基于任務的航空發(fā)動機使用試飛與評估方法

申世才，姜 健，高 揚

(中國飛行試驗研究院發(fā)動機所，西安710089)

1 引言

美軍在20世紀20年代中期提出使用試驗的概念，70年代將其改為作戰(zhàn)試驗，并最終形成較為完備的作戰(zhàn)試驗與鑒定體系。其作戰(zhàn)試驗的目的是在真實或接近真實作戰(zhàn)環(huán)境下，評估武器裝備的作戰(zhàn)效能和適用性[1-7]。美國經過F-15、F-16、F-22等飛機型號試飛，已經形成了成熟的作戰(zhàn)試驗與鑒定試飛模式。俄羅斯也成立了作戰(zhàn)試驗部隊，其SU-34、SU-57飛機也都開展了作戰(zhàn)使用試驗。

航空發(fā)動機的飛行試驗作為其研制鏈條上的關鍵一環(huán)，試驗理念的轉變、技術水平的提升，勢必會極大地促進航空發(fā)動機的發(fā)展與進步。目前，我國航空發(fā)動機的飛行試驗內容主要依據(jù)GJB 243A-2004[8]制定，以驗證和考核研制總要求、型號規(guī)范規(guī)定的技術指標為主，與作戰(zhàn)使用存在一定差異，未能充分驗證和考核貼近實戰(zhàn)環(huán)境下的發(fā)動機使用能力，導致在部隊試驗和使用階段暴露出諸多問題。因此，飛行試驗如何貼近作戰(zhàn)使用是目前迫切需要解決的問題。國內研究機構開展了大量關于飛行試驗貼近作戰(zhàn)使用的研究，但主要集中在航電武器系統(tǒng)及飛機平臺[9-13]，有關航空發(fā)動機作戰(zhàn)使用概念的試驗與評估在可查文獻中很少涉及。

本文針對航空發(fā)動機飛行試驗不夠貼近作戰(zhàn)使用的問題，在驗證技術指標符合性為主的飛行試驗基礎上，提出了基于任務的航空發(fā)動機使用試飛與評估方法及關鍵技術，旨在探索面向作戰(zhàn)使用的航空發(fā)動機飛行試驗方法。

2 存在問題及解決途徑

2.1 存在問題

目前，我國航空發(fā)動機飛行試驗不夠貼近作戰(zhàn)使用的問題，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 自然環(huán)境維度——試驗環(huán)境相對“溫和”。地面試驗多在常規(guī)環(huán)境條件下進行，高溫、高寒、雨雪、結冰等復雜環(huán)境下的考核較少；不能有效評估發(fā)動機在可預期的各種使用環(huán)境下是否具有良好的運行能力。

(2) 飛機維度——針對部隊訓練和使用特點的內容相對較少。如部隊訓練和使用多進行機動、特技飛行，飛行過載、姿態(tài)及氣動角等頻繁變化；而試驗中機動、特技飛行較少，僅在發(fā)動機工作穩(wěn)定性、進發(fā)匹配等科目試飛中有少量安排。

(3) 時間維度——發(fā)動機累計工作時間或循環(huán)數(shù)未達到極限狀態(tài)。發(fā)動機的工作特性、性能特性的衰減及結構的完整性等難以進行有效評估，其試驗結果擴展至發(fā)動機全壽命期存在一定問題。

(4) 發(fā)動機維度——發(fā)動機操縱程序化，往往忽視或忽略發(fā)動機的實際使用特點。如發(fā)動機空中起動試驗，發(fā)動機多是在中低空慢車和節(jié)流狀態(tài)下停車進行再起動能力考核，而高空發(fā)動機大狀態(tài)停車后飄降至起動包線內進行再起動能力的考核較少，發(fā)動機空中起動能力未得到充分檢驗。

(5) 試驗評估——以單一系統(tǒng)的單一技術指標考核為主，整機及飛發(fā)綜合評估不足。發(fā)動機、航電/武器系統(tǒng)、飛機作為一個整體，各組成部分之間相互影響、密切關聯(lián)，單一系統(tǒng)的考核模式往往忽視或忽略系統(tǒng)之間的耦合問題。

