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航空发动机试验与测试技术的发展


航空发动机试验与测试技术的发展
郭昕,蒲秋洪,宋红星,黄明镜
(中国燃气涡轮研究院,成都610500)
摘要:试验与测试技术是航空发动机预研和工程发展阶段中的主要内容。通过对国内外航空发动机试验与 测试技术现状与发展趋势的分析,提出了发展我国航空发动机试验与测试技术的方向。 关键词:航空发动机:试验与测试技术;发展


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引言
1903年,美国人莱特兄弟驾驶自制的活塞式发动机作动力的“飞行者1号”飞机,完成了

人类首次有动力飞行。一百年前,人类实现了飞翔的梦想,一百年后,人类拥有了整个天空。 航空发动机是飞行器的动力,对飞行器的性能、可靠性、安全性至关重要。航空大国美国、 俄罗斯、英国、法国等都十分重视航空发动机的试验工作,政府研究机构拥有许多大型试验设
备,各公司的研究部门,一般也都有独立的试制车间和强大的试验室。新品研制强调走一步试

验一步,从部件到整机要通过设计一试制—试验的几个循环才能达到实用阶段,甚至投入使用
后仍在试验,使设计的薄弱环节充分暴露,并予以改进。根据统计,国外在研制发动机过程中,

地面试验和飞行试验最少需50台发动机,多则上百台才能最后定型。其中地面试验要上万小时,
最高达16000小时以上,飞行试验需5000小时以上。研制总费用中,设计占10%,制造占40%, 而试验要占50%。 经过半个多世纪突飞猛进的发展,航空燃气轮机技术日见成熟,要求减少和简化各种试验

考核项目的压力越来越大,希望将发动机试验从传统的试验——修改——试验过程转变为模型

——仿真——试验——迭代的过程。但目前地面试验仍然是发动机研制中的主要内容,而且试
验考核的要求越来越严格。值得注意的是,美国新一代军用发动机研制中,在高空台上的试验

时数比以前有大幅度的上升。美国历史上投资最大(达50多亿美元)的发动机预研计划——
IHPTET计划(综合高性能涡轮发动机技术计划)有一个突出特点,就是强化了新技术的试验验
证,新技术的验证和综合贯穿于部件、核心机和技术验证机三个阶段,这是美国航空发动机技

术发展的成功经验。可见,只有重视试验研究,航空发动机技术发展才有坚实的科学基础。 发动机测试技术是航空推进技术发展的支撑性技术,它随第一代发动机研制而产生,随需 求牵引和技术进步的推动而发展,已经历了半个多世纪的发展历程,已从稳态测试、动态测试

向着试验——仿真一体化方向发展。

早期,人们依据试验测试结果来揭示涡轮机械流动等物理现象的本质,建立新思想、新理
论、新方法,获取理论计算不可能得到的数据,积累经验数据,验证和完善设计。

随着航空推进技术、计算技术和电子计算机应用技术的发展,人们建立了更加复杂的设计 和分析方法来加速航空推进系统的研制进程,而这些工程设计与分析方法需要更多、更精密和 详细的试验测试数据来验证和确认,因此,对发动机测试也提出了越来越高的要求。主要表现 在:测试项目、内容、参数种类越来越多,测点容量、测量速度、测试精度、测试自动化程度 越来越高,测量参数动态变化范围越来越宽,发动机高温、高压、高转速、大流量等条件使参
数测量越来越困难。虽然国外许多50~60年代建设的试验设备迄今仍在使用,但所需的相应测

试设备则平均3~4年就要更新一次,才能较好满足推进技术发展的需要。 随着微电子技术、传感器技术、光电测量技术、计算机技术的迅速发展,伴随着信息时代 的到来,航空发动机测试技术也有了很大的提高。主要表现在:激光、光纤、红外、超声、射
线、敏感涂料、薄膜传感技术等有了较大发展,以计算机为中心的集散式实时数据采集、处理

与控制系统日趋完善。动态测试、信号处理与试验测试数据库技术有了较大的进步。信息时代
的发动机试验设施,能快速产生准确可靠的数据和试验结果,通过视频声像交互、数据融合处

