美國海軍飛機發(fā)動機異物損傷研究

邢維升，趙　滿（ .海軍駐46廠軍事代表室，遼寧 大連 6005 .中國船舶重工集團公司 第七一四研究所，北京 000）

美國海軍飛機發(fā)動機異物損傷研究

邢維升1，趙滿2
（ 1.海軍駐426廠軍事代表室，遼寧 大連 116005 2.中國船舶重工集團公司 第七一四研究所，北京 100012）

異物損傷是飛機發(fā)動機受損的重要原因，備受美國海軍重視。發(fā)動機異物損傷原因的準(zhǔn)確判別具有難度，經(jīng)常需要有經(jīng)驗人員根據(jù)損傷結(jié)果進行推測。異物存在、吸入條件和作業(yè)環(huán)境是影響發(fā)動機異物損傷的三方面因素。改進飛機設(shè)計、開展異物排查可減少異物損傷的發(fā)生。

異物損傷；飛機發(fā)動機；作業(yè)環(huán)境；異物排查

0　引 言

異物損傷是飛機發(fā)動機受損的重要原因，歷來備受美國海軍重視。海軍飛機的發(fā)動機提前拆修，絕大多數(shù)時候都是由異物損傷造成的。異物損傷導(dǎo)致發(fā)動機修理耗費大量維修工時，給相關(guān)單位帶來了許多計劃外工作，造成備用發(fā)動機短缺，而且消耗大量備品備件，還使得發(fā)動機更換或維修費用劇增，從而給艦隊后勤保障帶來難以接受的不利影響。

要控制飛機發(fā)動機的異物損傷，需要清楚理解導(dǎo)致發(fā)動機異物損傷的影響因素，包括外來異物種類、吸入條件和作業(yè)環(huán)境，在此基礎(chǔ)上采取飛機設(shè)計改進措施或加大異物排查力度。

1　發(fā)動機異物損傷原因判別

判別異物損傷原因的方法是仔細察看被吸入發(fā)動機的異物物質(zhì)殘渣，并將發(fā)動機的受損特征與典型異物損傷特征進行比較，如能匹配則可進行判別。礫石、混凝土和防滑涂料的小碎塊有時會附著在轉(zhuǎn)子或定子的葉片上，但因高速氣流的原因發(fā)動機很少能將造成其損傷的物質(zhì)留在其上，這意味著異物損傷的原因往往要根據(jù)發(fā)動機的受損特征推測，需要有經(jīng)驗的人員才能判別，且具有較大難度和不確定性。

從掌握受損特征，到可信地推測出引起異物損傷的原因，中間要做很多工作。雖然從裂隙、凹痕等受損特征能夠判別吸入發(fā)動機的異物類型，但卻無法獲知異物是在什么時間、什么地方被吸入發(fā)動機的。

眾多事實表明，飛機發(fā)動機在受到異物損傷后，性能未必很快有明顯變化。例如美海軍某飛行中隊在檢查飛機時，曾發(fā)現(xiàn)飛機發(fā)動機的第12 級壓縮機葉片丟失，但發(fā)動機仍能運轉(zhuǎn)正常。此外，研究也證實常造成發(fā)動機損傷的異物在進入發(fā)動機后，不一定每次都會造成損傷。

通常，只有飛機發(fā)動機的操作特性顯現(xiàn)出與異物損傷相符的特征時，才會開展異物損傷調(diào)查分析，如壓縮機停轉(zhuǎn)、不能滿功率運行或尾焰溢出尾噴管等情況。此時常常已無法辨別發(fā)動機的異物損傷究竟是在何時發(fā)生的，因為發(fā)動機損傷可能在上次飛行或數(shù)小時之前就發(fā)生了，但調(diào)查或維修人員可能會將異物損傷歸因至發(fā)現(xiàn)操作特性出問題前的最后一次飛行中。

2　發(fā)動機異物損傷影響因素分析

2.1異物類型

表1和表2為美國海軍 1979年 6 月至 1980年 12月這一年半期間對海軍飛機發(fā)動機異物損傷的部分統(tǒng)計數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)主要采集自美國海軍 3 M 航空發(fā)動機拆除/異物損傷報告，以及其他多份報告。之所以選取這段時期的數(shù)據(jù)，是因為這段時期能夠獲得的異物損傷數(shù)據(jù)相對完整。

