MIL-STD-3204《推進(jìn)系統(tǒng)完整性大綱》標(biāo)準(zhǔn)解析

劉啟國 唐 偉 朱 瑾 甄 博 韓建軍

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

MIL-STD-3204《推進(jìn)系統(tǒng)完整性大綱》標(biāo)準(zhǔn)解析

劉啟國 唐 偉 朱 瑾 甄 博 韓建軍

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

闡述了推進(jìn)系統(tǒng)完整性大綱標(biāo)準(zhǔn)的定位和目的，解析了推進(jìn)系統(tǒng)完整性大綱標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)成和重點(diǎn)內(nèi)容，并提出了我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)型號研制實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)的建議。

推進(jìn)系統(tǒng)； 完整性； 標(biāo)準(zhǔn)

完整性和完整性大綱的概念起源于美國空軍，完整性是反映航空武器裝備效能的綜合設(shè)計(jì)特性，是性能、功能、安全性、可靠性、耐久性、維修性等的綜合。完整性大綱則是航空武器裝備研制、生產(chǎn)和使用管理的系統(tǒng)工程方法，其目的是以最佳的全壽命費(fèi)用保證航空武器裝備所需要的完整性，以滿足裝備效能的要求。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的“心臟”，由于其自身高速、高溫、大負(fù)荷等工作特性，加之復(fù)雜的外場使用環(huán)境，使得發(fā)動(dòng)機(jī)成為飛機(jī)中故障多發(fā)性的系統(tǒng)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與壽命，一定程度上取決于其結(jié)構(gòu)。在20世紀(jì)60年代以前，由于重性能輕結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，造成在外場使用中和研制經(jīng)費(fèi)上遭受重大損失，其中最為典型就是F100-PW-100發(fā)動(dòng)機(jī)研制，過于強(qiáng)調(diào)高性能和高推重比，可靠性、耐久性沒有得到足夠重視，投入使用后，故障頻發(fā)，對F-15飛機(jī)的使用產(chǎn)生致命影響。為解決這一問題，美國空軍借鑒其實(shí)施飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱的成功經(jīng)驗(yàn)，從20世紀(jì)60年代后期提出了發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱（ENSIP）的概念，通過多年的探索，于1984年發(fā)布了MIL-STD-1783《發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱（ENSIP）》，采用完整性大綱來保證發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，取得了成功。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱的實(shí)施，美國空軍將最初用于解決主要結(jié)構(gòu)安全問題的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性方法拓展到整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)，在F119發(fā)動(dòng)機(jī)研制中實(shí)施“推進(jìn)和動(dòng)力系統(tǒng)完整性大綱（PPSIP）”。發(fā)動(dòng)機(jī)研制成功后，美國空軍及時(shí)總結(jié)此型發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施大綱的技術(shù)與管理經(jīng)驗(yàn)，于2008年發(fā)布了MIL-STD-3024《推進(jìn)系統(tǒng)完整性大綱（PSIP）》，其主導(dǎo)思想是將發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性延伸到整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的性能、可操作性和功能能力的完整性，以及發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)、控制器、附件及外部構(gòu)件。這種擴(kuò)展通過整合極其成功的飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱（ASIP）、航空電子設(shè)備完整性大綱（AVIP）、機(jī)械設(shè)備與分系統(tǒng)完整性大綱（MECSIP）和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱（ENSIP）等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)得以實(shí)現(xiàn)。

1 標(biāo)準(zhǔn)基本構(gòu)成

MIL-STD-3024規(guī)定了PSIP對發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、性能與可操作性、控制器及子系統(tǒng)在功能領(lǐng)域的要求，以便以最小的成本達(dá)到整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的完整性，通過一系列的規(guī)范，同時(shí)將任務(wù)時(shí)間階段化，進(jìn)行成本及周期風(fēng)險(xiǎn)管理。通過推進(jìn)系統(tǒng)的研究、項(xiàng)目獲得等各方面的計(jì)劃任務(wù)，從而確保推進(jìn)系統(tǒng)在其使用周期以及在美國空軍（USAF）系統(tǒng)支付能力內(nèi)的完整性。

MIL-STD-3024共分為6章和1個(gè)附錄，前3章為標(biāo)準(zhǔn)的范圍、引用文件和定義，第4、5章為總體要求和詳細(xì)要求，是標(biāo)準(zhǔn)的的主體，闡述了推進(jìn)系統(tǒng)完整性大綱（PSIP）的具體內(nèi)容和要求，第6章是注意事項(xiàng)，附錄A則是具體計(jì)劃里程碑中PSIP任務(wù)完成標(biāo)準(zhǔn)指南。