理,建立综合试验信息系统,为客户提供“虚拟在场”试验服务:通过试验数据库、信息库和 网络设备,融合成“试验一测试一仿真”交互的一体化网络应用。随着数值模拟与试验仿真技术 的发展,试验技术将与仿真(模拟)技术紧密结合,以指导试验的正常进行,减少试验状态和 次数,缩短试验时间,保证试验质量.提高试验效率。为避免接触测量对流道干扰影响,提高 试验数据获取精度,加大试验信息(特别是三维流场分布信息)获取数量,随着光电测量技术 和图像处理技术的发展,未来的非接触测量技术必将成为发动机测试技术发展的主流。

2航空发动机试验、测试技术发展和试验设施建设
发动机试验的种类很多,试验设备、试验条件、试验环境、试验参数等也是千差万别。按试 验对象可分为零部件试验、系统试验、核心机试验、整机试验(包括地面台、高空台和飞行台试 验)。按学科专业可分为气动、燃烧、换热、控制、机械传动、结构强度、材料、工艺等各类试 验。按最终目的可以分为科学研究试验、型号研制试验和批生产发动机试验。在型号研制试验中
按不同的技术指标可分为性能试验、适用性试验和耐久性试验。回顾这半个多世纪以来,试验与

测试技术的发展和试验设备建设大致经历了酲个阶段。

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第一阶段突出性能试验,建成一批部件试验器和高空模拟试车台:测试技

术从单点模拟仪表指示、人工记录,向着多点巡回检测装置自动记录方向发展。 此阶段大约从1940年研制惠特尔发动机W2开始,至1960年前后一批飞行M数2以上的加 力涡喷发动机研制为止。由于开始研制W9时无部件试验设备,导致在原型机试验中因部件不匹 配引起喘振并烧坏了涡轮叶片,为此,R?R公司于1941年在达比建造了第一台压气机试验设备。 其后吸取了早期发动机研制中部件试验不足的教训,在美、英、法、俄(前苏联)等航空大国都 先后兴建了一批发动机部件试验设备。自1947年突破音障后,随着发动机飞行包线的扩大,普 通地面试车台已无法满足要求,于是这些国家又相继投巨资兴建了高空模拟试车台。由此带动了 高空模拟试验技术的研究并促进了发动机整机和部件性能试验技术的发展。在此期间,发动机测
试也从单点热工仪表、人工记录,逐步发展成多点巡回检测装置的自动记录。



第二阶段以适用性试验和进/发匹配试验为重点,酝酿建设新的高空模拟试验设备:

测试技术从脱机数据采集,向联机自动数据采集、记录、处理方向发展。 以60年代开始研制第一代加力式军用涡扇发动机和高涵道比民用涡扇发动机为标志,由于 进气道一发动机一喷管的流量和流场匹配问题变得非常突出,适用性试验成为重点,进气道一 发动机匹配的试验技术和试验设备得到发展并开始建设新的高空模拟试验设各。60年代初,由 于军用战斗机对中低空机动性能的追求,以及第一代加力涡扇发动机的使用,出现了飞机进气 道与发动机匹配问题,由此带动了发动机稳定性评定试验技术的研究及相应试验设施的建设。
例如在TF30发动机研制中,虽然飞行包线内稳态畸变未超过容许值,但在飞行试验中却发生了

失速喘振,于是对Flll飞机/TF30发动机的匹配进行深入研究,得出动态畸变的结论。这种动 态畸变,对试验技术、测试手段和试验设备都提出了新的要求。除了用模拟网格作稳态畸变试 验外,还发展了多种压力和温度畸变的模拟技术与试验设备。60年代末到70年代初,高涵道
比涡扇发动机开始供民用飞机使用.与民用发动机相关的试验技术得到了发展,建设了一批如 阵风、侧风、结冰、投鸟、吞砂、吞水和环境噪音等试验设备,同时也改建或扩建了一些高空

模拟试验舱,以便适应民用高涵道比发动机的连接式试验和军用发动机进气道/发动机组合的自 由射流试验要求。英国N6TE扩建了4号舱,美国阿诺德工程发展中心、P&W公司和GE公司也
相应地扩建了它们的高空模拟试验舱。晟具代表性的是ASTF(航空推进系统试验设备),阿诺

