄氏度，确保燃气涡轮叶片在极限红线温度下不被烧蚀。
2023年3月，AES100开启150小时持久试验，一次性顺利通过。
解除“振动超限”
经受住持久试验的AES100，接下来面临第二重极致考核——整机包容试验。
该试验要在发动机最高转速运行时，人为切断动力传动轴，让高速旋转涡轮叶片整圈瞬间断裂飞脱，其破坏力不亚于在发动机核心舱内引爆多枚高能炸弹。在叶片飞脱后的15秒内，发动机机匣必须牢牢“兜住”高能碎片，既不能被碎片击穿，也不能引发不可控火情。
“这是一次牺牲一台价值超千万元发动机的重大试验。”李概奇说，一旦失败，整个型号的研制进程将遭受重创。
为了这15秒，团队提前5年开始集智攻关。他们针对整机包容试验涉及的10余个技术领域和36个关键风险点，一一排除风险隐患，并开展从材料特性、零件强度、部件可靠性到模拟整机测试的层层验证。
正式试验前2个月，团队进行高速切轴装置运转调试。试验中，动力传动轴需以每分钟超30000转运转。然而，当转速达到每分钟29000转时，显示屏指示灯突然从绿色转为红色报警——振动幅度超过限制值，传动轴存在断裂风险。
试验临近，突发振动超限这一棘手难题，大家的心都悬到了嗓子眼。团队连夜分析研究，并联系多方专家研判，再三论证后，锁定问题出在传动轴系过于复杂且偏长。
为尽快解决难题，各部门参试人员纷纷从自己负责的环节提出改进思路——
“调整轴承支撑布局，缩短轴系长度。”
“完善结构细节设计，降低不平衡量。”
“优化连接轴花键型面，让连接部位更加‘天衣无缝’。”
……
最终，团队综合优化改进方案，赶在试验前解除了轴系振动超限警报。
2023年9月的试验当天，试车台附近交通管制，抢险、救援等队伍悉数到位。
关键时刻终于到来，数十双眼睛紧盯大屏幕。叶片转速达到极限时，指令下达，传动轴瞬间切断，发动机内随即传出巨大的“爆炸声”，有人不自觉地惊叫了一声。15秒，整个世界仿佛只剩下监控屏幕上跳动的数据和发动机的轰鸣，每个人都体会到了什么叫“度秒如年”。
终于，发动机按照程序正常停车、试验顺利完成，沉寂的现场爆发出雷鸣般的掌声，团队创造了我国民用涡轴发动机重大高风险试验一次成功的新纪录。
找到“冰火平衡”
整机包容试验通过后，研发团队立即着手准备最后一项高难度考核——结冰试验。
“考核标准非常严苛，要求发动机在零下30摄氏度低温、6000米高空、云雾环境等数十个典型结冰工况下，保持稳定可靠运行。”李概奇告诉记者，全程不得出现熄火、喘振、结构损伤等影响飞行安全的问题。
这场考验中，AES100将直面“风刀霜剑严相逼”。
“如果防冰措施不到位，高空云雾冰晶会被大量吸入发动机内部，高速撞击、磨损、打坏压气机叶片，进而损坏发动机。”AES100主任设计师赵尊盛解释。
为此，团队在发动机防冰结构设计上下足了功夫，为发动机穿上了两件“防寒服”：一件是进气道网罩，在进气口阻挡高风速冷气与水滴；另一件是进气组件热气防冰系统，通过管路将压气机出口的热气引入进气组件内腔，利用这股热气持续加温结冰通道。
但这套系统也有“高昂代价”。“引气加温需要占用发动机部分做功功率，一定程度上会影响整机工作效率。”赵尊盛说，这意味着大家必须在防冰效果和整机运行效率之间做好取舍，找到“冰与火”的最佳平衡点。
为了找到热气最精简高效的“行军路线”，团队开足马力进行流—固—热多学科耦合的仿真计算。回忆起那段日子，赵尊盛坦言，“简直算得头晕眼花、昏天黑地”。
经过数月持续攻坚，他们最终确定2.8%最优引气比例，在保障全域防冰效果的前提下，最大限度降低功率损耗，找到防护和运行的最佳“性价比”。
彼时，试验正值冬季。大家穿着特制厚棉袄，仔细观察发动机结冰后的状态。在典型明冰试验场景下，进气网罩前结出厚达26厘米的巨大冰块；喷雾装置制造出的云雾环境中，发动机恍若在仙境“翱翔”……
“结成的冰有时像羽毛，有时又像棉花糖，看着十分有趣，但大家的心始终是悬着的。”赵尊盛说。凭借“双重防护服”，发动机始终保持稳定运转，运行参数一切正常，成功抵御各类极端结冰工况考验，填补了国内航空发动机整机结冰适航符合性验证的空白。
“如今，依托AES100核心技术系列化发展的产品，以及衍生的涡桨、混合动力、氢燃料等新型产品，正在稳步推进研制。”李概奇表示，“未来，我们将持续推动AES100迭代升级，拓展应用场景，为我国低空经济发展、通用航空产业升级提供坚实的国产动力支撑。”
