美國航空發(fā)動機通用規(guī)范演變分析

張 華 葉 巍 李紅軍

（1.中航工業(yè)綜合技術研究所，北京 100028； 2.中國燃氣渦輪研究院，四川 成都 610500；3.空軍裝備部，北京 100081）

美國航空發(fā)動機通用規(guī)范演變分析

張 華1葉 巍2李紅軍3

（1.中航工業(yè)綜合技術研究所，北京 100028； 2.中國燃氣渦輪研究院，四川 成都 610500；3.空軍裝備部，北京 100081）

對JSGS-87231A、JSSG-2007、JSSG-2007A、JSSG-2007B各版本的美國航空發(fā)動機通用規(guī)范的演變情況進行了概要分析。

航空發(fā)動機；通用規(guī)范；分析

航空發(fā)動機通用規(guī)范是發(fā)動機設計、加工制造、試驗、使用等諸多方面研制工作經驗教訓的結晶，體現(xiàn)了各項基本技術要求，使設計、加工制造、試驗、使用等工作有章可循。根據(jù)各具體型號的特點，對通用規(guī)范剪裁形成具體的航空發(fā)動機型號規(guī)范。它是型號發(fā)動機研制工作的指導性文件，是發(fā)動機研制技術工作的依據(jù)，也是使用方驗收發(fā)動機的重要依據(jù)。

1 版本演變

20 世紀50年代，美國編制了MIL-E-5007A《航空發(fā)動機通用規(guī)范》，70年代，相繼頒布了MILE-5007D《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發(fā)動機通用規(guī)范》和MIL-E-8593A《航空渦槳、渦軸發(fā)動機通用規(guī)范》。80年代，美國空軍發(fā)布了MIL-E-87231《航空渦噴渦扇發(fā)動機通用規(guī)范》。1995年1月發(fā)布JSGS-87231A《航空渦噴渦扇渦軸渦槳發(fā)動機聯(lián)合使用指導規(guī)范》代替MIL-E-87231，將范圍擴充成適用于航空渦噴、渦扇、渦槳和渦軸發(fā)動機，且進一步豐富了使用指南，并批準供國防部各部門和各機構使用。1998年又發(fā)布JSSG-2007《航空渦噴渦扇渦軸渦槳發(fā)動機聯(lián)合使用規(guī)范指南》，它也未提及替代哪一規(guī)范，但明顯是作為JSGS-87231A的修訂版，兩者內容基本一致，僅標準格式略作調整，在指導意見和經驗教訓上有所增刪。比較重要的一點是：不僅在名稱上更突出了指南的性質，將“聯(lián)合使用指導規(guī)范”（JSGS）改成了“聯(lián)合使用規(guī)范指南”（JSSG），且明確不作為規(guī)定。

美國于2004年和2008年分別頒布了JSSG-2007A和JSSG-2007B。從行文上看，兩者變化不大，相對于JSSG-2007而言，主體框架沒有實質性的改變，但特別增加了發(fā)動機的經驗教訓上的案例說明?？梢钥闯?，在發(fā)動機研制過程中，標準的更新也是必須貫穿到發(fā)動機的研制過程中。

從上述演變可以看出：

隨著科學的進步和技術的發(fā)展，標準的不斷修訂與完善是必然的。美國航空發(fā)動機通用規(guī)范從1973年到2008年就出現(xiàn)了10種版本，可見他們對標準的不斷修訂與完善是一項日常性的工作。

美國航空發(fā)動機通用規(guī)范曾經歷了供國防部所屬各部門、各機構使用，空、海軍各自使用，再到國防部所屬各部門、各機構使用的循環(huán)。從標準化的角度出發(fā)，應能爭取做到各部門、各機構通用，但當不同部門和機構有特定要求時，在通用標準的基礎上制訂各自使用的標準也是必然的。而當出現(xiàn)這種情況后，還應盡可能再把它們統(tǒng)一起來。

