渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和部件試驗(yàn)適航符合性驗(yàn)證研究

晏祥斌 ，楊文瀟，張 瓊，許 多，陳 康，楊 斌，卿 華

(1.中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都 610500；2.空軍駐雅安地區(qū)軍事代表室，四川雅安 625000)

1 引言

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制是一項(xiàng)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及眾多專業(yè)的前沿技術(shù)成果[1]。研制過程中，不但要攻克各項(xiàng)前沿工程技術(shù)問題，還需解決技術(shù)集成及試驗(yàn)驗(yàn)證等問題，難度極大。若試驗(yàn)驗(yàn)證不充分，則無法充分暴露和解決潛在故障，將導(dǎo)致危害性發(fā)動(dòng)機(jī)事故頻繁發(fā)生。輕則造成機(jī)型停飛，重則導(dǎo)致災(zāi)難性后果，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。系統(tǒng)和部件作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)不可或缺的部分，對(duì)其進(jìn)行充分的試驗(yàn)驗(yàn)證已成為保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全性的重要措施。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)役各型航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和部件的故障已占發(fā)動(dòng)機(jī)總故障的70%以上，成為影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性和安全的主導(dǎo)因素[2]。

目前民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，美國和歐洲已經(jīng)形成完備的航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航體系，并已在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中全面貫徹，支撐了一系列民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的適航取證。軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，美國在20 世紀(jì)80 年代后期將適航引入軍用航空器范疇[3]并頒布了《軍用飛機(jī)適航性審查準(zhǔn)則》[4]，英國國防部亦頒布了涵蓋軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航要求的《飛機(jī)設(shè)計(jì)和適航性要求第11部——航空發(fā)動(dòng)機(jī)》[5]。通過型號(hào)實(shí)踐，大大降低了軍用發(fā)動(dòng)機(jī)災(zāi)難性事故的發(fā)生率[6]?？梢姡诤娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)研制中貫徹適航要求，已成為保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)高安全性的有效途徑之一。目前，我國借鑒美國聯(lián)邦航空管理局適航經(jīng)驗(yàn)建立了民用航空適航體系，尚未形成相關(guān)的軍用適航要求，但軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)在研制中考慮適航要求已成為趨勢(shì)。CCAR-33R2[7]第33.91 條“發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和部件試驗(yàn)”要求對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和部件進(jìn)行充分試驗(yàn)，以保證功能的可靠。雖然何俊等[2]對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和部件試驗(yàn)的范圍和要求進(jìn)行了分析，但我國尚未針對(duì)33.91 條“發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和部件試驗(yàn)”條款要求的系統(tǒng)和部件試驗(yàn)進(jìn)行充分統(tǒng)籌和規(guī)劃，導(dǎo)致系統(tǒng)和部件試驗(yàn)適航驗(yàn)證在研制中的融合度不足，未能形成及時(shí)有效的過程控制。

本文基于CCAR-33R2 第33.91 條“發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和部件試驗(yàn)”需求，提出了渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和部件試驗(yàn)驗(yàn)證的實(shí)現(xiàn)路徑，并建立了系統(tǒng)和部件試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目的決斷模型和階段化及并行模型，使系統(tǒng)和部件的試驗(yàn)適航驗(yàn)證項(xiàng)目能夠在研制周期中得到融合，并使融合的驗(yàn)證項(xiàng)目與驗(yàn)證對(duì)象之間實(shí)現(xiàn)匹配和過程化控制，可為渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和部件試驗(yàn)的適航符合性驗(yàn)證提供指導(dǎo)。

2 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和部件試驗(yàn)的適航符合性驗(yàn)證體系及要素