綜合以上分析，航空發(fā)動機的飛行試驗在試驗環(huán)境、試驗方法、試驗內容及試驗評估等方面與作戰(zhàn)使用存在一定的差異。

2.2 解決途徑

試驗的本質是在可控條件下操縱事物，通過黑箱或白箱辨識，建立輸入與響應之間的因果邏輯關系或規(guī)律，對之進行正確的評估[14]。對于航空發(fā)動機，無論是單機、雙機、多機作戰(zhàn)，還是裝備體系間的對抗，發(fā)動機的使用都是自然環(huán)境維度(大氣溫度、大氣壓力、電磁環(huán)境等)、飛機維度(過載、迎角、側滑角等機動因子，引氣、功率提取等)、時間維度(使用時間、循環(huán)數(shù))和發(fā)動機維度(發(fā)動機的操縱)的組合疊加使用，這是發(fā)動機固有的使用特點。因此，航空發(fā)動機的飛行試驗，就是在自然環(huán)境維度、飛機維度、時間維度操縱發(fā)動機并對其進行正確的評估。

遵循試驗的本質和發(fā)動機的使用特點，以滿足作戰(zhàn)使用需求為導向，從緊貼實戰(zhàn)角度出發(fā)，提出兩種途徑解決當前飛行試驗存在的問題：

(1)自下而上地深化飛行試驗。向復雜的試驗條件深化，充分檢驗技術指標及邊界條件，如復雜的氣象條件、復雜的電磁條件等，檢驗加力使用能力邊界等，獲得技術指標的可能范圍，為拓展發(fā)動機使用能力和獲得發(fā)動機缺陷奠定基礎。

(2)自上而下地拓展飛行試驗。將不同維度試驗條件組合構成的試驗點，按照一定的規(guī)則或規(guī)律進行排列組合，以任務剖面為繩有機串聯(lián)，將飛行試驗從單一系統(tǒng)的單一技術指標考核，拓展至以任務模式驗證整體性能或使用能力，不僅可對整體性能進行有效驗證和考核，為底層技術指標的取舍折中提供一種優(yōu)化方向，而且還最大程度地為飛機作戰(zhàn)效能的提升提供幫助。

下文主要研究如何采用自上而下的方法拓展航空發(fā)動機的飛行試驗，以探索解決發(fā)動機飛行試驗面臨的問題。

3 基于任務的航空發(fā)動機使用試飛與評估方法

3.1 概念闡述

美國空軍試驗與鑒定指南定義基于能力的試驗是一種基于任務的驗證方法，即驗證一種能力解決方案能以可接受的風險等級投入使用。除了根據(jù)類似規(guī)范的要求測量系統(tǒng)性能的傳統(tǒng)鑒定之外，在整個系統(tǒng)試驗中重點進行基于能力的鑒定。

借鑒美軍對基于能力的試驗定義，本文將基于任務的航空發(fā)動機使用試飛，定義為一種基于任務剖面的組合疊加自然環(huán)境維度、飛機維度、時間維度和發(fā)動機維度等多維度試驗輸入條件，操縱發(fā)動機驗證和考核其完成任務的能力。基于任務的航空發(fā)動機使用試飛，不僅驗證發(fā)動機技術指標的符合性，同時評估發(fā)動機的使用能力。

基于任務的航空發(fā)動機使用試飛與評估的目的主要包括：

(1)評估發(fā)動機的技術指標。突出多維度復雜試驗條件下技術指標的考核，充分檢驗技術指標和邊界條件，摸清發(fā)動機的性能底數(shù)。

(2)驗證和考核發(fā)動機完成任務的能力?；谘b機對象的典型作戰(zhàn)任務，驗證和評估發(fā)動機完成任務的能力，并為進一步使用提供一種拓展方向。

(3)為發(fā)動機的優(yōu)化設計提供方向。以發(fā)動機使用能力為頂層要求，為底層技術指標的取舍折中提供一種優(yōu)化方向，最大程度地為發(fā)動機綜合使用能力和飛機作戰(zhàn)效能的提升提供幫助。