表1　美海軍飛機發(fā)動機異物損傷統(tǒng)計（按損傷類型分）Tab.1 Statistics of the US Navy aircraft engine due to FOD（according to the type of damage）

表2　美海軍飛機發(fā)動機異物損傷統(tǒng)計（按飛機類型和損傷地點分）Tab.2 Statistics of the US Navy aircraft engine due to FOD（according to the location of damage）

表1顯示，美國海軍飛機發(fā)動機異物損傷的異物源多種多樣，主要分為未知異物源、飛機/其他零部件、金屬物體、防滑涂料、內(nèi)部材料失效、砂礫/沙石/混凝土、工具、撞鳥、安全銷、緊固件、冰屑，其他等。其中未知異物源的占比最高，體現(xiàn)出異物損傷判別的難度。

2.2吸入條件

異物只有被吸入發(fā)動機，才可能造成發(fā)動機的異物損傷。被吸入發(fā)動機的異物一般都位于飛機發(fā)動機進氣口前方不遠處。造成損傷的異物可能被風(fēng)或其他飛機的噴氣吹起。異物與飛機發(fā)動機進氣口的安全距離取決于異物的大小和形狀、發(fā)動機質(zhì)量流動速率、異物是靜止還是處于運動狀態(tài)、發(fā)動機進氣口位置（特別是進氣口距離地面的高度）等因素。

美國海軍的試驗結(jié)果表明，發(fā)動機氣流速率越大，則越容易發(fā)生異物吸入；運動物體比靜止物體更容易被發(fā)動機吸入；如果異物形狀類似機翼，則在異物上容易產(chǎn)生壓力差，使得這種特殊形狀的異物被發(fā)動機吸入的可能性增大。

在與飛機設(shè)計相關(guān)的影響因素中，飛機發(fā)動機進氣口位置是異物損傷的影響因素之一。與其他海軍飛機相比，A-7 飛機的發(fā)動機進氣口距離地面更近，而異物損傷統(tǒng)計結(jié)果表明，A-7 飛機發(fā)動機發(fā)生異物損傷的概率大于那些進氣口距離地面較遠的飛機。A-7飛機異物損傷統(tǒng)計中有 52％的事故是由防滑涂料、防滑涂料表面處理用的鋼丸、或礫石/巖石引起的。有研究顯示，某艘航母飛行甲板表面處理后鋼丸導(dǎo)致的飛機發(fā)動機異物損傷事故有 14 起，其中 13 起發(fā)生在 A-7上，該航母搭載的艦載機是航空聯(lián)隊的標(biāo)準(zhǔn)配置，但異物損傷幾乎全部發(fā)生在 A-7 上。雖然這并不能證明飛機發(fā)動機進氣口的高度與異物損傷的直接關(guān)系，但至少表明二者存在顯著的相關(guān)性。

另一項與飛機設(shè)計相關(guān)的影響因素，是可拆卸的硬件和緊固件與飛機發(fā)動機進氣口的相對位置。位于飛機發(fā)動機進氣口前方的硬件和緊固件，比位于后方的部件導(dǎo)致異物損傷的概率更大。在各種硬件和緊固件造成的206 起異物損傷事故中，只有 3 起發(fā)生在 A-7飛機上，這是因為 A-7 飛機發(fā)動機進氣口前方?jīng)]有什么零部件。如果在飛機設(shè)計上不能避免進氣口前方的可拆卸零部件，可通過加強固定或密封，來減少進氣口前方零部件脫落帶來的異物損傷問題。

2.3作業(yè)環(huán)境

除了存在各種異物和可使異物被吸入飛機發(fā)動機的上述影響因素外，飛機所處的作業(yè)環(huán)境也是影響異物損傷的重要因素。海軍飛機常年位于陸上和艦上 2種截然不同的作業(yè)環(huán)境，清楚這 2 種環(huán)境在異物損傷方面的特點，對異物損傷防控十分必要。

在陸基海航站，對各種異物徹底清理是非常困難的，有時簡直無法做到。海航站場地遼闊，各種異物碎片源源不斷產(chǎn)生。風(fēng)可以將廣闊場地上的各類異物碎片刮到機場。一場異物排查剛剛完成，變換的風(fēng)向可能又將場地其他地方的碎片吹到機場，給剛清理完畢的跑道帶來其他潛在的異物威脅。