2.1 適航符合性驗(yàn)證體系

CCAR-33R2 第33.91 條“發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和部件試驗(yàn)”要求：不能通過持久試車進(jìn)行充分驗(yàn)證的系統(tǒng)或部件，必須進(jìn)行附加試驗(yàn)，以保證其在所有規(guī)定的環(huán)境和工作條件下能可靠地完成預(yù)定功能。在系統(tǒng)工程架構(gòu)下，完成渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和部件試驗(yàn)適航驗(yàn)證的融合、決斷和過程化，需要完善的驗(yàn)證體系作為支撐。圖1 所示的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和部件試驗(yàn)適航驗(yàn)證體系，描述了渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和部件試驗(yàn)適航驗(yàn)證體系的基本構(gòu)成。該體系以職責(zé)為基礎(chǔ)，規(guī)劃了審查/定方、總師單位和承研單位3 層結(jié)構(gòu)，以系統(tǒng)和部件試驗(yàn)的適航符合性驗(yàn)證過程為驅(qū)動(dòng)，以適航知識(shí)、模型方法、集成環(huán)境和資源為支撐，協(xié)同完成系統(tǒng)和部件試驗(yàn)的適航符合性驗(yàn)證。

圖1 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和部件試驗(yàn)適航驗(yàn)證體系構(gòu)成Fig.1 Airworthiness verification system of turbofan engine system and components

2.2 適航符合性驗(yàn)證要素

由圖1 可知，系統(tǒng)和部件試驗(yàn)的適航符合性驗(yàn)證需具備必要的要素，并通過這些要素的交互協(xié)同，推動(dòng)驗(yàn)證工作的執(zhí)行。這些要素包括了適航知識(shí)、集成環(huán)境、過程、組織、設(shè)備、信息和模型方法，其交互關(guān)系如圖2 所示。

圖2 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和部件試驗(yàn)適航符合性驗(yàn)證要素及交互關(guān)系Fig.2 Compliance verification elements and their interactions of turbofan engine system and component tests

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和部件試驗(yàn)適航符合性驗(yàn)證在過程的觸發(fā)下和在集成環(huán)境的支撐下，組織利用有關(guān)的模型方法對(duì)適航知識(shí)進(jìn)行處理，形成過程約束條件，并融入過程。同時(shí)，組織獲取適航有關(guān)信息，形成約束條件，融入過程。集成環(huán)境及設(shè)備是系統(tǒng)和部件試驗(yàn)適航符合性驗(yàn)證得以實(shí)現(xiàn)的載體，組織對(duì)過程進(jìn)行觸發(fā)和控制是符合性驗(yàn)證的實(shí)施主體，信息和適航知識(shí)是驗(yàn)證的約束條件，模型方法則為符合性驗(yàn)證工作的執(zhí)行提供通道。由此可知，采用有效的模型方法對(duì)適航知識(shí)進(jìn)行處理，將適航知識(shí)轉(zhuǎn)換為能夠約束過程的條件，形成高效、清晰和流暢的驗(yàn)證路徑，并通過此路徑對(duì)驗(yàn)證過程形成系統(tǒng)的規(guī)劃和資源的優(yōu)化配置，是保證系統(tǒng)和部件試驗(yàn)適航驗(yàn)證得以高效完成的關(guān)鍵。

3 適航驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)路徑

為實(shí)現(xiàn)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和部件試驗(yàn)適航符合性驗(yàn)證的系統(tǒng)規(guī)劃和有效驗(yàn)證，建立了系統(tǒng)和部件試驗(yàn)適航驗(yàn)證的實(shí)現(xiàn)路徑，如圖3 所示。實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和部件適航驗(yàn)證的關(guān)鍵在融合、決斷、過程化及提取。通過融合，能夠獲取包含適航驗(yàn)證項(xiàng)目在內(nèi)的、且充分的系統(tǒng)和部件試驗(yàn)，保證了驗(yàn)證需求的完備性；通過決斷，能實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證對(duì)象與試驗(yàn)項(xiàng)目的匹配；通過過程化，能使驗(yàn)證項(xiàng)目在研制過程中實(shí)現(xiàn)階段化和時(shí)序化；依據(jù)適航驗(yàn)證資料的提取，能為系統(tǒng)和部件試驗(yàn)的適航符合性表明提供必要的支撐。以圖3 所建立的實(shí)現(xiàn)路徑為指導(dǎo)，建立系統(tǒng)和部件試驗(yàn)適航符合性驗(yàn)證項(xiàng)目的模式化決斷模型和階段化及并行模型，將成為高效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和部件試驗(yàn)適航符合性驗(yàn)證的關(guān)鍵。

