美國提高第4代戰(zhàn)斗機發(fā)動機保障性的措施與關(guān)鍵技術(shù)

梁春華，徐慶澤

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽 110015）

0 引言

20世紀80年代初，戰(zhàn)斗機及其發(fā)動機的保障費用特別高，如1架F-16A戰(zhàn)斗機20年的保障費用高達5520萬美元，是其采購費用的3倍，同時，其戰(zhàn)備完好性又非常低，如F-15A戰(zhàn)斗機任務(wù)執(zhí)行率僅為53%。因此，保障性問題引起了美國政府與工業(yè)界的特別關(guān)注。為此，在第4代戰(zhàn)斗機發(fā)動機整個研制過程中，美國軍方和發(fā)動機設(shè)計與制造商始終貫徹保障性設(shè)計思想，將保障性與性能、質(zhì)量、研制費用和研制周期同等考慮，并通過采用可靠性設(shè)計、可維修性設(shè)計和可測試性設(shè)計等措施使保障性大大提高。

本文綜述了第4代戰(zhàn)斗機發(fā)動機采取的提高保障性設(shè)計的一些措施和關(guān)鍵技術(shù)。

1 提高保障性的措施

20世紀80年代初，在第4代戰(zhàn)斗機發(fā)動機驗證機的設(shè)計與驗證中,為了同時滿足高可靠性、高耐久性、高可維護性和低全壽命費用等保障性要求,美國政府與工業(yè)界采取多項措施。

1.1 制定相關(guān)文件，強制貫徹保障性設(shè)計思想

美國政府一直關(guān)注武器系統(tǒng)的保障性。

1964年美國國防部頒發(fā)指令DODD4100.35《系統(tǒng)和設(shè)備綜合后勤保障的開發(fā)》，提出“綜合后勤保障”的概念；1973年10月國防部頒發(fā)軍用標準MIL-STD-1388-1《后勤保障分析》和MIL-STD-1388-2《后勤保障分析記錄》，提出保障性分析的要求；1983年11月國防部頒發(fā)指令DODD5000.39《系統(tǒng)和設(shè)備綜合后勤保障的采辦和管理》，規(guī)定國防部的政策是確保用于實現(xiàn)戰(zhàn)備完好性的資源與用于實現(xiàn)進度和性能指標所要求的資源得到同等重視。

20世紀90年代后期，國防部頒發(fā)的采辦文件—國防部指令DODI5000.1－“國防采辦系統(tǒng)”和國防部指示DODI5000.2－“國防采辦系統(tǒng)的運行”，更加細化了在全壽命必須進行的保障性工作。（1）在方案精選前，首先確定保障性目標；（2）在方案精選階段，進行產(chǎn)品保障能力的評估；（3）在技術(shù)開發(fā)階段，進行決策性目標與限制條件的細化和初步產(chǎn)品保障策略的開發(fā)；（4）在系統(tǒng)研制與驗證階段，前期確定產(chǎn)品保障策略和產(chǎn)品保障計劃，后期完成產(chǎn)品保障能力的驗證；（5）在生產(chǎn)與全面部署階段，實施產(chǎn)品保障包/基于性能的后勤策略；（6）在使用與保障階段，進行產(chǎn)品保障包/基于性能的后勤策略的管理。

1.2 實施“藍二訪問”計劃，建立和固化保障性設(shè)計思想

在先進技術(shù)戰(zhàn)斗機發(fā)動機（ATFE）方案論證階段，美國空軍和海軍實施了“藍二訪問”計劃，以提高工業(yè)界對保障性設(shè)計工作重要地位的認識。

組織工業(yè)界的管理與技術(shù)人員，深入到6個地點的空軍基地、海軍空戰(zhàn)基地和發(fā)動機大修廠的一些典型維護現(xiàn)場，觀摩一線戰(zhàn)斗機發(fā)動機的維護，聽取一線保障人員的意見與建議，親手完成一些戰(zhàn)斗機發(fā)動機的現(xiàn)場維護保障工作，親身體會保障性設(shè)計工作的重要性。通過實施“藍二訪問”計劃，美國政府和工業(yè)界更直接地認識到當時存在的影響發(fā)動機保障性的一些問題；美國政府確定了第4代戰(zhàn)斗機發(fā)動機保障性設(shè)計目標；工業(yè)界確定了在保障性設(shè)計中應(yīng)該認真研究的一些領(lǐng)域。這些工作為制定更切實際的保障性目標和開展保障性設(shè)計打下了堅實的基礎(chǔ)。

