國外航空發(fā)動機參數(shù)量值溯源體系綜述

王玉芳，王亮，李少壯

(1.航空工業(yè)北京長城計量測試技術研究所，北京 100095；2.中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，遼寧 沈陽 464000)

0 引言

計量作為聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織認定的國家質(zhì)量基礎要素之一，其技術水平和發(fā)展能力直接體現(xiàn)了國家總體的工業(yè)技術發(fā)展實力。歐美國家的政府管理部門和企業(yè)組織對計量測試能力的發(fā)展建設給予了高度重視，特別是與航空發(fā)動機相關的研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)，對發(fā)動機研制過程中的計量保證工作與計量保證能力建設給予了充分的投入，在航空發(fā)動機技術發(fā)展方面發(fā)揮了有力的支撐作用。國外類似發(fā)動機這樣的大型工業(yè)產(chǎn)品的計量保證工作，經(jīng)歷了3個發(fā)展階段：第一階段是傳統(tǒng)計量，即在實驗室進行全參數(shù)、全量程量值傳遞；第二階段是在第三代發(fā)動機研制末期，在裝備研制現(xiàn)場開始進行計量校準服務，計量和型號研制開始結合起來；第三階段是從第四代發(fā)動機研制開始，因發(fā)動機研制技術復雜性、使用保障性要求提高，計量全面融入發(fā)動機研制流程，并開始進行可計量性設計，計量對型號研制、生產(chǎn)、使用的保證能力大幅度提升。

以羅羅、普惠、GE、賽峰等為代表的國外著名的航空發(fā)動機公司和研發(fā)機構對測量數(shù)據(jù)準確度保證和相關量值溯源工作都非常重視，量值溯源體系的策劃和實施貫穿了產(chǎn)品研發(fā)、試驗、運營整個生命過程[1]。國外對大型試驗設備關鍵參數(shù)的校準技術開展了大量的研究工作，通常采用現(xiàn)場模擬實際工況或標準產(chǎn)品測試等對測量系統(tǒng)進行原位校準或在線校準，相關技術比較成熟。

發(fā)達國家在溯源體系的頂層設計方面運用系統(tǒng)工程的方法，整合了測試需求提出、測量系統(tǒng)設計、校準系統(tǒng)設計、測量過程控制、測量可靠性、測量風險控制等方面的要素，相關的標準、指南、規(guī)范體系日臻成熟[2-5]。

1 國外量值溯源體系的頂層設計

1994年，NASA編制了《NASA Reference Publication 1342 Metrology-Calibration and measurement processes guidelines》，該報告運用系統(tǒng)工程的方法，以全局的視角對測量質(zhì)量控制、測量要求的提出、測量系統(tǒng)設計、測量溯源、校準間隔控制等方面進行了系統(tǒng)的梳理和研究[6]。

溯源性方面，如圖1所示，報告將其擴展至測量系統(tǒng)的設計、制造、測試和維護環(huán)節(jié)，同時將性能參數(shù)、規(guī)格、決策等環(huán)節(jié)與傳統(tǒng)的溯源環(huán)節(jié)綜合考慮，形成了更寬泛的溯源性架構。

圖1 NASA溯源性層級結構

報告提出“溯源性涉及到測量鏈上每一個節(jié)點的測量標準、測量技術、周期校準、數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計過程控制、可靠決策。這些可用于重構測量的信息，必須文件化并保存以保證測量溯源的完整性。對每一個節(jié)點，文件應包括其最終項目的特定量值、測量不確定度要求、測量不確定度預算、校準使用的標準、測量時的環(huán)境條件”。

報告以測量和校準過程設計為核心，向上擴展至測量要求提出的規(guī)范性，向下擴展至溯源要求、校準間隔控制等環(huán)節(jié)。

報告提出了開展測量活動前應進行測量要求定義，而測量要求定義包括10個階段，即任務描述、系統(tǒng)性能描述、確定系統(tǒng)性能參數(shù)、確定部件性能參數(shù)、確定測量參數(shù)、確定測量要求、測量系統(tǒng)設計、確定校準過程要求、校準系統(tǒng)設計、確定溯源性要求。

