美國海軍F-18飛機中的“使用任務(wù)環(huán)境法”

王光蘆，李大鵬，馬英

（中國航空技術(shù)研究所，北京 100028）

20世紀80年代，美國海軍武器系統(tǒng)和設(shè)備可靠性面臨巨大的壓力。艦載飛機低可靠性水平嚴重地削減了作戰(zhàn)效能，與此同時保障費不斷增加。其主要原因之一是由于當(dāng)時的設(shè)計和試驗要求不足以充分代表飛機、設(shè)備在實際使用中所經(jīng)受的環(huán)境。導(dǎo)致實際使用環(huán)境誘發(fā)的故障模式在設(shè)計階段未曾考慮，在驗證階段試驗中也未曾發(fā)現(xiàn)，從而使這些武器系統(tǒng)和設(shè)備的可靠性水平較低，使艦隊實際使用環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)能力很差。按照合同要求，美國海軍F-18飛機成熟期的平均故障間隔飛行時間（MFHBF）為5 h，而當(dāng)時A-7E飛機MFHBF為1.2 h，F(xiàn)-4J飛機MFHBF僅為0.6 h。要達到如此高的可靠性要求，美國海軍（NAVY）認為應(yīng)在采辦周期的初期階段就重視可靠性工作，把飛機性能、可靠性、壽命周期費用三者同時予以考慮，并在研制過程中采用新的設(shè)計和試驗方法，把可靠性設(shè)計到武器系統(tǒng)中，并通過足夠的試驗來驗證和評估可靠性設(shè)計[1]。因此，F(xiàn)-18承包商麥克唐納航空公司（MCAIR）提出了使用任務(wù)環(huán)境法（OME），即由真實任務(wù)剖面推導(dǎo)出預(yù)期作戰(zhàn)環(huán)境條件，并把該環(huán)境條件作為系統(tǒng)設(shè)計和試驗要求的基線。實踐表明這種OME 方法明顯提高了F-18 飛機可靠性和戰(zhàn)備完好性水平，同時使壽命周期費用（LCC）顯著降低。

1 使用任務(wù)環(huán)境（OME）法

F-18 飛機OME 由飛機和子系統(tǒng)在其使用壽命期內(nèi)將要遇到的所有環(huán)境事件組成。包括典型訓(xùn)練剖面、作戰(zhàn)任務(wù)剖面、飛行包線中臨界飛行條件，超過飛機正常操作極限的瞬態(tài)偏移，地面搬運和貯存環(huán)境等。OME是確定飛行載荷、振動、溫度、高度、濕度、噪聲、鹽霧和砂塵設(shè)計及試驗要求的基礎(chǔ)。這些要求包含在NAVY/MCAIR 的主要規(guī)范以及承包商給分承包商的設(shè)備購買規(guī)范中。

1.1 F-18使用任務(wù)剖面

要獲得比以往艦載機更高的可靠性，F(xiàn)-18 研制中重點強調(diào)要取得真實的使用任務(wù)剖面，然后根據(jù)這些任務(wù)剖面來定義環(huán)境要求，最后根據(jù)環(huán)境要求來設(shè)計、考核系統(tǒng)。圖1是F-18中OME方法的基本流程。實施OME要求承包商和海軍進行廣泛、全面的協(xié)調(diào)，其中第1步是確定F-18任務(wù)剖面，任務(wù)剖面代表了海軍飛機戰(zhàn)斗（VF）、海軍飛機攻擊（VA）、海面戰(zhàn)斗/攻擊（VMFA）編隊等剖面。選擇關(guān)鍵的戰(zhàn)斗和攻擊剖面以滿足最初確定的作戰(zhàn)要求，即主要任務(wù)是戰(zhàn)斗護航和攻擊（截擊）。

圖1 F-18中OME基本流程Fig.1 The basic process of OME for F-18

任務(wù)剖面是對各種作戰(zhàn)、值班周期、環(huán)境以及其它要素（艦隊部署系統(tǒng)中預(yù)期的操作說明）的詳細技術(shù)描述。任務(wù)剖面包括速度、高度、掛載武器、機動條件，它代表了飛機在其壽命周期將要執(zhí)行的任務(wù)模式。這些信息對承包商的系統(tǒng)設(shè)計和試驗而言是非常重要的。它提供了系統(tǒng)和設(shè)備可靠性和性能檢測基線。因沒有軍用標準方法來設(shè)計任務(wù)剖面，軍用采購規(guī)范不能提供任務(wù)剖面，承包商也沒能力去設(shè)計任務(wù)剖面。以往艦載飛機沒有根據(jù)真實的任務(wù)剖面來進行設(shè)計和考核，致使其使用可靠性水平較低。