在返回PW和GE公司后，參加美國空軍“藍二訪問”計劃的管理與工程人員，通過“提高保障性意識”計劃，向ATFE驗證機的所有參研人員及時地傳遞親身的感受和第4代戰(zhàn)斗機發(fā)動機保障性的基本要求（見表1），還通過組織另外的幾十名機械工程師進行發(fā)動機的現(xiàn)場維護，大大地提高了參研人員對保障性設(shè)計工作重要性的認識。

表1 第4代戰(zhàn)斗機發(fā)動機保障性基本要求

1.3 細化保障性要求

在ATFE驗證機方案論證階段，根據(jù)美國政府提出的保障性要求，借鑒使用中的發(fā)動機在保障性設(shè)計方面取得的經(jīng)驗，利用美國空軍保障性經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，PW與GE公司確定驗證機的保障性設(shè)計要求，用來指導(dǎo)該發(fā)動機的設(shè)計和研制工作。

1.4 從驗證機設(shè)計開始嚴格貫徹保障性設(shè)計思想

在明確美國空軍第4代戰(zhàn)斗機發(fā)動機保障性設(shè)計目標和要求后，PW和GE公司都高度重視貫徹確定發(fā)動機可靠性和可維護性要求值的新設(shè)計思想，通過以下4個步驟滿足各部件的可靠性和可維護性分配值的要求，實現(xiàn)性能、質(zhì)量與可靠性、可維護性的綜合平衡，以滿足軍方確定的保障性要求。

1.4.1 采取管理措施，貫徹保障性設(shè)計思想

GE公司在這方面尤為典型。為了確保從一開始就將保障性思想貫徹到產(chǎn)品設(shè)計中，在方案設(shè)計階段的早期，GE公司首先設(shè)立GE37保障性與全壽命費用管理部門經(jīng)理職位，明確該經(jīng)理與設(shè)計、計劃管理等部門的經(jīng)理地位平等；負責確定可測量的保障性目標，明確實現(xiàn)這些目標的技術(shù)與管理策略，制定保障性實施計劃；更重要的是，根據(jù)滿足保障性要求的程度，有權(quán)批準或退回設(shè)計人員提交的方案和圖紙。其次，從綜合后勤保障機構(gòu)抽出職員，組建專門的后勤保障分析小組，將后勤保障分析納入發(fā)動機設(shè)計與制造團隊的工作中，以落實MIL-STD-1388-2A后勤保障分析記錄的要求。最后，為激勵特別關(guān)注保障性設(shè)計并取得較好效果的團隊，設(shè)立專項獎。

1.4.2 保障性評審和折衷分析

保障性評審和折衷分析的目的是確保將上述保障性思想從一開始就貫徹到發(fā)動機設(shè)計中。

設(shè)計與繪圖人員首先要接受保障性設(shè)計培訓，以提高自身的保障性設(shè)計能力和吸取他人積累的工作經(jīng)驗。在繪制總體結(jié)構(gòu)圖的初始階段，設(shè)計與繪圖人員就要充分考慮部件的可拆卸與可裝配性、工具的可達性和拆卸與裝配的技術(shù)難度等因素，并在設(shè)計圖紙上必須標明可維護性工程標識；在設(shè)計之初，設(shè)計人員不僅要進行常規(guī)的氣動/機械設(shè)計評審，還要進行包括可靠性、可維護性、安全性、可生產(chǎn)性、保障設(shè)備、組裝計劃、后勤保障等方面的保障性設(shè)計評審，這可為保障設(shè)備設(shè)計人員設(shè)計出更輕、更簡單且更方便使用的保障工具奠定良好的基礎(chǔ)，也可以對發(fā)動機設(shè)計適當更改，以便于設(shè)計特定的拆卸與裝配工具；在最終設(shè)計時，設(shè)計人員要在可操縱性、可維護性、可靠性、耐久性、保障性、可修理性、費用與性能、質(zhì)量之間進行折衷分析，以實現(xiàn)綜合平衡。

另外，PW公司提供了1個發(fā)動機設(shè)計的輔助工具——發(fā)動機標準部件顯示板，以使發(fā)動機設(shè)計盡可能多地采用標準零件和相同零件。該顯示板提供螺栓、螺母與緊固件等標準件的信息和已應(yīng)用的零件在發(fā)動機上的位置。如果設(shè)計人員選擇了非標準件，必須說明其理由；如果還有相似部件，就要協(xié)調(diào)相關(guān)設(shè)計人員盡量使用相同部件。這樣可以減少發(fā)動機的零件種類。