從MIL-E-87231到JSGS-87231A，其標準號沒有變；而從JSGS-87231A到JSSG-2007B，則是從標準的體系上有了變化，即：美國現(xiàn)在已把武器系統(tǒng)的標準統(tǒng)一在JSSG的體系下。這可從JSSG-2007B原文前言：“……它是一套規(guī)范指南中的一冊。這是該指南的最初版本。在某種意義上說來，將該文件繼續(xù)改進將作為一個待完成的發(fā)展大綱 ”，及附錄A的A.1.2節(jié)中：“整套聯(lián)合使用規(guī)范指南（JSGS）確立了一個通用框架，以便政府工業(yè)部門的大綱小組在航空界制定航空系統(tǒng)、飛行器和主要子系統(tǒng)大綱特定要求的文件使用”得到證明。

本文主要通過對JSGS-87231A、JSSG-2007、JSSG-2007A和JSSG-2007B的格式、性質、主要內容等開展分析研究，進一步了解國外先進航空發(fā)動機頂層規(guī)范的演變情況。

2 格式與范圍演變

2.1 格式

編排格式上從MIL-E-5007系列到JSGS-87231A有較大的變化，而再到JSSG-2007、JSSG-2007A和JSSG-2007B則基本相同。編排格式的變化主要是使歸類更加合理。

把結構完整性的內容都歸納在一起；

把所有系統(tǒng)都歸納在一起，把MIL-E-5007系列中的13個系統(tǒng)有所增刪，歸成了16個子系統(tǒng)和部件；

把“易感性”的噪音、紅外、紫外等環(huán)境影響，和“易損性”歸成戰(zhàn)斗生存力；

JSSG-2007至2007B在章節(jié)標題上基本上沒有變化，只是針對個別條款的要求。

2.2 范圍

JSGS-87231A規(guī)定了有人飛機燃氣渦輪發(fā)動機的項目定義、性能、工作特性、可靠性、維護性、子系統(tǒng)、物理特性、總體設計、安裝和界面要求，也規(guī)定了為滿意完成和驗收由使用部門所要求的合格鑒定重要研制階段——初始飛行許可、全面飛行許可、初始使用許可和工作能力許可的分析、檢查、演示和試驗程序。

JSSG-2007的應用范圍給出了為具體應用而對JSSG-2007的第3和4章進行剪裁所必需的基本理由、指導、背景、經驗教訓和說明。

JSSG-2007A在2007的基礎上補充了以下的描述：“此應用同樣適用于固定或轉動機翼、寬體、有人駕駛或無人駕駛的航空器?！?/p>

JSSG-2007B在2007A的基礎上進一步明確，發(fā)動機要求在本手冊中，其他推進與動力相關系統(tǒng)，如燃料、電氣設備、起動機、輔助動力裝置、機械系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)以及螺旋槳（推進器）在JSSG-2009中，推進系統(tǒng)綜合要求在JSSG-2001中。

2.3 性質

標準的性質，通常按其須遵循的嚴格程度可分成：規(guī)范、標準、手冊（指南）、出版物。MIL-E-5007系列皆為通用規(guī)范，并不針對具體某一型號的發(fā)動機。發(fā)展至MIL-E-87231，在內容上增加成“規(guī)范+手冊”， JSGS-87231A版本則演變成“指導規(guī)范”形式（JSGS），JSSG-2007系列進而改成“規(guī)范指南”（JSSG），即從規(guī)范性質變成了手冊性質。

3 內容演變

3.1 主要內容

總體上看，JSSG-2007系列與JSGS-87231A相比，調整了指導和經驗教訓的內容，指導性更強（MIL-E-5007系列只有正文）。JSSG-2007B相比2007和2007A，正文主要條款幾乎無變化，主要變化體現(xiàn)在附錄中的指導、背景和經驗教訓的細化和豐富。

3.2 性能和整機試驗

3.2.1 總體性能

傳統(tǒng)表示發(fā)動機總體性能的方法，大多采用“平均值”（或“名義值”）加公差帶。從MILE-5007D開始，對總體性能的表示采用最低性能概念，即推力最小，耗油率最高。從JSGS-87231A開始至JSSG-2007B又引入了惡化性能概念，即發(fā)動機經過使用后，性能惡化不能低于某個要求。JSSG-2007B指出，惡化性能取決于環(huán)境條件和發(fā)動機狀態(tài)使用。對渦噴、渦扇發(fā)動機平均惡化3%～5%，有時達7%～10%；對渦軸、渦槳發(fā)動機平均惡化10%～15%，有時達20%。