德工程发展中心从1967年开始筹建,至1990年投入使用时止,耗费6.25亿美元建成。在该设 备的试验舱内可以容纳整个飞机(战斗机)前机身一进气道一发动机的组合体,在±15。的偏 航角和+45。到一15。的迎角范围内作连续变飞行条件的瞬态试验,使得模拟高空试验条件更 接近于实际飞行情况。它采用了先进的测试系统,其测量通道数达2170个。试验技术和试验设

备的发展同时也促进了微型高频响压力传感器与探头/测耙的研制,以及动温、动压参数测试、 记录和动态数据处理技术的发展。测试技术从脱机数据采集,向联机自动数据采集、记录、处 理方向发展。 ③ 第三阶段重点转向耐久性试验,兴建了大量强度试验设备;发动机测试技

术向以计算机为核心的自动测试技术方向发展。 从70年代开始,性能试验设备已基本能满足发动机发展的需求,适用性试验继续发展,整 个试验重点转向耐久性试验,特别是低循环疲劳试验。1973年推重比8的F100发动机定型时, 其性能和抗畸变能力有了很大提高,但使用中暴露出的可靠性和耐用性问题,严重影响了飞行安 全。出于降低寿命期费用的考虑,对可靠性和耐久性提出了更高的要求,促进了强度试验和加速 任务模拟试验技术的发展。为此,美国制订了发动机结构完整性计划,并把对发动机结构的技术 和试验要求纳入发动机通用规范MIL-E一5007D中。在通用规范MIL—E一5007D中,结构试验要求增
加到14项,还增加了滑油中断、滑油箱压力、着火、吞冰和外物损伤试验。发动机和零部件试

验从22项增加到44项。同时,美国还制订了发动机结构完整性大纲(ENSTP),从结构设计准则、 试验要求、设计和分析方法及寿命监控四个方面为发动机结构发展提供了基础和方法。发动机结 构的技术和试验要求已被纳入发动机通用规范1995年的最新版本JSGS一87231A。 根据GE公司的经验,在发动机研制的试验工作量中,耐久性试验约占60~80%。为此,建 造了大量的整机和部件的强度试验设备,主要有热冲击、振动、旋转件的超转和低循环疲劳试验 器、机匣的静载荷和循环载荷、轴的各种受力试验器、发动机载荷模拟器(陀螺力矩试验器)、 核心机低循环疲劳试验器以及各种环境条件试验器,在数量上甚至超过了性能试验设备。试验方
法上发展了反映实际飞行载荷谱的加速任务试车(IMT)。

在这个阶段,随着计算机科学的进步,以计算机为核心的集中与分散相结合的自动数据采集 和处理及试验过程自动化控制技术得到长足发展。 ④第四阶段发动机系统仿真试验技术、推力矢量试验技术、发动机特种测试技术和自动 综合测试技术迅速发展。 80年代中,发动机性能试验、适用性试验和耐久性试验技术均日益完善和提高,基本的技 术和试验要求已体现在1985年版的MIL-E一87231发动机通用规范中。80年代后,飞机/推进系 统一体化设计和综合控制、发动机全权限数字控制、发动机推力矢量、隐身技术等新技术的应 用,对发动机试验提出了更高要求,试验规模越来越大、试验复杂程度越来越高、试验综合性 越来越强、测试数据越来越准确可靠。这有力地促进了发动机控制系统仿真技术、推力矢量试
验技术、以及发动机特种铡试与自动综合测试技术的迅速发展。

为降低发动机的研制周期和节约试验与研制费用,在20世纪90年代,NASA刘易斯研究

中心实施了推进系统数值仿真(NPSS,又称“推进系统数值试验台”)计划,其长远目标是通过 计算机方法综合各学科和各部件的研究结果来确定推进系统的特性,如性能、可靠性、稳定性
和寿命。目前美国国防部正在实施仿真试验和评估过程(STEP)计划,旨在将发动机试验从传