海軍戰(zhàn)斗和攻擊的典型任務(wù)如下：1）戰(zhàn)斗護航；2）攻擊空中巡邏；3）甲板彈射截擊；4）空中格斗訓(xùn)練；5）空中攔截；6）近距空中支援；7）低空導(dǎo)航/攻擊；8）水面搜索；9）空中轉(zhuǎn)場；10）儀表飛行。根據(jù)作戰(zhàn)需求確定關(guān)鍵攻擊任務(wù)，根據(jù)飛行中隊調(diào)查結(jié)果、相似飛機訓(xùn)練大綱要求、飛行員經(jīng)驗數(shù)據(jù)來確定訓(xùn)練任務(wù)。同時也需確定每個任務(wù)的執(zhí)行頻率、飛行/停放比率、戰(zhàn)斗/訓(xùn)練比率等，這3個參數(shù)主要依據(jù)以往經(jīng)驗和F-18 的作戰(zhàn)使命確定。每個任務(wù)最多可包含15 個階段（爬升、巡航、攻擊、空中加油、下降等）。計算出每個階段的任務(wù)參數(shù)，例如馬赫數(shù)、高度、距離、油量和時間。美國海軍航空兵系統(tǒng)指揮部提供了這些任務(wù)參數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

為確定F-18的設(shè)計和試驗條件，要求一個任務(wù)剖面包含所有作戰(zhàn)狀態(tài)。表1為F-18飛機的合成任務(wù)剖面，該剖面是通過對多個任務(wù)剖面中作戰(zhàn)參數(shù)和使用頻率的加權(quán)計算得出。把該合成任務(wù)剖面時間轉(zhuǎn)換成飛機使用壽命期內(nèi)的6 000飛行小時，并增加與飛行任務(wù)對應(yīng)的地面使用活動時間，其結(jié)果見表2。盡管F-18飛機在大部分時間內(nèi)都是根據(jù)合成任務(wù)剖面中的參數(shù)進行飛行的，但也需覆蓋合成任務(wù)剖面以外的狀態(tài)。因此，選擇了一些臨界設(shè)計狀態(tài)（飛行包線）。飛行任務(wù)剖面、飛行包線、地面使用構(gòu)成了F-18的使用任務(wù)剖面。

1.2 F-18使用任務(wù)環(huán)境

確定F-18的使用任務(wù)剖面之后，其對應(yīng)環(huán)境也基本確定，盡管預(yù)期使用環(huán)境包括多種環(huán)境因素，其中有幾個環(huán)境因素是導(dǎo)致設(shè)備故障的主要原因，包括：1）飛行載荷（通常用加速度表示）；2）振動、沖擊和噪聲；3）溫度、高度和濕度；4）鹽霧、砂塵。有關(guān)研究表明溫度、振動和濕度是誘發(fā)飛機設(shè)備故障的主要環(huán)境因素，圖2 為航空電子設(shè)備環(huán)境因素誘發(fā)的故障情況分布圖。由圖2 可知86%的故障是由于溫度、振動和濕度所導(dǎo)致。因此，在F-18 的OME 中重點采用了這3 種環(huán)境應(yīng)力。其它環(huán)境因素，盡管對現(xiàn)場故障的影響比較小，但也很重要，在OME 中也對它們進行了考慮。

表1 海軍F-18合成任務(wù)剖面Table 1 Composite mission profile of navy's F-18

圖2 環(huán)境誘發(fā)的故障分布Fig.2 Distribution of failure for different environment

1.2.1 飛行載荷環(huán)境

合成任務(wù)中最大的機動部分是空中戰(zhàn)斗機動階段（ACM）。ACM的持續(xù)時間是3.34 min（整個戰(zhàn)斗階段是8.11 min），雖然時間僅為整個任務(wù)時間3%，但在該階段經(jīng)受的環(huán)境極值非常嚴酷。用F-15的實際飛行載荷來預(yù)計F-18的正常載荷環(huán)境（如圖3所示），圖3表明在ACM階段中有2.5%的時間段內(nèi)，F(xiàn)-18將經(jīng)受超過其設(shè)計極限載荷系數(shù)（7.5 g's）的應(yīng)力。

圖3 ACM載荷系數(shù)分布Fig.3 Distribution of load coefficient for ACM

表2 海軍F-18飛機各階段時間Table 2 Phase time of navy's F-18

1.2.2 溫度環(huán)境

影響飛機設(shè)備溫度環(huán)境外部因素主要有艙內(nèi)溫度、飛行高度和馬赫數(shù)，影響飛機設(shè)備溫度環(huán)境內(nèi)部因素主要有設(shè)備發(fā)熱量和飛機給設(shè)備的冷氣供應(yīng)量。對F-18 設(shè)備溫度環(huán)境的外部因素研究主要包括：1）陸基和海洋使用區(qū)域氣候；2）海平面及空中溫度分布標準；3）任務(wù)階段環(huán)境條件，例如馬赫數(shù)、高度、頻率以及時間；4）極端的瞬態(tài)機動及其快速溫度、壓力和濕度變化。結(jié)合影響飛機設(shè)備溫度的內(nèi)部因素的研究結(jié)果，把F-18 飛機分成11 個溫度區(qū)域，并確定了每個溫度區(qū)域設(shè)備的設(shè)計和試驗要求。