報告融入風險分析理論，引入測量決策風險概念，指出測量結果是用于決策的，對決策風險的評估將決定測量可靠性目標，而測量可靠性目標將決定測量和校準過程設計和控制的細節(jié)。報告中提出了根據(jù)測量應用關鍵度和困難度確定測量不確定度置信水平，提出了與可靠性理論中的平均無故障時間(MTBF)類似的測量系統(tǒng)平均超差時間(Mean Time Between Out Of Tolerance，簡稱MTBOOT)，以及期末不超差概率等可靠性指標。報告指出應利用上述可靠性指標對測量系統(tǒng)進行可靠性建模分析，根據(jù)可靠性分析結果優(yōu)化校準間隔，以滿足測量要求中的可靠性要求。

2 國外量值溯源相關標準規(guī)范體系

從上世紀五、六十年代起，GE，RR等對于發(fā)動機性能測試中的各參數(shù)影響規(guī)律進行了深入細致的研究分析，形成了眾多的技術標準規(guī)范性的研究結果，客觀上已經(jīng)成為無法回避的技術壟斷。此外，在航空發(fā)動機的發(fā)展過程中，整個工業(yè)基礎技術標準體系是支撐發(fā)動機技術性能不斷進步的根本保證。政府持續(xù)不斷的大力引導與扶持、企業(yè)間的競爭與合作推動行業(yè)協(xié)(學)會參與建立技術標準。歐美國家航空發(fā)動機行業(yè)當前普遍采用美國機動車工程師協(xié)會(SAE)頒布的發(fā)動機專業(yè)相關技術標準，以滿足民用發(fā)動機在研制、生產(chǎn)、適航取證、運營、維護及管理等方面的需要。SAE標準被公認為國際性標準，其在全球范圍內(nèi)具有廣泛的協(xié)調(diào)一致性。截止至2013年，SAE航空航天理事會推進系統(tǒng)分部下設的16個標準化技術委員會(含一個特別委員會)頒布各類標是準共1319項。其中，航空航天推進系統(tǒng)通用標準(E-25發(fā)布)為1020項。標準類別包括航空航天信息報告(AIR)、推薦慣例(ARP)、航空航天標準(AS)等。其中各技術委員會發(fā)布的AS類標準數(shù)量為888項。在這些標準、規(guī)范和技術報告中，結合工程實踐提出了一些原理、試驗結論、經(jīng)驗數(shù)據(jù)以及最新技術或仍需評估的技術信息等。這些技術標準文件中都包含有為數(shù)眾多的測試、試驗、校準等相關信息，支撐著航空發(fā)動機測試試驗技術的建設發(fā)展，為國外航空發(fā)動機參數(shù)的量值溯源工作提供了技術支撐[7-9]。

在其標準規(guī)范中，每一個關鍵參數(shù)的計量測試方法都能在研究報告或操作手冊中找到詳細的規(guī)定。比如在ARP4990《渦輪流量計燃油流量計算》中，詳細規(guī)定了用渦輪流量計進行燃油質(zhì)量流量測量和修正的方法，包括：燃油特性如密度、粘度和低熱值的測量和修正方法，利用渦輪流量計的校準曲線進行溫度和壓力修正的方法，以及如何用上述參數(shù)進行修正后得到低熱值修正的燃油質(zhì)量流量。對于低熱值的測量，甚至考慮了樣品在稱重時受的空氣浮力的影響。影響因素不僅考慮全面，而且在大量驗證試驗活動的基礎上都用經(jīng)驗公式進行了量化，在使用時只需要根據(jù)具體的情況進行選用或簡化。這些量化公式為測量不確定度分析和評定，以及確定每個影響量的測量準確度要求提供了保證。

美國的AEDC(Arnold Engineering Development Center)七十年代就編制了《SAE AEDC-TR-73-5航空燃氣渦輪發(fā)動機測量的不確定度指南》(Uncertainty In Gas Turbine Measurements)，至今仍被航空發(fā)動機行業(yè)所引用，該手冊為了使各燃氣輪機試驗設備獲得的數(shù)據(jù)之間具有可比性，提出了一種規(guī)范化的誤差分析和不確定度評定方法，主要內(nèi)容包括誤差分類、誤差傳遞、量值溯源、不確定度模型等內(nèi)容。該手冊對燃氣輪機試驗過程中常用的空氣流量、單位燃油消耗率、推力、燃油流量、壓力、溫度等測量系統(tǒng)進行了描述，對可能的誤差來源進行了分析，并進行了不確定度評定。手冊結構清晰，由于有實例分析和計算，使讀者較易理解，專業(yè)性、針對性和實用性較強。該手冊得到廣泛的應用，在工程界發(fā)表的很多文獻和書籍都引用了該手冊(包括JSGS-87231及JSSG-2007A)，雖然該手冊中有部分概念和不確定度評定細節(jié)與目前我國采用的標準不同，但對于航空和燃氣輪機行業(yè)的工程師仍很有參考價值。值得注意的是該手冊的作者Dr.R.B.Abernethy為普惠公司成員和ASME成員，并參加起草了ASME PTC19.1的早期版本。