统的“试验——修改——试验”的过程,转变为“模型——仿真——试验——迭代”的过程。
而美国历时十余年的综合高性能涡轮发动机技术计划(IHPTET计划)以及高周疲劳(HCF)计 划,为试验测试提出了更高的要求,将为其提供有价值的涡轮发动机数据库,用于建立和验证 NPSS的程序和模型。发动机仿真技术虽然获得了重大发展,但由于仿真所用的计算机方法和程

序是建立在通过试验获得的数据库基础上的,其模型本身要用试验来验证,研制的发动机必须 最终通过试验鉴定。因此,发动机仿真虽然能减少某些试验项目和次数,但不可能全部取代试
验,未来两者将协同发展。

时至今日,地面试验仍然是发动机研制进程中的主要内容。P119发动机是美国空军2l世
纪初主力战斗机F22的动力。虽然设计和加工周期很短,但试验用时却很长。从1985年到1998

年底,仅F119的验证机就完成了3500h模拟高空试验。试验内容包括性能、适应性、结构完整
性和耐久性考核。

3试验和测试技术发展趋势
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试验技术和试验设备

由于飞机对发动机要求的提高,发动机研制难度越来越大。发动机的参数,如压力、温度
和流量不断提高,飞行包线不断扩大,发动机试验的种类和时数大大增加。根据第三代发动机

研制的经验,整机试验时数已达数万小时,飞行试验达7000小时,零部件试验己超过10万小
时。预计,在今后20年内,民用发动机总压比将从目前的40提高到70或更高,涡轮进口温度 将达到2200K,推力将超过60000dan,涵道比达到18~20。这将对试验设备的试验条件提出新

的要求。此外,对于推力矢量技术、复合材料新结构、磁性轴承、多电发动机、超音速通流涡 扇发动机、超微型涡轮发动机、脉冲爆震波发动机和超燃冲压发动机等新技术和新概念发动机
的研究,也将提出一些特殊的试验设备要求。

试验技术向着与仿真(模拟)技术融合的方向发展。在复杂的内流研究中,目前无论是单
独的CFD计算还是测得的试验数据,都不能很好满足鉴定复杂流场现象的需要。将实物试验与

数值仿真(数字试验)紧密结合,组成综合试验仿真系统使用,可在试验前,预示发动机性能

参数,优化试验方案,合理选择试验点:试验中,通过试验(实测)结果与仿真结果的对比, 进行试验分析,及时判断试验数据的合理性和试验的有效性,指导下一个状态的试验方向,提 高试验效率:试验后,在有限的实物试验数据基础上,通过数字仿真模型推延描述所有工作状 态下的性能,既可提高试验数据的利用价值,又能弥补试验条件和测试数据的不足。 根据航空发动机技术发展的需求,对现有的试验设备提出了改造要求,包括提高进气压力、 温度和流量:采用先进的排气管理系统;改善模拟/数值仿真的集成;改进进口压力畸变模拟能 力;应用先进的加速任务试验方法以及更准确测量排气污染的手段等。进入90年代,美国空军 阿诺德工程发展中心(AEDC),对涡轮发动机试验设备的改造重点集中在改进数据分析手段和数 据远程传输等方面。
?

测试技术

如果说,试验设备本身提供了试验条件,那么,只有采用先进的测试手段才能获得正确的 试验结果。随着航空发动机技术的发展,测试参数越来越多,测点容量、测量速度和测量精度 越来越高.测量参数范围越来越大,测量环境越来越恶劣,数据处理速度越来越快。传感技术 发展的方向是高精度、无干扰和高频响。 从目前国内外测试技术发展趋势来看,非接触式测量技术(包括非接触式传感技术、激光/
光纤技术等)将成为发动机测试技术发展的主流。由于发动机冷端部件(如压气机)转速高、