(4)為部隊試驗和使用提供技術支持。以飛行試驗獲得的使用經驗和數(shù)據(jù)、發(fā)動機模型等信息，為部隊試驗和使用提供技術支持，為促進戰(zhàn)斗力的生成提供幫助。

3.2 試驗與評估方法

基于發(fā)動機裝機對象的典型作戰(zhàn)任務，如進攻性制空作戰(zhàn)、肅清空域、空中護航、空中截擊等，明確在發(fā)動機不同使用時間和故障等級條件(該條件影響發(fā)動機能力[15])下發(fā)動機完成任務所應具備的能力，并進一步對其進行分解，建立使用能力和技術指標之間的關聯(lián)模型(圖1)，建立“任務—能力—技術指標”之間的關系，即明確試驗考核要求，根據(jù)試驗考核要求開展飛行試驗設計。

(1) 試驗矩陣構建方法

①提取任務剖面內發(fā)動機在自然環(huán)境維度、飛機維度和時間維度的因素，建立多維度因素組合疊加的試驗環(huán)境，構建試驗輸入。

②提取任務剖面內的發(fā)動機操縱動作，結合試驗環(huán)境，構建基于典型任務的發(fā)動機試驗矩陣，即試驗矩陣由四個維度的要素組成。

以地形跟蹤飛行任務為例：在地形跟蹤飛行任務剖面，飛機以低高度、高亞聲速飛行，需要飛機的軌跡盡量與地面相匹配。飛行任務剖面軌跡包括頻繁的俯沖和拉起，需要發(fā)動機對油門桿操縱立即做出響應以提供所需推力——這不僅對發(fā)動機的加速和減速能力提出了苛刻要求，而且由于飛行過載及姿態(tài)的頻繁變化，還對發(fā)動機的燃油及滑油供給系統(tǒng)提出了苛刻要求。因此，針對地形跟蹤飛行任務，提取任務環(huán)境模型和發(fā)動機操縱特征，建立試驗矩陣。

(2)試驗實施方法

①將提取的任務剖面內發(fā)動機操縱動作，在任務剖面的不同維度分別進行驗證。該階段結合技術指標符合性驗證飛行試驗，目的是充分檢驗技術指標和邊界條件，為發(fā)動機的使用創(chuàng)造寬松環(huán)境。

②依據(jù)試驗矩陣，開展典型任務的發(fā)動機使用試飛，以獲得試驗數(shù)據(jù)進行使用能力和技術指標關聯(lián)模型的迭代修正，使得結果更接近作戰(zhàn)使用條件下的結果。

(3)試驗評估方法

①依據(jù)使用能力和技術指標之間的關聯(lián)模型，從發(fā)動機使用能力角度評估底層技術指標。一是對技術指標的重要程度進行劃分，二是在技術指標符合性的基礎上評估其合理性。

②依據(jù)使用能力和技術指標之間的關聯(lián)模型，對發(fā)動機使用能力進行評估。如采取對比方式可評估發(fā)動機使用能力的降低或提升。

4 關鍵技術

4.1 使用能力與技術指標關聯(lián)模型構建技術

使用能力與技術指標之間的關聯(lián)模型，是開展試驗和進行能力評估的基礎。依據(jù)關聯(lián)模型中使用能力對技術指標的敏感性，即技術指標的權重，可對技術指標進行等級劃分，如否決類指標、重要指標和一般指標等。依據(jù)使用能力評估結果(圖2)，針對需要改進、提升的，將重點優(yōu)化否決類指標和重要指標，對一般性指標可降低設計要求，以此從整體角度優(yōu)化提高發(fā)動機的使用能力。使用能力與技術指標關聯(lián)模型的建模，關鍵在于如何獲取技術指標的權重?？刹扇＜医涷灧ǖ确椒ǐ@取，并通過飛行試驗進行迭代修正，這為解決如何評估發(fā)動機的使用能力提供了一種可選方案。

4.2 試驗環(huán)境構建技術

試驗與作戰(zhàn)緊密銜接，必須在試驗中引入任務背景，使得試驗盡可能接近真實的作戰(zhàn)使用。這是試驗的前提，決定試驗結果的有效性。對于飛行試驗，試驗環(huán)境應為可測量、可量化、可重復的使用環(huán)境，否則將失去試驗的意義。