1.4.3 盡早開展保障工具設(shè)計

發(fā)動機保障工具的總體設(shè)計要求是數(shù)量少、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、壽命長和移動方便等。因而，保障工具設(shè)計師應(yīng)盡早地參與發(fā)動機設(shè)計中，盡早地清楚發(fā)動機需要哪些、什么樣的保障設(shè)備，對設(shè)計出更少且更簡單的常規(guī)保障工具、更少的專用保障工具和更少且更輕的初級與中級保障設(shè)備起到非常關(guān)鍵的作用。

1.4.4 盡早開發(fā)數(shù)字化預(yù)組裝程序，研制全尺寸發(fā)動機樣機

在發(fā)動機硬件設(shè)計完成前，評估可維護性的一些特性，可以幫助確定可能引發(fā)的故障問題。與采用物理樣機不同，GE公司F136發(fā)動機小組首先采用商用3DCAD軟件和自行開發(fā)的專用數(shù)字化預(yù)組程序，從部件級開始模擬發(fā)動機。將該程序與先進的可視化工具一起，用于模擬部件和發(fā)動機的組裝，盡早地評估匹配、間隙與組裝程序。這些工具可以幫助確定和評估在設(shè)計早期滿足保障性要求的更經(jīng)濟的設(shè)計更改，從而減少后期更改來降低發(fā)動機總研制費用，也可以減少將來由維護引發(fā)的故障。

在設(shè)計早期，采用通用數(shù)據(jù)庫中各部件的3D實體主模型研制全尺寸樣機，在可視化和建模環(huán)境下對從設(shè)計到制造、再到保障性的所有學科進行分析，并在投入制造前，全面評估各部件的維護和保障性設(shè)計，為將可靠性和維修性納入發(fā)動機設(shè)計中提供了保障手段。主要用于設(shè)計和評估在線更換部件的可達性、管路與電纜的接口、飛機與發(fā)動機接口等外部結(jié)構(gòu)，還用于初步估算維護任務(wù)量和在線更換部件的拆卸時間。

2 提高保障性的關(guān)鍵技術(shù)

在驗證機、原型機和工程制造與研制型發(fā)動機的設(shè)計與驗證中，PW和GE公司的管理與工程人員在貫徹保障性設(shè)計思想的同時，將確定的使用和保障要求與目標作為1項基本要求，與推力、耗油率、費用等同等對待，并通過開發(fā)、驗證和應(yīng)用一些提高保障性技術(shù)，確保滿足戰(zhàn)斗機和發(fā)動機的所有保障要求。

2.1 簡化設(shè)計，零件數(shù)大大減少

采用智能的簡化設(shè)計，實現(xiàn)了發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡單化、零組件整體化和連接件標準化，進而使發(fā)動機零部件數(shù)大大減少，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度降低，制造、維護、修理過程簡化，可靠性增強，費用降低。

（a）采用3D氣動高負荷設(shè)計與反轉(zhuǎn)渦輪等先進氣動設(shè)計技術(shù)，提高葉輪機作功能力，從而減少葉輪機的級數(shù)和葉片數(shù)。

（b）采用整體葉盤、高溫樹脂基復(fù)合材料外涵機匣、成組靜子葉片、寬弦葉片、對轉(zhuǎn)渦輪與整體加力燃燒室等先進結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)，簡化部件結(jié)構(gòu)，減少零部件數(shù)。

（c）將滑油箱與附件傳動機匣集成一體，省掉18條外部管路，等于同時減少了18個潛在的漏油點。

（d）將部件標準化，發(fā)動機的緊固件最大程度地實現(xiàn)標準化，減少緊固件的種數(shù)，大大減少不同緊固件的儲備量。例如：將加力燃燒室油門閥上的所有12個系留緊固件統(tǒng)一為1個型號；對卡箍的尺寸進行合理化與標準化處理，使所用卡箍的型號由125種減少為19種；通過結(jié)構(gòu)控制，將控制風扇變幾何形狀和壓氣機變幾何形狀的各1個作動筒，改為相同的作動筒。發(fā)動機的緊固件與整個戰(zhàn)斗機的緊固件盡量采用通用件，以減少不同緊固件的儲備量。