气流速度大、流路复杂,接触测量存在堵塞干扰影响,如叶尖间隙、转子叶片振动、轴芯轨迹 等参数必须用非接触铡量。鉴于激光技术不干扰流场.能测二维和三维流动情况,并有较高测 量精度等优点,因此,在国外,如LIDF、LDA(LDV)和PIV等己普遍用于压气机的研究。激光多 普勒测振和非接触叶尖定时测振技术用于高速旋转件振动测量,已越来越显示出优越性。在热 端部件中,由于高温、高压和燃气的侵蚀,应用非接触式测量技术更突出其优越性。激光、光 纤与红外辐射测温技术,薄膜测温技术和示温漆等在国外都获得广泛应用。目前,荧光温度计 技术正在迅速发展之中。此外,如激光散斑干涉应变测量系统、压敏漆等也获得了应用。 自动测试向综合测试方向发展.“虚拟在场”试验信息与数据融合,组成试验综合信息系统。 目前提出了对同一产品从研发设计、试制、生产到使用维护的全寿命过程中,采用同一标准的 测试设备和测试软件,进行“综合测试”的新概念,并继续向着应用基于VXI总线和PXI总线 的通用测试平台,结合“虚拟仪器”技术,组成开放式的多参数综合自动测试系统的方向发展。 信息技术和试验测试技术的进步,推动着对原有试验设施的改造和综合试验信息系统

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(ITIS)的建设。如美国阿诺德工程发展中心(AEDC),为满足内部和外部诸多客户对试验信息
(包括试验时采集、处理的试验数据,以及试验过程产生的全部声、像多媒体信息和数据)的

无缝存取需求,视试验信息(数据)为产品,用PDM软件为搜索引擎,管理、存储、检索试验 过程信息和原始数据库信息。并通过内部网络(NASA AERO网络、DREN/国防研究工程网)和外 部网络(如国际互联网),分别与内部、外部(远地)客户进行高带宽连接,通过试验信息与数
据的融合,采用加密传输,实现共享网络资源的数据通信。AEDC经过五年的努力,研制出综合

试验信息系统,可使世界各地的客户能就地观看试验,快速获取试验信息数据,做到就地准实
时分析,如同置身于正在试验的现场,实现在远地“虚拟在场”共享试验信息。
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计算机数值仿真

计算机数值仿真是继实物试验之后又一新型的经济有效的试验手段。目前,在先进国家, 单个部件的多学科数值仿真已经比较成熟,因而,在常规技术发动机研制时明显减少了试验工 作量,缩短了研制周期,降低了技术风险和研制成本。在数值仿真的基础上,多数部件能做到 一次试验成功。但是,数值仿真决不能完全取代实物试验,这是因为:(1)仿真所用的数值计 算方法和程序是建立在通过试验获得的数据库的基础上的,并且,数值计算方法和程序本身要 用试验来验证,用数值计算方法设计的产品最终还要通过试验来鉴定;(2)由于理论分析的发
展,对发动机内部的物理、化学和控制过程的描绘更加深入细致,这就要求试验和测试的点更

多、更精确;(3)大量的探索性研究试验是开拓未知领域,在这方面既无试验数据积累,又无 方法可循。因此,必须通过试验获得基本的概念和数据,然后才能发展出数值计算方法。 如美国空军阿诺德工程发展中心(AEDC)对包括台架过度态控制模拟、台架/一维发动机 过渡态模拟、三维发动机稳态和过渡态压缩系统失速建模、三维发动机进气道/风扇建模、三维 加力燃烧室建模,以及一维动态/稳态仿真等领域开展了重点研究。并开发了一种以模型为基础
的分析工具,可将实时动态试验数据的处理与有限元模型和试验前分析结果相融合。通过交互

式界面以图形方式实时显示分析结果,评估发动机高循环疲劳状况。该套系统称为结构动态响 应分析系统(SD-RAC)。它的关键特点是可将有限元计算结果作成数值应变图,宜接与试验中应
变片测量结果相比较。