圖3 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和部件適航驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)路徑Fig.3 Implementation path of airworthiness verification for system and components of turbofan engine

4 驗(yàn)證項(xiàng)目決斷模型

CCAR-33R2 第33.91 條“發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和部件試驗(yàn)”咨詢通告AC 33.91-1[8]列出了26 項(xiàng)系統(tǒng)和部件試驗(yàn)的適航驗(yàn)證項(xiàng)目，參考已有經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，獲得覆蓋航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和部件適航驗(yàn)證的試驗(yàn)項(xiàng)目群，見表1。

表1 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和部件試驗(yàn)項(xiàng)目[8～10]Table 1 System and components test projects for turbofan engine

圖4 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)及部件試驗(yàn)項(xiàng)目決斷模型Fig.4 Decision-making model of system and components test projects for turbofan engine

基于發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和部件試驗(yàn)的適用條件，建立涵蓋系統(tǒng)和部件試驗(yàn)適航驗(yàn)證項(xiàng)目的決斷模型，見圖4。其將系統(tǒng)和部件、適用條件與決斷邏輯相結(jié)合，使離散的系統(tǒng)和部件試驗(yàn)項(xiàng)目以確定的和系統(tǒng)性的邏輯獲得融合決斷。在確定部件后，通過適用條件的判斷，流轉(zhuǎn)形成不同的路徑，在流轉(zhuǎn)路徑上記錄對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目編號(hào)，直至結(jié)束，形成部件驗(yàn)證項(xiàng)目集合。基于確定的編號(hào)規(guī)則，映射到具體驗(yàn)證項(xiàng)目，最終完成驗(yàn)證項(xiàng)目的確定。同時(shí)，決斷模型也列出了典型的系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)。除系統(tǒng)特定試驗(yàn)外，決斷模型中涉及的驗(yàn)證項(xiàng)目主要適用于部件，當(dāng)系統(tǒng)需開展超出典型的系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)范圍的試驗(yàn)時(shí)，依據(jù)型號(hào)特點(diǎn)及系統(tǒng)所屬部件的驗(yàn)證情況，在綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、驗(yàn)證周期及充分性的基礎(chǔ)上再確定驗(yàn)證項(xiàng)目。

5 驗(yàn)證項(xiàng)目階段化及并行模型

通過驗(yàn)證項(xiàng)目決斷模型獲取的系統(tǒng)和部件試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目趨于離散化，需對(duì)其進(jìn)行過程約束?；谘兄七^程，對(duì)獲取的驗(yàn)證項(xiàng)目進(jìn)行階段化，實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證項(xiàng)目在研制中的有效嵌入。對(duì)于環(huán)境試驗(yàn)，通常要求使用同一部件開展驗(yàn)證。主要環(huán)境試驗(yàn)的驗(yàn)證次序?yàn)椋簺_擊、振動(dòng)、濕熱、霉菌、砂塵、加速度、防爆。以里程碑節(jié)點(diǎn)為階段劃分依據(jù)，對(duì)系統(tǒng)和部件試驗(yàn)的開展進(jìn)行階段化，形成渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和部件試驗(yàn)驗(yàn)證階段時(shí)序，見圖5。

基于驗(yàn)證階段時(shí)序模型可知，在幫助系統(tǒng)和部件獲得各階段驗(yàn)證項(xiàng)目漸進(jìn)驗(yàn)證時(shí)序的同時(shí)，也為驗(yàn)證項(xiàng)目的階段化提供了一定的柔性，即可根據(jù)型號(hào)研制及驗(yàn)證情況，對(duì)給出的階段驗(yàn)證項(xiàng)目進(jìn)行適應(yīng)性決斷和調(diào)整，以保證各階段驗(yàn)證的漸進(jìn)性、互補(bǔ)性和充分性。