1.2.3 振動環(huán)境

振動對設(shè)備可靠性有很大影響。F-18 的振動設(shè)計規(guī)范是根據(jù)其它飛機（包括YF-17樣機）的飛行實測振動數(shù)據(jù)及其任務(wù)剖面對應(yīng)的預(yù)期環(huán)境而制定的。按照圖4 對F-18 飛機設(shè)備的振動量級進行劃分。在制定振動規(guī)范中主要考慮了關(guān)鍵的飛行階段（彈射起飛和著陸、低空大馬赫數(shù)飛行、空中格斗機動和炮擊）以及一些正常的飛行條件。

圖4 F-18飛機設(shè)備振動劃分Fig.4 Vibration zone for F-18 device

1.2.4 地面環(huán)境

F-18 壽命周期內(nèi)飛行時間少于4%。其它時間都是在陸基或甲板上貯存、運輸和維修。這些階段（約占96%的時間）的環(huán)境在F-18的系統(tǒng)設(shè)計中都有考慮。地面非工作環(huán)境主要包括海水飛濺、雨水、非核動力艦的排氣、其它飛機排出的廢氣、電磁干擾和空中污染物；地面工作環(huán)境包括加油、掛載武器、檢查和維修等。這些都在設(shè)備設(shè)計要求中加以考慮。

2 F-18完整性試驗大綱

F-18 完整性試驗大綱在初期階段用于指導(dǎo)確定設(shè)計要求，在后期階段用于驗證設(shè)備是否是按照已定的要求進行生產(chǎn)。隨著飛機集成水平的提高和環(huán)境復(fù)雜性的不斷增加，該大綱確定了試驗的合理順序，并要求將試驗結(jié)果反饋給研制者以生產(chǎn)出具有高可靠性水平的設(shè)備。試驗分為3 種類型，即研制試驗、驗證試驗和驗收試驗。研制階段目標是對關(guān)鍵任務(wù)環(huán)境的設(shè)計評估。包括性能試驗、環(huán)境試驗、基于試驗分析改進（TAAF）的可靠性增長（包括閉環(huán)故障報告）。驗證階段目標是在實驗室和實際飛行中驗證設(shè)計要求。該試驗中包括了50 個架次飛行，專用于可靠性水平驗證。驗收階段試驗主要用于設(shè)備批量生產(chǎn)，驗證生產(chǎn)工程和工藝是否固化，性能和可靠性水平是否滿足規(guī)定要求。

為滿足試驗進度和經(jīng)費要求，采用加速試驗方法來壓縮實際的設(shè)計壽命時間，縮短試驗時間。對于某些任務(wù)關(guān)鍵設(shè)備（例如雷達）采用溫度、振動綜合環(huán)境進行試驗。設(shè)備規(guī)范中包括詳細的可靠性研制試驗要求，該要求可以根據(jù)F-18中OME對MIL-STD-7 81B以及有關(guān)規(guī)范中試驗環(huán)境進行剪裁，表3為典型電子設(shè)備OME中試驗技術(shù)條件剪裁簡況[2]。

表3 航空電子設(shè)備OME中試驗條件Table 3 Test condition of avionics equipment with OME method

3 OME對可靠性水平的影響

F-18 成功的關(guān)鍵要素之一是其可靠性明顯的高于當(dāng)前艦載飛機F-4J 和A-7E。任務(wù)需求的越來越多變，為滿足性能提高的需求，武器系統(tǒng)也更加復(fù)雜。作為一個設(shè)計參數(shù)，為在研制階段可以驗證、在生產(chǎn)階段可以控制、在使用階段可作為一個使用特征參數(shù)，可靠性水平變得越來越難以確定和達到。在系統(tǒng)的壽命周期內(nèi)采用周密的、有效的可靠性工程方法可以使這些困難最小化。OME方法根據(jù)真實任務(wù)剖面而得到的預(yù)期使用和環(huán)境條件為起點，來剪裁規(guī)范和試驗。設(shè)計參數(shù)以O(shè)ME為基礎(chǔ)，并與高可靠性部件大綱和嚴格的試驗要求相結(jié)合，來確保獲得最高可靠性水平。F-18 可靠性水平的提高主要原因之一在于OME 設(shè)計和試驗都是經(jīng)過承包商的評估。如圖 5 所示，采用 OME 法后，F(xiàn)-18 飛機可靠性水平明顯提高。