4我国航空发动机试验条件现状和需求
4.1试验条件现状 我国航空发动机工业始建于20世纪50年代。在前苏联的帮助下,以修理、仿制、生产当

时苏制军用航空发动机为目标,建设了一批发动机制造厂。60年代在三线又扩建了一批相近水 平的工厂,同时先后组建了几个发动机设计研究所和以高空台为核心的发动机试验研究基地。 应该说试验条件上,基本满足了当时水平的仿制生产的需要。但后来几十年中,除引进斯贝发 动机试验设备稍有补充提高外,长期没有进行技术改造。面对航空推进技术的迅猛发展,我们 的基础条件就远远地落后了。目前,我国已有的发动机科研试验设备的主要问题是: (1)现有试验设备和测试仪表陈旧落后,试验范围有限,需要扩建和改造:(2)试验设备 配套不够全面,有些必要的试验手段还是空白和缺门。例如:现有试验设备以军用发动机为主, 民用发动机和燃气轮机的很少;(3)仅有一些基本的性能试验设备,结构强度、耐久性、适用 性方面的试验设备不足;(4)大尺寸的型号研制用部件试验设备不足,缺少研究性、基础性小 型试验设备。(5)由于缺少必要的试验设备,不能满足通用规范规定的试验要求。根据GTB241—87, 飞行前规定试验55项,有10项不能做或不能完全满足要求;定型试验95项,有27项不能做 或不能完全满足要求。(6)数值模拟和仿真技术落后,差距很大。(7)综合试验能力,可基本 满足中等推力、二代战斗机用发动机的仿制,但不能满足大推力、三、四代战斗机用发动机的 白行设计研制以及民机、燃机发展的需要。 4.2航空发动机研制对试验条件的需求
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预先研究所需试验设备

本着动力先行的原则,试验设备应考虑未来20年的技术发展,具有试验参数变化范围大、 测试技术先进、设备规模适中、使用灵活等特点。除三大高压部件与核心机试验器尺寸较大外, 应多建一些小型研究设备,如矢量喷管试验器、喷嘴和燃油总管试验器、空气系统、传动润滑 系统试验设各,新技术、新概念发动机试验器,级间、流场精细测量等等。


型号研制所需试验设备

型号研制方面,缺少大推力的标准地面试车台:侧风、投鸟、噪声、高低温起动等特种试 车台;适用于不同机型的高空模拟试验舱和核心机试验台;高温高压大尺寸压气机、燃烧室、 涡轮试验器、加力燃烧室试验器;补充振动强度、耐久性和适用性试验设备,适当补充大型军 用运输机发动机和燃气轮机试验台。


控制系统试验设备

发动机(包括涡喷、涡扇、涡轴、涡桨)控制系统研究和发展需要补充的试验设备,包括 电子控制器、机械液压部件、供油设备试验装置,环境与可靠性试验设备,以及整个发动机控

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制系统综合试验器。


结构强度、耐久性试验设备

为了保证发动机的结构完整性和可靠性,在预先研究和型号研制阶段,必须充分开展发动
机关键件和重要件(叶片、轮盘、机匣、轴类、转子支承系统以及齿轮、轴承等)的强度、振

动、寿命(包括高周疲劳、低周疲劳、蠕变和裂纹扩展寿命等)、破损安全(叶片抗外物打伤、
机匣包容等)和可靠性的试验研究和验证工作,补充、改建相应的试验和测试设备。

需要强调的是,发动机型号设计定型、进入小批量生产、试用以后,面临的大量工作是结 构完整性的考核、验证及寿命和可靠性增长,需要提供足够的经费、开展大量的试验工作。因 此,有些试验设备需要多套、多台。
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测试技术和设备

如前所述,测试技术急需更新而且今后还要经常不断地更新改造。根据国外经验,平均每 隔三、四年集中更新一次。结合我国国情,每个五年计划都应集中更新一次。除运用信息技术 改造传统的常规测试设备外,重点要发展特殊测试技术和设备,比如非接触式测量(流场、间 隙、温度、应力等)和动态测量分析处理系统等。

参考文献:
[1]六二四所建所30周年科技论文集. [2]吴行章.航空发动机试验测试技术发展. [3]徐通源.航空发动机试验. [4]方昌德.美国综合性能涡轮发动机技术计划和我国的对策. [5]吴大观.我国发动机研制过程中的主要经验和教训 [6]方昌德.国外航空发动机的现状和发展趋势 [7]张毽.航空发动机地面试验技术的近期发展及我们的对策.

航空发动机试验与测试技术的发展
作者: 作者单位: 郭昕, 蒲秋洪, 宋红星, 黄明镜 中国燃气涡轮研究院(成都)

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引用本文格式:郭昕.蒲秋洪.宋红星.黄明镜 航空发动机试验与测试技术的发展[会议论文] 2003


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