影響總體性能的飛機/發(fā)動機界面性能需重視，在JSSG-2007B中指出：進氣壓力變化率取決于飛機的俯沖和拉起，進氣溫度變化率取決于飛機武器排氣的溫升和溫升率。此外，針對進氣畸變這一要求，還提出了“發(fā)動機可恢復性”要求，事實上，這一要求是針對防喘系統(tǒng)而言。

JSSG-2007B對發(fā)動機應能適應的環(huán)境條件提出了全面的要求，包括：大氣環(huán)境條件（溫度、濕度、冷凝度、霉菌、腐蝕性氣體、結冰等）、吞咽外物的環(huán)境條件（吞鳥、吞冰、吞砂石和灰塵、吞大氣中液態(tài)水、吞武器排氣、吞水蒸汽）和電磁環(huán)境條件（電磁干擾、系統(tǒng)內電磁相容性、系統(tǒng)間電磁相容性），并增加了核輻射、紫外輻射和生物、化學影響等核環(huán)境和非核環(huán)境下生存能力的試驗。

JSSG-2007B用相當多的篇幅論述（氣動）穩(wěn)定性問題。指出：一個工作穩(wěn)定、無失速/喘振且能滿足飛機工作要求的發(fā)動機是最重要的。失速或喘振可能導致飛機和工作人員的損傷。大量研究和使用經驗表明，與（氣動）穩(wěn)定性有關的因素主要有發(fā)動機進口氣流擾動、發(fā)動機內部擾動、批生產發(fā)動機制造的公差帶的分布、批生產發(fā)動機總體氣動參數(shù)的分散度以及長期工作后的零件磨損、間隙擴大、葉片型面變形等。針對這么多復雜的因素，必須通過各種方法完成穩(wěn)定性檢查和試驗。地面工作狀態(tài)和空中工作狀態(tài)均要檢查，包括發(fā)動機工作的邊界狀態(tài)。

3.2.2 整機試驗

按發(fā)動機型號研制階段的劃分進行整機試驗，各版本不僅階段劃分有所變化，而且每一階段整機試驗的項目、內容也有不同。例如，MIL-E-5007D整機試驗項目為22項，1983年MIL-E-5007E增至23項，1988年MIL-E-5007F增至25項，JSGS-87231A增至29項，JSSG-2007、2007A到目前的2007B基本沒有變化。

按發(fā)動機型號研制的特點，有針對性地選擇整機試驗。雖然隨著發(fā)動機設計試驗技術不斷進步，JSSG-2007B中列出了29個項目，但并不表示每個型號發(fā)動機都要做這么多項目的整機試驗。型號研制工作實踐表明，對某一型號發(fā)動機必須要按該型號研制的特點，有針對性地選擇某幾項整機試驗。JSSG-2007B所列出的每個試驗項目的說明、指導、背景、經驗教訓為發(fā)動機設計師（承包商）提供了廣闊的選擇余地，可有針對性地選擇整機試驗項目。

JSSG-2007B對每項整機試驗所提的要求重點突出，考核目的明確。但在規(guī)范的說明、指導、背景、經驗教訓等條文中，反復強調整機試驗應循序漸進，不能操之過急。例如進氣畸變試驗，在5套畸變裝置的試驗中，可以先做3套，然后根據(jù)情況再繼續(xù)往下做。又如，進行發(fā)動機空中起動試驗時，應先做“純”發(fā)動機的包線（即不包括用戶引氣和功率提?。缓笤侔磳嶋H情況接著做。再如在耐久性試驗中，一般不帶進氣畸變裝置，然后在取得一定結果后，再考慮是否帶上真實的畸變裝置等。

3.3 結構完整性

MIL-E-5007系列中有關結構完整性方面的內容相對來說過于分散。從MIL-E-87231開始，在3.4和4.4“可靠性和維修性”的3.4.1.2和4.4.1.2的“耐久性要求”中分別規(guī)定了“發(fā)動機設計要滿足MILSTD-1783的耐久性要求”和“MIL-STD-1783的要求要由試驗和分析來驗證”。MIL-STD-1783是1984年頒布的專門關于發(fā)動機結構完整性的軍用標準。雖然MIL-E-87231只在“耐久性要求”中引用MIL-STD-1783，并沒有其它有關結構完整性方面的規(guī)定，但可以認為MIL-E-87231實際要引用的是MIL-STD-1783的全部。