4 OME對壽命周期費用的影響

圖5 采用OME后的可靠性水平的增長Fig.5 Reliability growth after using OME method

武器系統(tǒng)的壽命周期費用（LCC）是該系統(tǒng)在整個壽命期內(nèi)采辦費用和使用保障（O&S）費用的總和。典型武器系統(tǒng)O&S 費用約為LCC 的60%～75%。武器系統(tǒng)價格的增加以及國防預(yù)算的相對固定或減少，迫使美國國防部（DoD）在采購新系統(tǒng)時要考慮其總經(jīng)費投入。由于O&S的要求是來源于該系統(tǒng)設(shè)備（可靠性、維修性和產(chǎn)品價格）的設(shè)計，購買一套新系統(tǒng)的同時也決定了接受該系統(tǒng)的維修保障費用。因此，在研制周期的早期階段考慮LCC 是非常重要的。一旦系統(tǒng)設(shè)計完成或系統(tǒng)裝備部隊，再去降低O&S費用，是極其困難的。

美國海軍在研制階段初期就對F-18 的O&S 費用進行了詳細的預(yù)計和分析，這為節(jié)約費用打下了基礎(chǔ)。達到可靠性和維修性目標保證值將使F-18的人力費用比A-7E 降低20%～30%。在明顯降低LCC的同時，也有助于減輕航空母艦上擁擠的工作和生活條件。那些達到項目里程碑目標和有關(guān)LCC要素的承包商獲得了最多1 500 萬美元的獎金。獲得獎勵的LCC要素包括：能驗證設(shè)計費用/LCC合理；子承包商或供應(yīng)商都能有效控制LCC；有可接受的后勤保障分析；能降低維修飛機人員技術(shù)水平要求。

F-18 設(shè)備可靠性的提高是減少O&S 費用和LCC 的一個主要因素，F(xiàn)-18 中O&S與可靠性水平敏感模型如圖6 所示。如前所述，F(xiàn)-18 可靠性水平提高的一個關(guān)鍵因素是把預(yù)期的使用任務(wù)環(huán)境作為設(shè)計和試驗要求的基礎(chǔ)。F-18 項目辦公室需承擔(dān)OME設(shè)計和試驗所帶來的費用，因此，其根據(jù)項目的資金來權(quán)衡設(shè)計費用和LCC。F-18項目管理者在選擇設(shè)備進行OME設(shè)計和試驗的原則是：1）與任務(wù)成功率密切相關(guān)的設(shè)備；2）影響飛行安全的設(shè)備；3）采用了新技術(shù)的設(shè)備；4）費效比分析結(jié)果。如果某產(chǎn)品費效分析表明獲得的獎金將超過因選擇OME 而產(chǎn)生的額外費用，承包商也有可能在對該產(chǎn)品進行OME 試驗，美國海軍已對13 個產(chǎn)品進行OME 設(shè)計和試驗，即雷達、飛行控制電子部件、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、多功能顯示器、空調(diào)系統(tǒng)、輔助電源單元、輔助駕駛系統(tǒng)、駕駛員頭顯、動流量燃油泵、液壓容器部件、維修監(jiān)視控制板、渦輪啟動控制閥、前部控制單元。這13 項產(chǎn)品因采用OME 設(shè)計和試驗額外增加的費用約為3 百萬美元，而節(jié)省的LCC 約為1.002 億美元，其回報率為30∶1。圖7為美國海軍采用了OME設(shè)計和試驗要求的部分設(shè)備及其節(jié)約的LCC。

圖6 O&S與可靠性水平敏感模型Fig.6 Sensitive model between O&S and reliability

圖7 OME設(shè)備及其LCC節(jié)省Fig.7 OME equipment and it’s LCC saving

5 結(jié)語

許多武器系統(tǒng)的現(xiàn)場可靠性水平遠低于其要求文件中的規(guī)定值和研制試驗中的驗證值，傳統(tǒng)的設(shè)計和試驗要求以及方法既不能有效地提高戰(zhàn)備完好率水平，也不能抑制LCC 的增長。在F-18 項目中，通過采用OME法，用真實任務(wù)剖面來確定飛機預(yù)期使用環(huán)境，并把該環(huán)境提供給系統(tǒng)和設(shè)備的設(shè)計者，在研制階段和驗證階段利用這些環(huán)境來考核評估產(chǎn)品是否達到規(guī)范和可靠性要求。更加真實的設(shè)計和試驗使F-18可靠性顯著提高，并提升飛機的作戰(zhàn)效能，降低了后期的使用和保障費用。

[1]DOUGLAS P，DUNBAR JR. A“New Look”in Reliability—F-18 Operational Mission Environment[J]. USA Defense systems management college，1977，60—61.

[2]海軍裝備部飛機辦公室，中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心.國外艦載機使用保障[M].北京：航空工業(yè)出版社，2008：58—60.