圖5 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和部件試驗(yàn)的驗(yàn)證階段時(shí)序模型Fig.5 Sequence model of system and components test for turbofan engine during verification phase

在確定系統(tǒng)和部件試驗(yàn)階段時(shí)序的基礎(chǔ)上，按需考慮試驗(yàn)多部件并行驗(yàn)證、研制階段及設(shè)計(jì)更改因素，建立階段化并行驗(yàn)證模型，如圖6 所示。并行模型考慮了研制階段、設(shè)計(jì)更改及并行驗(yàn)證因素，并以型號(hào)研制階段為一個(gè)獨(dú)立的驗(yàn)證階段化時(shí)序。在判斷是否存在批次更改的基礎(chǔ)上，考慮各批次并行驗(yàn)證及判斷驗(yàn)證是否沿用的邏輯因素，對(duì)系統(tǒng)和部件試驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)階段性的并行規(guī)劃。

圖6 系統(tǒng)和部件試驗(yàn)的并行模型Fig.6 Parallel model of system and components test

6 驗(yàn)證實(shí)例分析

運(yùn)用建立的適航符合性驗(yàn)證項(xiàng)目決斷模型和階段化及并行模型，以某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)和點(diǎn)火裝置為例，進(jìn)行實(shí)例分析。

通過驗(yàn)證項(xiàng)目決斷模型，確定點(diǎn)火系統(tǒng)和點(diǎn)火裝置的試驗(yàn)項(xiàng)目，如表2 所示。

表2 點(diǎn)火系統(tǒng)和點(diǎn)火裝置試驗(yàn)項(xiàng)目Table 2 Test projects for certain ignition device and ignition system

運(yùn)用階段化及并行模型，并考慮驗(yàn)證的充分性及柔性，獲得點(diǎn)火系統(tǒng)和點(diǎn)火裝置驗(yàn)證的一個(gè)時(shí)序，如圖7 所示。通過決斷模型，獲得點(diǎn)火系統(tǒng)和點(diǎn)火裝置覆蓋適航驗(yàn)證項(xiàng)目的驗(yàn)證項(xiàng)目群，然后進(jìn)一步采用階段化及并行模型，確定點(diǎn)火系統(tǒng)和點(diǎn)火裝置在各階段的漸進(jìn)驗(yàn)證時(shí)序，實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)和點(diǎn)火裝置驗(yàn)證的系統(tǒng)化控制，并在完成驗(yàn)證的基礎(chǔ)上提取適航驗(yàn)證證據(jù)，表明點(diǎn)火系統(tǒng)和點(diǎn)火裝置對(duì)CCAR-33R2 部第33.91 條的符合性。

圖7 點(diǎn)火系統(tǒng)和點(diǎn)火裝置的驗(yàn)證時(shí)序Fig.7 Verification sequences for certain ignition device and ignition system

7 結(jié)束語

以CCAR-33R2 第33.91 條“發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和部件試驗(yàn)”的適航符合性驗(yàn)證為出發(fā)點(diǎn)，建立了系統(tǒng)和部件試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目的決斷模型和階段化及并行模型。在識(shí)別系統(tǒng)和部件試驗(yàn)適航性驗(yàn)證項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，運(yùn)用模型方法實(shí)現(xiàn)了適航符合性驗(yàn)證項(xiàng)目在系統(tǒng)和部件研制中的融合與適用性決斷、漸進(jìn)驗(yàn)證與過程化控制。對(duì)決斷模型和階段化及并行模型的應(yīng)用表明，其能系統(tǒng)、穩(wěn)健地引導(dǎo)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)貫徹系統(tǒng)和部件的適航符合性驗(yàn)證要求，對(duì)最終提高所研系統(tǒng)和部件的安全性及可靠性具有積極的指導(dǎo)意義。