JSSG-2007B的3.4和4.4“完整性”的章節(jié)安排與JSGS-87231A的基本相同，只是取消了JSGS-87231A中有關“熱件”、“冷件”、“消耗件”、“軸承”、“附件”、“內部環(huán)境”、“壓力容器/機匣”、“復合材料”、“轉子葉片、輪盤和靜止結構的振動”、“災難性破壞”、“持續(xù)加速”、“沖擊”的條款，將有關的重要內容并入了其它有關章節(jié)。增加了“軟件完整性”的條款。另外將“壓力平衡”改名為“軸承載荷”，將“初始裂紋尺寸”和“使用中檢查裂紋尺寸”合并成“產品的初始裂紋尺寸和使用中裂紋尺寸”，將“檢查間隔”和“裂紋擴展”合并成“裂紋擴展和檢查間隔”。

3.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的變化較大，主要是由于近20年來發(fā)動機廣泛使用具有很強的快速計算和信息處理能力、控制功能和控制性能大為提高、能更充分發(fā)揮發(fā)動機的潛力、提高控制的自動化程度和減輕飛行員的負擔的全權限數(shù)字式電子控制系統(tǒng)（簡稱FADEC）后引起的。

美國自1984年首臺FADEC系統(tǒng)上天投入使用后，在FADEC研制和應用方面積累了豐富經驗并日臻成熟。從1995年美國頒布的JSGS-87231A開始規(guī)定有關使用FADEC后的設計要求，直至1998年10月頒布的JSSG-2007、2004年發(fā)布的JSSG-2007A和2008年發(fā)布的JSSG-2007B則更為充分地反映了使用FADEC后的實踐經驗，并擴展了設計要求，如增加了在現(xiàn)代數(shù)字電子控制器上的調整都是通過重新編程來實現(xiàn)的技術內容。JSSG-2007B則更在JSSG-2007A的基礎上，增加了控制和子系統(tǒng)部件設計人員需認識到發(fā)動機級的熱管理問題，以及它們怎樣與飛行器一體化。

3.5 潤滑系統(tǒng)

與JSGS-87231A相比，JSSG-2007系列主要變化有：

調整了指導和經驗教訓的內容，指導性更強；

取消了對滑油冷卻器的規(guī)定；

增加了潤滑系統(tǒng)通風排氣的規(guī)定。

3.6 推力與動力系統(tǒng)健康監(jiān)視系統(tǒng)（PPHMS）

從JSGS-87231A開始，將MIL-E-5007系列中的“測試系統(tǒng)”改為“發(fā)動機監(jiān)視系統(tǒng)（EMS）”，對EMS故障檢測/隔離、機載發(fā)動機診斷功能提出了要求。JSSG-2007中系統(tǒng)名稱仍為“發(fā)動機監(jiān)視系統(tǒng)（EMS）”，但增加了機內測試和可檢查性要求。JSSG-2007A中將系統(tǒng)擴展為“發(fā)動機健康監(jiān)視系統(tǒng)（EHMS）”，提出先進的EHMS可以包括預診能力。JSSG-2007B進一步將該系統(tǒng)發(fā)展為“推進與動力系統(tǒng)健康監(jiān)視系統(tǒng)（PPHMS）”，即除發(fā)動機外，監(jiān)視范圍還包括發(fā)電機、液壓泵等其它飛行關鍵系統(tǒng)。JSSG-2007B還提出了在無人機（UAV）動力裝置應用時，推進與動力系統(tǒng)健康監(jiān)視系統(tǒng)應向無人機任務控制系統(tǒng)和/或任務控制中心提供推進與動力系統(tǒng)的實時健康評估的要求。