通過簡化部件設(shè)計，使F135發(fā)動機部件數(shù)量較現(xiàn)役發(fā)動機的減少40%左右，使YF120發(fā)動機的零部件數(shù)較F110發(fā)動機的減少了40%。

2.2 開展防錯設(shè)計，提高可靠性

除了采用常規(guī)的充分利用維護經(jīng)驗和注意備用件可用性的措施外，可維護性工程師與人素工程師一起，積極探索使部件短缺問題最少的保障方案，研究因錯誤處理和/或安裝不當?shù)目赡苄宰钚〉脑O(shè)計特性，以減少因使用不當而引發(fā)的故障。

所有的緊固件都有系留繩，以防止緊固件或卡子掉入發(fā)動機艙、安裝錯誤或遺失。采用塊狀卡箍替代環(huán)形卡箍，塊狀卡箍的—半固定在發(fā)動機外殼，并采用Nomex繩與另一半固定，以防止錯裝或丟失。40%的發(fā)動機外部管路采用軟管，既便于拆裝，又減少了像硬管那樣因扳動而易斷裂的危險，但增加了費用和占用空間?；拖溲b有可視的油位指示器，所有導(dǎo)管和導(dǎo)線均用不同的顏色區(qū)分，便于監(jiān)視。

2.3 采用易于維護措施，提高可維護性

所設(shè)計的發(fā)動機可左右拆卸，并且從第5百分位的女性（身高157cm，體重45kg）到第95分位的男性（身高188cm，體重91kg）的維修人員，穿著防護服，戴著防護手套，均能對裝在飛機上的發(fā)動機進行日常維護。

所有發(fā)動機外部件均在1個層面上，不相互覆蓋，安裝于發(fā)動機下部，且能直接到達。所有易消耗件（油濾等）和與機體接口的件（發(fā)動機安裝節(jié)和燃油進口接頭）在中心位置安裝，以便于維修。設(shè)置8個內(nèi)裝無線孔探儀口，風扇和壓氣機采用對開機匣。

進行精細設(shè)計，將安裝位置較高且較重（約17kg）的FADEC系統(tǒng)增加1個把手。在拆卸時，雙手抓住把手晃動FADEC系統(tǒng)，將其搬離發(fā)動機；在安裝時，可以用鉤子鉤住把手，使FADEC系統(tǒng)臨時到位，以便維修人員騰出手來擰緊螺栓。

2.4 改進設(shè)計，縮短維護時間

采用單元體設(shè)計，甚至采用“合理的單元體”概念。所謂“合理的單元體”就是不按傳統(tǒng)的1組零件組成單元體，而是將在結(jié)構(gòu)上合理的1組零件組成1個“單元體”，作為“工廠可換組件”進行維護。這大大縮短了中間維護時間，明顯減少了備用發(fā)動機與備件的數(shù)量，有效地增強了戰(zhàn)斗機的完好性。

將大部分附件包括燃油泵和控制系統(tǒng)均作為外場可換組件（LRU）；在10～45min內(nèi)可拆下任何位置的任1個LRU（共29個），平均時間為20min。在拆卸LRU時，不需拆下管線，只需斷開即可。

發(fā)動機機匣安裝邊上的螺栓、螺母與外部管線的接頭均采用自鎖裝置，省去保險絲，以快速拆裝。在匹配件上增加防松凸緣，質(zhì)量只增加680.39g，但使全壽命費用大大降低。

電子鎧裝涂有彩色標識與防腐材料，其接頭具有自鎖裝置、快卸裝置、防錯鍵、全嚙合指示器和可識別的插頭/插座，其附件采用bloom夾，便于快速且簡單拆卸。去掉燃油泵V形帶夾的帶螺栓安裝邊，以快速拆卸。采用帶快斷（Q/D）接頭的液壓柔性管路，便于快速且方便地拆卸外部件和盡量減少使用“B”形螺母。管路碼組/懸掛管夾具有剛性安裝支架與快速拆卸功能。