在航母上，空間帶來的問題與陸地機場正相反。在相對狹小的飛行甲板上排列著各類艦載機，有時飛機排布很密集，沒有留下足夠的空間正常開展異物損傷步行排查。航母飛行甲板上還布滿系留飛機用的系留穴，這些系留穴為異物碎片的存留提供了最佳場所。進行飛行作業(yè)時，航母營造的甲板風(fēng)有利于飛機的起飛和降落，卻給飛機發(fā)動機吸入異物也創(chuàng)造了便利條件。航行補給作業(yè)會在甲板上留下大量需要清理的異物碎片。由于飛機的出動回收間隔短，飛機維修和補給通常在飛行甲板上就地開展，各種繁忙作業(yè)中容易產(chǎn)生異物。飛機在航母上著艦或完成接艦復(fù)飛時，觸艦瞬間飛機受到的作用力可能造成機上某些零部件松動脫落，成為后續(xù)飛機的潛在異物源。

3　減少發(fā)動機異物損傷的設(shè)計和操作考慮

3.1飛機發(fā)動機設(shè)計對異物損傷的考慮

飛機發(fā)動機在設(shè)計時，應(yīng)考慮飛行甲板異物對其造成的影響，并相應(yīng)采取一定的措施，如抬高進氣口的高度，優(yōu)化進氣口形狀的設(shè)計。

現(xiàn)代戰(zhàn)機發(fā)動機通常采用渦扇噴氣式發(fā)動機，如F/A-18（見圖1）。對于顆粒較小，硬度相對較低，質(zhì)量較輕的異物，當(dāng)進入發(fā)動機進氣道時，發(fā)動機內(nèi)風(fēng)扇產(chǎn)生的離心力會把這些異物吹到外涵道，從而離開發(fā)動機；但對于顆粒較大，硬度比飛機發(fā)動機葉片高的金屬異物，會打壞發(fā)動機的風(fēng)扇，如果這些異物不能燃燒，并進一步進入發(fā)動機的內(nèi)涵道，會對發(fā)動機造成嚴(yán)重?fù)p傷。

圖1　渦扇噴氣式發(fā)動機原理圖Fig.1　Principle diagram of turbofan engine

為防止異物損傷，美軍為部分飛機發(fā)動機裝配了防異物吸入裝置，如進氣口顆粒分離器等，并要求該裝置可以拆卸。

3.2修訂軍標(biāo)和改進防滑涂料性能

飛行甲板防滑涂料作為引起飛行發(fā)動機異物損傷的重要因素之一，美國海軍在這方面開展了許多工作，以降低此類事故的發(fā)生。

1）發(fā)布新的涂料軍用標(biāo)準(zhǔn)

對于航母飛行甲板防滑涂料，最初美軍只是簡單地往濕料（wet paint）中加入防滑粒料（如沙子），當(dāng)涂料干燥后，防滑粒料的附著力很差，而且這種涂料的耐久性也很有問題。為此，美軍開始著手制定防滑涂料的軍用標(biāo)準(zhǔn)。

2008年，美軍發(fā)布了新的防滑涂層軍標(biāo)，適用于航母和具備載機能力的兩棲艦。根據(jù)防滑涂層的使用性能（包括耐久性、抵抗高溫、低溫的性能）和施工方式（包括輥涂、噴涂等），該軍標(biāo)把防滑涂層分為11 類見（表3）?，F(xiàn)役航母上用的較多的是Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅴ型，施工方式為輥涂，涂層表面具有高低紋理，能夠增大摩擦力。

有些類涂料又可分為 G 型和 L 型兩型（表4），其中 G 型為通用涂料，適用于一般甲板區(qū)域，包括飛行甲板的艦載機起飛區(qū)；L 型為飛行甲板著艦區(qū)專用涂料，一般只用于飛行甲板著艦區(qū)域，該型涂料對阻攔索和滑輪組索的磨損較小，可以延長索的使用壽命，同時還具有防滑耐磨的特性。L 型和 G 型涂料的主要區(qū)別之一在于涂料中的防滑粒料種類不同，L 型涂料多采用鋁金屬顆粒作為防滑粒料，其硬度較低，能夠減少對阻攔索和滑輪組索的磨損；而 G 型涂料主要采用氧化鋁、氧化硅、碳化硅、氮化硼等高硬度化合物作為防滑粒料，使得涂層非常耐磨。