近期NASA編制了《NASA-HDBK-8739.19-3測量不確定度分析原理和方法》《NASA-HDBK-8739.19-4測量決策風險分析》等規(guī)范，對相關技術進行了詳細的描述；ASME PTC系列標準《ASME PTC 19.1 Test Uncertainty 測試不確定度》《ASME PTC 19.2 Pressure Measurement Instruments and Apparatus 壓力測量儀器和設備》《ASME PTC 19.3 Temperature Measurement 溫度測量》《ASME PTC 19.5Flow Measurement流量測量》等對發(fā)動機測試計量工作數(shù)據(jù)準確度保證有著很高的參考價值[10，11]。

3 國外航空企業(yè)及機構量值溯源體系

3.1 羅羅公司(RR)

羅羅公司建立了完善的計量測試及管理體系，開展的計量檢測活動貫穿了產(chǎn)品整個生命過程。在研發(fā)領域，主要解決兩類問題：一是哪些單個組件及子系統(tǒng)的特性需要計量，以及何時計量的問題；二是發(fā)動機在工作時，如何對其內(nèi)部過程進行計量檢測。在研發(fā)階段，進行3000多個相關數(shù)據(jù)的檢測，并利用這些數(shù)據(jù)進行質(zhì)量確認，確保羅羅產(chǎn)品能夠得到不斷提升和改進。在生產(chǎn)制造階段，對生產(chǎn)過程中每一個環(huán)節(jié)的相關產(chǎn)品部件性能進行計量確認，包括公司內(nèi)部生產(chǎn)的組件、外部供應鏈上的產(chǎn)品部件、裝配集成階段以及出廠前終端產(chǎn)品整體性能的計量確認。在售后服務階段，對售后產(chǎn)品的性能進行維護，涉及產(chǎn)品性能檢測和問題診斷。早在2006年，羅羅就已經(jīng)通過衛(wèi)星實時監(jiān)測它的3000多臺發(fā)動機的運行數(shù)據(jù)并進行分析。

3.2 通用電氣公司(GE)

GE公司對計量與測試設備采用分級管理模式。在其組織內(nèi)部，計量測試的管理被劃分為四級，第一級為公司最高級別標準，第二級為傳遞標準(工作級別標準)，第三級為工作計量器具，第四級為測試、試驗設備，所有的計量和測試設備、器具均需溯源到國家標準或國際計量標準。在公司內(nèi)部，所有校準或校驗合格的計量和測試設備都屬于其中的一級，通過與高一級的標準比較進行計量和測試設備的校準。產(chǎn)品性能參數(shù)、測試試驗設備、校準設備和計量中心、計量測試實驗室的計量標準構成了一條完整的量值溯源鏈，保證了發(fā)動機產(chǎn)品參數(shù)的量值統(tǒng)一和數(shù)據(jù)準確。

3.3 美國空軍阿諾德工程研究中心(AEDC)

AEDC設有精密測量設備試驗室(Precision Measurement Equipment Laboratory，PMEL)，PMEL是美國空軍計量校準機構(Air Force Metrology and Calibration，AFMETCAL)認證的試驗室，PMEL為AEDC的溫度、壓力、電壓、露點等測量設備提供校準服務，以保證所有測量可以溯源到美國國家標準與技術研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)。

AEDC擁有大量的試驗器，很多試驗器屬于專用測試設備，除了保證各直接測量參數(shù)使用的測量設備的準確，還開展了大量的間接參數(shù)測量設備乃至整個系統(tǒng)的綜合校準，包括：使用專用設備對發(fā)動機流量管流出系數(shù)進行校準研究，采用陣列式臨界文丘里管對多個高空模擬試驗艙進行空氣流量校準，對發(fā)動機試車臺推力進行綜合校準研究等，有力保證了航空發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)的準確。