將典型任務剖面在自然環(huán)境維度、飛機維度、時間維度、發(fā)動機維度進行分解，提取與發(fā)動機操縱相關和影響發(fā)動機使用能力的各維度因素，構建組成試驗環(huán)境。因此，試驗環(huán)境是按照任務剖面匹配發(fā)動機操縱的一系列條件組成，使得各維度的條件有機組合，為解決如何有效組合疊加自然環(huán)境維度、飛機維度、時間維度、發(fā)動機維度的諸多因素以使飛行試驗貼近作戰(zhàn)使用提供了一種可選方案。

4.3 基于衰減的綜合使用能力修正技術

隨著使用時間的增長，發(fā)動機推力會下降，耗油率會增加，其工作特性也會發(fā)生變化，將會導致其能力隨之發(fā)生變化。在發(fā)動機不同使用時間，通過對不同衰減程度的發(fā)動機完成任務能力的定量評價，建立衰減-能力曲線，如圖3所示。通過衰減-能力曲線，給出衰減臨界點所對應的發(fā)動機工作小時/循環(huán)數(shù)，為部隊使用與維護提供指導。同時，借助衰減-能力曲線，提前預測發(fā)動機對任務執(zhí)行的影響，并有效規(guī)避給任務執(zhí)行帶來的風險。

4.4 基于故障的綜合使用能力修正技術

實際作戰(zhàn)使用中，發(fā)動機存在帶故障飛行和作戰(zhàn)的可能，尤其是在緊急情況下即使存在未排除故障仍必須起飛作戰(zhàn)。目前，發(fā)動機故障等異常方面的飛行試驗，主要側重故障的檢查、診斷及控制律重構等邏輯和功能試飛，尚未開展故障狀態(tài)下的發(fā)動機使用能力試飛。

毋庸置疑，故障將影響發(fā)動機的使用能力，因此有必要開展故障狀態(tài)下發(fā)動機使用能力的評估。按照發(fā)動機故障的嚴重程度劃分等級，分級評定故障對發(fā)動機使用能力的影響。評估故障狀態(tài)下發(fā)動機的使用能力，如一等故障必須退出戰(zhàn)斗序列，二等故障可以執(zhí)行特定任務，三等故障可以執(zhí)行大部分任務，并據(jù)此建立故障-能力曲線，如圖4所示。通過故障-能力曲線，為部隊使用與維護提供指導，提前預測發(fā)動機故障對任務執(zhí)行的影響，提高出勤率，并規(guī)避任務執(zhí)行風險。

5 結論

針對航空發(fā)動機飛行試驗不夠貼近作戰(zhàn)使用的問題，指出了問題的原因，并提出了基于任務的航空發(fā)動機使用試飛與評估方法，主要結論如下：

(1)基于任務的航空發(fā)動機使用試飛與評估方法，利用典型作戰(zhàn)任務驗證和考核發(fā)動機完成任務的能力，不僅評估發(fā)動機技術指標的符合性，同時評估發(fā)動機的使用能力。

(2)發(fā)動機使用能力與技術指標關聯(lián)模型構建技術，為解決如何評估發(fā)動機的使用能力提供了一種可選方案。

(3)發(fā)動機試驗環(huán)境構建技術，為解決如何有效組合疊加自然環(huán)境維度、飛機維度、時間維度、發(fā)動機維度的諸多因素以使飛行試驗貼近作戰(zhàn)使用提供了一種可選方案。

(4)基于衰減和故障的航空發(fā)動機使用能力修正技術，可對發(fā)動機使用能力進行更為細致的評估，將使得試驗更接近作戰(zhàn)使用。

(5)基于任務的航空發(fā)動機使用試驗與評估方法，為開展航空發(fā)動機使用試飛奠定了基礎，是面向作戰(zhàn)使用的航空發(fā)動機飛行試驗方法的探索，將為飛行試驗與部隊試驗的有效銜接及進一步完善試驗與鑒定技術提供參考。