3.7 鑒定階段劃分的變化

各規(guī)范對新研制的發(fā)動機，除了研制初期的技術鑒定試驗和最終研制合格后的驗收試驗（AT）外，劃分的階段變化如下。

JSGS-87231A——初始飛行許可（IFR）、全面飛行許可（FFR）、初始使用許可（ISR）、工作能力許可（OCR）4個階段。

JSSG-2007/2007A/2007B——將這4個階段又細分為研制的兩個時期：工程和制造研制時期與生產、外場使用及工作支持時期。前一時期以初始飛行許可（IFR）為終極目標，在初始飛行許可（IFR）前，需經過：系統(tǒng)要求審查（SRR）、初步設計審查（PDR）、關鍵設計審查（CDR）3個步驟。后一時期以全面飛行許可（FFR）為起點，逐步經歷初始使用許可（ISR）、工作能力許可（OCR）階段，以實現(xiàn)全面裝備、鋪開使用。

4 結論

本文主要通過對JSGS-87231A、JSSG-2007、JSSG-2007A和JSSG-2007B的版本演變情況，從各版本的格式、性質、主要內容等方面進行了概要分析研究，從而對我國航空發(fā)動機裝備的研制生產、采購管理等提供借鑒和參考。主要分析結論如下。

隨著科學進步和技術發(fā)展，發(fā)動機通用規(guī)范也在不斷修訂與完善，相應體現(xiàn)出對新一代裝備的技術要求和顯著特點。如JSGS-87231A主要是針對美國第四代戰(zhàn)斗機發(fā)動機提出，至JSSG-2007A則充分體現(xiàn)了美國國防部越來越關注的無人駕駛航空器（UVA）武器系統(tǒng)的發(fā)展，明確指出可裁剪作為無人機發(fā)動機的要求（例如高價值的無人戰(zhàn)斗機（UCAV）發(fā)動機等）。在JSSG-2007A 表XLIX 中詳細規(guī)定了無人機發(fā)動機與有人駕駛飛機發(fā)動機標準的異同點。

通用規(guī)范發(fā)展至JSGS-87231A，以及后續(xù)JSSG-2007系列，在格式上發(fā)生了較大變化，采用前一部分是正文，后一部分是指南的形式，列出編制原因、背景和經驗教訓，即從規(guī)范性質變成了手冊性質，并不斷將積累的大量事故作為經驗教訓補充進來。規(guī)范的技術指標要求則發(fā)展為填空規(guī)范，將規(guī)定的指標以空格形式在規(guī)范中表示，其具體指標，按具體型號發(fā)動機或與使用方商定給出，這種變化更趨于合理性和可操作性。填空規(guī)范的指標數(shù)值可通過標準附錄中給出的指導性建議，并由此而發(fā)展到手冊或指南性標準，即空格規(guī)范通過指南或手冊加以完善。

JSSG-2007系列作為目前國外最先進的發(fā)動機頂層規(guī)范指南，所提要求的演變反映了發(fā)動機整機、部件及各系統(tǒng)技術水平的發(fā)展變化。這些要求主要包括總體性能要求、整機試驗要求，以及體現(xiàn)新一代航空發(fā)動機顯著特征的矢量推力、健康管理、數(shù)子電子控制系統(tǒng)等方面的要求。

從JSSG-2007A/2007B開始，提出了關于商業(yè)無需定制產品（COTS）的應用。如某些民機發(fā)動機核心機可以作為軍機發(fā)動機核心機，然而軍機、民機發(fā)動機由于性能及結構方面存在一定差異，差異迫使使用方使用有效信息以達到軍用要求。在JSSG-2007A/2007B中，表L則列出了COTS的應用情況，即在軍用發(fā)動機檢驗中有近一半標準可以用美國聯(lián)邦航空條例（FAR）中的相關標準檢驗，另一半由于軍用發(fā)動機與民用發(fā)動機的技術狀況不同，而必須采用相應軍用標準條文檢驗[1]。這也充分反映出美國已在進行軍民用航空發(fā)動機的統(tǒng)籌研制。

[1] 于宏軍. 航空渦噴渦扇渦軸渦槳發(fā)動機通用規(guī)范指南分析[J]. 航空標準化與質量，2006（3）.

（編輯：雨晴）

T–65

C

1003–6660（2015）04–0053–04

10.13237/j.cnki.asq.2015.04.015

[收修訂稿日期] 2015-05-13