AEDC還運用系統(tǒng)工程的思路，以保證數(shù)據(jù)準確為目標，統(tǒng)籌考慮數(shù)據(jù)有效性和質(zhì)量保證性，將溯源工作集成到試驗程序中。例如在試驗前綜合考慮所有可能影響數(shù)據(jù)準確性的因素，包括控制試驗設備技術狀態(tài)、優(yōu)化試驗程序、開展現(xiàn)場系統(tǒng)校準、優(yōu)化測量截面測點布局、關鍵測量點冗余設計、通過數(shù)據(jù)驗證技術剔除包含粗大誤差的數(shù)據(jù)、開展試驗前的檢查以確保試驗成功。圖2顯示了美國阿諾德工程研究中心(AEDC)規(guī)定的試驗前的活動。

圖2 阿諾德工程研究中心規(guī)定的試驗前活動

3.4 俄羅斯中央航空發(fā)動機研究院(CIAM)

俄羅斯航空發(fā)動機參數(shù)量值由國家計量溯源體系來保障，在航空發(fā)動機研制過程中所有計量保障工作由總計量師統(tǒng)一管理，計量保證工作由專人協(xié)調(diào)，計量傳遞最終溯源到俄羅斯最高計量部門——門捷列夫研究院。航空工業(yè)部門則由曙光標準計量研究院統(tǒng)一管理計量工作，在發(fā)動機研制、生產(chǎn)及服役期間對所有的計量校準過程都有一套完整的管理體系和具體方法，并已納入計量管理程序。

俄羅斯的CIAM試驗基地有相當高的計量檢測技術水平，并擁有先進的檢測及校準設備，CIAM試驗基地擁有既滿足自身要求，又滿足行業(yè)要求的所有發(fā)動機參數(shù)測量標準和裝置。其校準系統(tǒng)的多項標準代表著國家計量的最高水平，實驗中心的計量部門已被授予檢驗測量設備、鑒定完成測量的方法和評審計量文件的權利。同時，各型航空發(fā)動機研制都需編制專門的計量保證大綱，用于落實貫徹計量校準的要求，并確保航空發(fā)動機研制全過程測量數(shù)據(jù)的準確性與一致性。

4 結論

航空發(fā)動機被喻為飛機的“心臟”。由前述國外航空發(fā)動機研制生產(chǎn)單位針對發(fā)動機參數(shù)量值的管理和技術保障工作實踐可以看到，對不斷發(fā)展進步的航空發(fā)動機技術而言，支撐其參數(shù)量值可靠溯源的計量保障體系建設是一項重要的基礎工作。

我國的航空發(fā)動機產(chǎn)品在由仿制到自主研發(fā)的發(fā)展道路上不斷進取，已經(jīng)形成了從活塞螺旋槳發(fā)動機到大型渦扇發(fā)動機的全系列產(chǎn)品，在支撐國防武器裝備發(fā)展和自主民用航空產(chǎn)品方面發(fā)揮了越來越顯著的作用。

發(fā)展大型航空發(fā)動機產(chǎn)品，必須堅持自主創(chuàng)新的發(fā)展思路，立足既有技術基礎，積極對標國際先進技術標準，不斷提升相關的技術保障能力。航空發(fā)動機參數(shù)量值溯源體系的建設，是發(fā)展大型航空發(fā)動機產(chǎn)品不可或缺的重要基礎工作，需要從產(chǎn)品參數(shù)的量值溯源手段、技術標準規(guī)范、管理保證機制等多個方面著手，系統(tǒng)規(guī)劃、持續(xù)推進，并使其成為產(chǎn)品研制工程實踐活動的一個有機的組成部分。

目前，我國大型客機發(fā)動機研制正處于起步階段，為了與國際接軌，航空發(fā)動機溯源體系建設必須高標準、嚴要求。梳理大客發(fā)動機驗證機參數(shù)溯源現(xiàn)狀，對標國際先進，找出系統(tǒng)存在的不足，明確參數(shù)溯源體系建設的方向，在技術能力、標準規(guī)范、組織管理等方面加強航空發(fā)動機參數(shù)溯源體系建設，才能為航空發(fā)動機研制做好保駕護航工作。

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[2] MIL-STD-1839D,CALIBRATION AND MEASUREMENT REQUIREMENTS[S].2010.

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