表3　美國海軍防滑涂層分類Tab.3 Classification of US naval non-skid coating

表4　同一類防滑涂料中又可分為通用型 G和專用型 LTab.4 US naval non-skid coating G/L

2）研制多種航母飛行甲板涂料產(chǎn)品

美國現(xiàn)役航母飛行甲板上的涂料產(chǎn)品以美國安全技術(shù)公司（AST）生產(chǎn)的MS 系列產(chǎn)品和國際油漆公司（IP）生產(chǎn)的Intershield 系列產(chǎn)品為主（見表5）。

表5　飛行甲板涂料典型產(chǎn)品Tab.5 Typical US naval non-skid coatings

3.3飛行甲板異物清理

為了減少航母飛行甲板異物對飛機造成的異物損傷，美軍采取了以下措施：

1）指定專門人員監(jiān)管飛行甲板防滑涂層的狀態(tài)

美軍航母專門指定飛行甲板軍官（FDO）來監(jiān)視飛行甲板防滑涂層的狀態(tài)，并決定是否需要修復(fù)。該軍官的全部職責(zé)是負(fù)責(zé)飛行甲板安全準(zhǔn)時作業(yè)、飛行甲板作業(yè)人員訓(xùn)練、艦載機調(diào)度設(shè)備準(zhǔn)備、飛行甲板全面維護及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控。

圖2　美國“肯尼迪”號航母進行的異物排查作業(yè)Fig.2　FOD investigation on USN CV-67

2）安排飛行甲板異物排查作業(yè)

美軍航母在飛行作業(yè)期之前，以及飛行作業(yè)期中按照航空軍官的要求，執(zhí)行飛行甲板異物排查作業(yè)。1997年美軍航母進行了4d，每天 24h的高強度演習(xí)，驗證在一定時間內(nèi)航母所能出動的最大架次，在這 4d中，前3d 每天進行 4次異物排查，平均每 6h 一次；第4d 進行了7次異物排查，平均每 3.4h 一次。

圖3　美國航母人員清潔飛行甲板Fig.3　U.S.aircraft carrier personnel pushing the brush to clean flight deck

圖4　移動式清潔回收與循環(huán)車Fig.4　Mobile cleaning recovery and recycling vehicle

3）安排飛行甲板擦洗作業(yè)

除了在飛行作業(yè)期安排異物排查外，美軍航母還至少每 10d 擦洗一次飛行甲板。目前美軍現(xiàn)役航母采用人工推動刷子的方式完成清潔作業(yè)。但美軍正在開發(fā)一種移動式清潔回收與循環(huán)車（MCRRS），以輔助完成飛行甲板的清潔工作。該車采用了高壓水和真空吸附技術(shù)，不需要清潔劑，能夠減少對防滑涂層的磨損。

3　結(jié) 語

異物損傷是飛機發(fā)動機受損的重要原因，美國海軍采取的防范措施可以參考借鑒。

［1］TONY G，STEVEN P，DOLLY P，et al.Steve grace and capt keith shaneman，prevention effectiveness foreign object debris study （PrE-FOD）［R］.February 1998.

［2］EDWARD H，KRYSTYNA E，F(xiàn)oreign Object Damage Mishap Analysis［R］.Commander Naval Air Forces，2010.

［3］CNATRA INSTRUCTION 13700.2M.

［4］Felice Anthony Procaccio，Effectiveness of fod Control Measures［R］.October 2008.

［5］Amy Lockwood，Evaluation of Corrosion and Wear of Non-Skid Deck Surfaces in Marine Environments［R］.April 2010.

［6］National Aerospace fod Prevention［J］.INC 1-800-FOD-1121，REV.E July 2000.

［7］MILLS，JACK “B”.Foreign object damage in Naval aircraft engines［R］.1981.

Research on FOD of US naval aircraft engine

XING Wei-sheng1，ZHAO Man2
（ 1.The Navy Military Representative Office in 426 Shipyard，Dalian 116005，China 2.The 714 Research Institute of CSIC，Beijing 100012，China）

Foreign object damage （FOD）is the critical cause for the failure of naval aircraft engines.It is difficult to validate the exact causes for FOD，therefore experts sometimes deduce the causes by examining the FOD characteristics.Foreign object，ingestion process and operating environment are key factors which influence the FOD of aircraft engines.The FOD can be decreased by Improving the aircraft design or cleaning the foreign debris timely.

foreign object damage （FOD）；aircraft engine；operational environment；FOD Walkdown

V236.6

A

1672-7619（2016）07-0153-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.07.034

2016-05-17

邢維升（1977-），男，工程師，研究方向為艦船總體性能和結(jié)構(gòu)。