每當閱兵式表演時，備受關注的莫過于精彩紛呈的特技飛行表演，除了驚險刺激的特技動作外，拉着彩色煙尾的飛機編隊也帶給觀衆視覺上美的享受。飛行表演通過各種特技動作，不僅能充分展示飛機的性能，更能彰顯國家軍事實力，展示民族精神與文化。但飛行表演中驚險刺激的特技動作，可能會給飛機帶來“危險”，為了保障特技表演過程中飛機的安全，需要發展一些“秘密武器”，航空發動機氣動失穩預報技術就是其中之一。
國慶慶典合練的飛機編隊（圖檔來源：中國新聞網）
飛行表演由各種基礎動作組成，如橫滾、筋鬥、英麥曼筋鬥，以及著名的眼鏡蛇動作等等。在這些動作下飛機發動機都會遭受進氣畸變，發動機穩定裕度衰減，此時監測航空發動機氣動穩定性是保障飛機安全飛行的關鍵。而所謂進氣畸變，即航空發動機進口流場參數與其設計的假設不一緻，若按進口流場參數不同可分為總壓畸變、總溫畸變、靜壓畸變等。在航空發動機在實際運作過程中，飛機大攻角飛行或高機動飛行以及側風進氣都會造成進氣道分離導緻總壓畸變；艦載彈射飛機起飛吸入蒸汽以及飛機發射飛彈時吸入飛彈排出的廢氣等則會引發總溫畸變。進氣畸變是航空發動機失穩的主要誘因，易造成壓氣機穩定性喪失，此時渦輪負荷和熱應力增加，壓氣機葉片發生強迫振動，極有可能對發動機造成不可逆損害，影響飛機飛行安全，是以有必要發展及時可靠的壓氣機失穩預報技術，確定在進氣畸變條件下航空發動機安全穩定運作。
飛機發動機遭遇進氣畸變（圖檔來自網絡）
航空發動機失穩導緻的嚴重後果（圖檔來自網絡）
在飛機飛行過程中我們可以通過測量發動機的壓力、振動等信号監測其運作狀态，對于壓力或振動這一類離散時間信号，如何提取其中表征壓氣機失穩特征的擾動信号呢？目前文獻中報道的航空發動機失穩預報方法較多，如相關分析、均方根分析、快速小波分析及非線性特征提取方法等，但大多數僅在均勻來流條件下适用。為了解決進氣畸變條件下的失穩預報問題，中科院工程熱實體所研究人員對國際上現有的幾種失穩預報方法開展了深入研究，并借助“小波”這一廣泛應用于地震波及腦電波分析的工具，創新性地提出了工程實用的“快速小波”失穩預報方法。
“小波”，顧名思義，即小的波形。相較于傅裡葉分析利用的正弦波，“小波”的能量有限，且在時域非常集中。這種“小波”，它可以通過伸縮平移運算有效地分析瞬時信号，可以将信号（對于航空發動機而言，是壓氣機機匣壁面測量獲得的動态靜壓信号）從時頻特性上進行拆分，提取其中擾動成分，進而提取出航空發動機失穩特征信号。
“小波”
快速小波分解過程（引自參考文獻1）
研究人員首先在多級軸流壓氣機實驗台上開展了相關實驗研究，系統地比較了快速小波分析與其他失穩預報方法在進氣畸變條件下的可靠性。研究結果表明，在周向總壓畸變條件下，快速小波分析能靈敏地感受進氣畸變對穩定性的影響，且對測點位置要求低，相較于其他預報方法更具先進性和工程實用性。随後，研究人員在徑向總壓畸變條件下通過預測最先失穩級的穩定性實作了多級壓氣機的失穩預報。
周向總壓畸變條件下失穩預報可靠性（引自參考文獻2）
徑向總壓畸變條件下失穩預報可靠性（引自參考文獻1）
基于實驗室的驗證結果，該快速小波失穩預報方法在航空發動機型号上進行了現場應用驗證，在不同轉速下的插闆畸變逼喘試驗結果顯示，快速小波分析均能在20毫秒以内快速準确地對失穩信号進行預報，可有效避免壓氣機長時間喘振造成葉片振動超标和應力過載的現象發生。
航空發動機失穩預報儀器
某型航空發動機失穩預報試驗驗證
參考文獻：
1. Yang Liu, Jichao Li, Juan Du, Hongwu Zhang, Chaoqun Nie. Stall warning strategy based on fast wavelet analysis in multistage axial compressor [J]. ASME Journal of Engineering for Gas Turbine and Power, 2022, 144: 044501.
2. Yang Liu, Jichao Li, Juan Du, Hongwu Zhang, Chaoqun Nie. Realiability analysis for stall warning methods in an axial flow compressor [J]. Aerospace Science and Technology, 2021, 115:106816.
3. 胡駿. 航空壓氣機氣動穩定性分析方法 [M]. 北京: 國防工業出版社, 2015.
4. “如何欣賞閱兵式的飛行表演？”https://www.zhihu.com/question/348481104/answer/840750863
來源：中國科學院工程熱實體研究所