在標(biāo)準(zhǔn)范圍中明確了標(biāo)準(zhǔn)的定位，即通過實(shí)施推進(jìn)系統(tǒng)開發(fā)、采購和維持的綱領(lǐng)性任務(wù)，以保證其完整性。同時(shí)明確了推進(jìn)系統(tǒng)類型，僅指燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，推進(jìn)系統(tǒng)只包括發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)附件、排氣噴管，不包括進(jìn)氣道、短艙等，此處與我國研制體系中推進(jìn)系統(tǒng)的定義不盡相同。引用文件中則將美國國防部有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)的頂層規(guī)范JSSG 2007《飛機(jī)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)》和MIL-HDBK-1783《發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱（ENSIP）》作為標(biāo)準(zhǔn)的一部分，共同構(gòu)成研制要求。

遵循美國軍用標(biāo)準(zhǔn)的編排格式，第4章為通用要求，第5章為對應(yīng)的詳細(xì)要求，在這種編排結(jié)構(gòu)中，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了結(jié)構(gòu)、性能與操作性、控制和子系統(tǒng)等3個(gè)功能區(qū)，共用5種PSIP任務(wù)類型，即任務(wù)1設(shè)計(jì)信息和研制計(jì)劃、任務(wù)2設(shè)計(jì)特性描述和分析、任務(wù)3部件和子系統(tǒng)試驗(yàn)、任務(wù)4推進(jìn)系統(tǒng)地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)、任務(wù)5發(fā)動(dòng)機(jī)壽命管理。所有任務(wù)1要求普遍適用于3個(gè)功能領(lǐng)域，并在第4章中予以詳細(xì)描述，第5章詳細(xì)要求則包括3個(gè)主要小節(jié)，每一小節(jié)對應(yīng)3個(gè)功能領(lǐng)域，詳細(xì)規(guī)定了本功能領(lǐng)域驗(yàn)證任務(wù)2至任務(wù)5的要求。

第6章主要給出了特定的剪裁指導(dǎo)，使標(biāo)準(zhǔn)的理念和意圖能夠適用于推進(jìn)系統(tǒng)不同的研制類型，包括貨架購買或改進(jìn)改型等。附錄A則用表格的形式，對應(yīng)推進(jìn)系統(tǒng)采辦研制過程中里程碑節(jié)點(diǎn)及其評審，用4個(gè)附表，將通用任務(wù)1的完成標(biāo)準(zhǔn)，以及發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)任務(wù)、性能與操作性任務(wù)、控制和子系統(tǒng)任務(wù)進(jìn)行了具體分解，作為具體推進(jìn)系統(tǒng)采辦和研制的應(yīng)用指南，它不是強(qiáng)制性要求，僅僅提供一種指導(dǎo)和信息。

2 標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容

2.1 總體要求

PSIP各功能部分的任務(wù)1具有共同之處，因此MIL-STD-3024將結(jié)構(gòu)、性能和可操作性，以及控制系統(tǒng)和子系統(tǒng)等功能部分的任務(wù)1均集中在“4.4任務(wù)1的專用要求”中進(jìn)行闡述。發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)功能的任務(wù)1分為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和大綱控制兩大部分。

設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的頂層輸入。MILSTD-3024要求在任務(wù)I中應(yīng)確定影響設(shè)計(jì)的所有要求，包括大綱說明、接口控制文件、環(huán)境、內(nèi)部設(shè)計(jì)原則和成本/進(jìn)度考慮，還需制定要求和驗(yàn)證方法的矩陣，這些要求的確立主要參考聯(lián)合規(guī)范指南JSSG 2007。另外，設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中還要求對推進(jìn)系統(tǒng)的魯棒性進(jìn)行評估。這些評估應(yīng)提供在目前設(shè)計(jì)中可用的折衷空間和裕度，以及在基本設(shè)計(jì)中包括大綱是否影響魯棒性狀況。

大綱控制是后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)工作進(jìn)行的頂層依據(jù)性文件。MIL-STD-3024要求開發(fā)管理要求演變與發(fā)展的方法。針對PSIP任務(wù)完成的內(nèi)容和水平以及大綱規(guī)定的里程碑之間的過渡，要求開發(fā)相關(guān)準(zhǔn)則來進(jìn)行技術(shù)評審，確保獲取所需的知識水平和可進(jìn)入下一個(gè)里程碑的知識等級要求。PSIP主計(jì)劃是任務(wù)1的重中之重，是后續(xù)工作開展的綱領(lǐng)性文件。MIL-STD-3024要求PSIP主計(jì)劃應(yīng)合成在綜合主計(jì)劃和綜合主進(jìn)度表中。PSIP主計(jì)劃的目的是定義和采用文件的形式描述在系統(tǒng)研制和驗(yàn)證階段所需要的特定知識。該計(jì)劃對推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研制、鑒定和跟蹤綜合所有需要的PSIP任務(wù)和描述按時(shí)間階段排列的進(jìn)度表。