PW公司將F119發(fā)動機的所有手冊（共85000頁）存入光盤，便于航線維修人員在配置可更換模塊（包含一定量信息）的手提式計算機上查閱。

通過去掉保險絲、快卸鎖與采用無修整需要設(shè)計等，GE37發(fā)動機的初級和中間級維護項目減少，外場維護工具減少，工具平均質(zhì)量減輕。

2.5 優(yōu)化設(shè)計，使保障工具最少

加強交流與實施結(jié)構(gòu)控制，使維護發(fā)動機所需的工具數(shù)最少。

拆卸LRU只需1種扳手，維修時僅需要較少的工具：如F119發(fā)動機需要11種尺寸的扳手，F(xiàn)135發(fā)動機所有可更換部件可以采用6個1組的通用手動工具進行拆卸和更換。將內(nèi)裝測試診斷系統(tǒng)與飛機保障系統(tǒng)相集成，省去發(fā)動機保障系統(tǒng)的特殊需求。去掉了保險絲，并且在安裝“B”螺母時不再需要扭矩扳手。設(shè)計多功能維修工具，盡可能多地采用已有工具。通過采用上述方法，F(xiàn)119發(fā)動機地面保障設(shè)備從F100-PW-229發(fā)動機400件減少到195件（預(yù)期為220件），特種保障工具為149件（預(yù)期為174件），通用保障工具為46件；F135發(fā)動機基本保障設(shè)備的數(shù)量比當時發(fā)動機的減少50%。

2.6 采用FADEC與狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，部件壽命明顯延長

采用在發(fā)生故障后仍能保持工作的FADEC系統(tǒng)，實現(xiàn)了發(fā)動機故障的自診與校正，大大提高了發(fā)動機可靠性，可使F119和YF120發(fā)動機的熱端部件大修間隔延長到4325個TAC和冷端部件大修間隔延長到8650個TAC（期望的使用壽命是15年）。采用狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)全壽命計數(shù)、超出極限值判定、振動監(jiān)控與風扇外場平衡處理、滑油系統(tǒng)監(jiān)控、工廠可換組件和機上可換組件故障判定、性能分析與趨勢數(shù)據(jù)累積等功能，進而實現(xiàn)發(fā)動機與部件的故障判定和隔離，大大延長了部件使用壽命。

采用綜合集成的預(yù)診和健康管理系統(tǒng)，可容易實現(xiàn)自動化后勤保障方案，提高對發(fā)動機故障判定、故障隔離、壽命用法管理等能力，以減少非缺陷性故障。這不但可以在發(fā)動機真正出現(xiàn)故障前判定發(fā)動機的誤差情況，也能夠通過采取故障隔離措施使非缺陷性故障發(fā)生幾率最少，有利于備件供應(yīng)的管理，減少維護工作和降低使用保障費用。

采用與戰(zhàn)斗機集成的飛行推進控制系統(tǒng)、飛行器管理系統(tǒng)和先進的信息處理系統(tǒng)，提供發(fā)動機健康狀態(tài)方面的數(shù)據(jù)，便于進行視情維護和保障。

通過提高對保障性的認識和采取一系列提高保障性的措施，美國第4代戰(zhàn)斗機發(fā)動機已經(jīng)達到了較高的保障性。例如，與F100-PW-220發(fā)動機相比，F(xiàn)119發(fā)動機的保障性明顯增強：外場可換組件拆換率（次/1000EFH）降低50%；工廠返修率（次/1000EFH）降低74%；提前換發(fā)率（次/1000EFH）降低33%；維修工時減少63%；平均維修間隔時間（EFH）延長62%；空中停車率（次/1000EFH）降低20%；維修費用降低70%～80%；使用級和中間級維護項目減少75%；場站級維護工具數(shù)量減少60%；保障工具平均質(zhì)量減輕40%；可運輸性（運輸各種保障設(shè)備、備件、維修人員、資料及航空電子設(shè)備中繼維修車間）增強60%。如果PW和GE公司將在通用的經(jīng)濟可承受的先進渦輪發(fā)動機（VAATE）研究計劃下開發(fā)和驗證表2所列的技術(shù)和方法，并能成功應(yīng)用，F(xiàn)119、F135與F136發(fā)動機的保障性必將得到更進一步提高。

表2 VAATE計劃開發(fā)和驗證的保障性技術(shù)和預(yù)期目標

3 結(jié)束語

綜上所述，美國在第4代戰(zhàn)斗機發(fā)動機的設(shè)計與驗證中嚴格貫徹保障性設(shè)計思想，廣泛應(yīng)用提高保障性的技術(shù)與措施，已經(jīng)滿足了較為苛刻的設(shè)計要求，并且還在利用VAATE研究計劃下開發(fā)和驗證的技術(shù)進行改進，有望取得非常好的效果。美國在研制管理、技術(shù)開發(fā)、技術(shù)應(yīng)用的一些先進經(jīng)驗，特別值得正在設(shè)計與研制中的中國先進戰(zhàn)斗機發(fā)動機借鑒和參考。

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