2.2 結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)其功能的載體，標(biāo)準(zhǔn)中提出結(jié)構(gòu)專業(yè)涉及所有發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)件和靜止件的機(jī)械設(shè)計(jì)，重點(diǎn)是在包括氣動(dòng)、熱力、壓力、離心、陀螺、機(jī)動(dòng)和聲學(xué)輸入的各種載荷和任務(wù)用法下，確保推進(jìn)系統(tǒng)的耐久性和堅(jiān)固性。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)使發(fā)動(dòng)機(jī)具備承受各種潛在破壞條件的能力，例如超轉(zhuǎn)、超溫、包容性與葉片飛出、不平衡負(fù)載、喘振/失速事件，制造或加工的材料缺陷，包括所有這些項(xiàng)目中的的隨機(jī)情況。結(jié)構(gòu)專業(yè)貫穿于從設(shè)計(jì)、研制、合格鑒定、生產(chǎn)，尤其是外場壽命管理的發(fā)動(dòng)機(jī)壽命循環(huán)的所有階段，研制任務(wù)見表1。

表1 結(jié)構(gòu)任務(wù)清單

續(xù)表1（完）

2.3 性能和操縱性

對于推進(jìn)系統(tǒng)來說，性能和可操作性是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)向作戰(zhàn)飛機(jī)提供的最終結(jié)果。在標(biāo)準(zhǔn)中對于性能的定義為：為給定燃油流量、壽命、重量、發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸及成本提供的推力或軸功率?？刹僮餍缘亩x為：持續(xù)且可靠的起動(dòng)、平穩(wěn)和靈敏的加速及減速、給定功率狀態(tài)下穩(wěn)定的推力以及無失速、熄火和燃燒不穩(wěn)定，具體研制任務(wù)見表2。

表2 性能和可操縱性任務(wù)清單

2.4 控制和子系統(tǒng)

控制系統(tǒng)包括用于保持整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的安全和可靠操作的部件和系統(tǒng)，大部分裝置位于發(fā)動(dòng)機(jī)的外部表面。根據(jù)應(yīng)用，控制系統(tǒng)可分為模擬電子、數(shù)字電子和機(jī)械液壓（并包含冗余備份）等幾種類型。通過應(yīng)用適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律，可將飛行員指令轉(zhuǎn)換成發(fā)動(dòng)機(jī)指令并最終改變推力。推進(jìn)系統(tǒng)通常有5個(gè)主要控制回路：空氣管理、燃油管理、噴口位置、轉(zhuǎn)速和飛機(jī)飛行控制輸入。

子系統(tǒng)則包括將控制指令轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)動(dòng)機(jī)硬件物理響應(yīng)的所有部件和系統(tǒng)。這些響應(yīng)通過類似作動(dòng)器或計(jì)量活門的機(jī)械液壓裝置實(shí)現(xiàn)。子系統(tǒng)主要包括燃油、點(diǎn)火、電氣、可變幾何、熱管理、液壓/燃油液壓、潤滑/回油、機(jī)械（齒輪箱、軸承等）、傳感器、防冰/除冰、管道/支架以及健康管理等，具體研制任務(wù)見表3。

表3 控制和子系統(tǒng)任務(wù)清單

續(xù)表3（完）

3 結(jié)束語

國外通過制定和貫徹相關(guān)完整性大綱，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能、功能、耐久性、安全性和可靠性等綜合指標(biāo)之間達(dá)到了較好的平衡，有效地控制了第四代發(fā)動(dòng)機(jī)研制的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，確保了研制進(jìn)度，保證了研制質(zhì)量。我國應(yīng)結(jié)合國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)研制實(shí)際情況和技術(shù)水平，對MIL-STD-3024《推進(jìn)系統(tǒng)完整性大綱》的技術(shù)內(nèi)容與管理要求進(jìn)行深入研究，而后依托這種先期研究與分析，通過MIL-STD-3024《推進(jìn)系統(tǒng)完整性大綱》技術(shù)內(nèi)容的消化吸收，形成相應(yīng)的我國軍用標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)和規(guī)范我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)型號的研制。

（編輯：雨晴）

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C

1003–6660（2014）04–0049 –04

10.13237/j.cnki.asq.2014.04.013

2014-03-26