軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展概述

■ 王粲 張騰 / 中國(guó)航發(fā)研究院

按照“小核心、大協(xié)作、專業(yè)化、開放型”的戰(zhàn)略導(dǎo)向，中國(guó)航發(fā)提出構(gòu)建立足于集團(tuán)、面向行業(yè)和國(guó)家的產(chǎn)學(xué)研用高度融合、高效協(xié)同、開放創(chuàng)新的中國(guó)航發(fā)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)（AEOS），而標(biāo)準(zhǔn)是AEOS的核心要素。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，美國(guó)等國(guó)家已建立了體系完備、持續(xù)迭代的航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品研發(fā)體系。其中，標(biāo)準(zhǔn)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)體系的核心要素之一。中國(guó)航發(fā)集團(tuán)成立后，將航空發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)作為推進(jìn)AEOS建設(shè)的重要組成部分，本文以美國(guó)為例分析標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)歷程與現(xiàn)狀，可對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)提供幫助。

軍用標(biāo)準(zhǔn)

美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)具有體系完整、內(nèi)容豐富、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、技術(shù)先進(jìn)、格式統(tǒng)一和實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，是國(guó)際公認(rèn)的權(quán)威性軍用標(biāo)準(zhǔn)化文件。目前，美國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軍用標(biāo)準(zhǔn)共約650項(xiàng)，包括活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)以及美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)圖樣。美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)以服務(wù)采辦事項(xiàng)為主要目標(biāo)，其特點(diǎn)是“管住兩頭、放開中間”。美國(guó)國(guó)防部針對(duì)軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)編制了系列產(chǎn)品性能規(guī)范，提出裝備需要達(dá)到的性能指標(biāo)要求，明確裝備驗(yàn)收準(zhǔn)則，并配合招標(biāo)合同對(duì)承包商提出要求。美國(guó)國(guó)防部對(duì)裝備的設(shè)計(jì)、制造、包裝等中間過程一般不提強(qiáng)制性要求，但編制了大量非強(qiáng)制性指南，以充分發(fā)揮承包商的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)中納入了大量基礎(chǔ)零件產(chǎn)品，形成了基礎(chǔ)通用產(chǎn)品規(guī)范，約占標(biāo)準(zhǔn)總數(shù)量的60%。

圖1 美國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軍用標(biāo)準(zhǔn)頂層產(chǎn)品性能規(guī)范框架圖

在軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)頂層產(chǎn)品性能規(guī)范如圖1所示，主要分為兩類：推進(jìn)系統(tǒng)完整性大綱（PSIP）和軟件系統(tǒng)完整性大綱（SDIP），內(nèi)容包括JSSG-2007和JSGS-87231A《 航 空 渦 輪發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合使用規(guī)范指南》、MILHDBK-1783《發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱》、MIL-STD-1798《機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整性大綱》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

以航空發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范為例，從早期的MIL-E-5007A《航空渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》演變至JSSG-2007C《航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合使用規(guī)范指南》，使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期成本、性能、適用性、可靠性、維修性、耐久性以及適航性等得到了較好的平衡，其發(fā)展歷程如圖2所示。

20世紀(jì)60年代的F100-PW-100發(fā)動(dòng)機(jī)研制時(shí)一味追求高性能，在使用過程中暴露了可靠性、耐久性和維修性方面的問題。1973年美國(guó)總結(jié)F100-PW-100發(fā)動(dòng)機(jī)研制經(jīng)驗(yàn)，形成MIL-E-5007D《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》。

1975年啟動(dòng)研制的F404發(fā)動(dòng)機(jī)按MIL-E-5007D要求開展研制工作，并在研制過程中補(bǔ)充了結(jié)構(gòu)完整性和加速任務(wù)試車等要求。1983年美國(guó)海軍總結(jié)F404發(fā)動(dòng)機(jī)研制經(jīng)驗(yàn)，形成了MIL-E-5007E《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》。

F414發(fā)動(dòng)機(jī)研制階段提出要大幅增加試驗(yàn)科目設(shè)置，調(diào)整試驗(yàn)時(shí)間安排，1988年美國(guó)國(guó)防部總結(jié)F414發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)驗(yàn)，形成了MIL-E-5007F《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》。

F119發(fā)動(dòng)機(jī)注重性能與可靠性、耐久性和維修性的平衡設(shè)計(jì)，1998年美國(guó)總結(jié)F119發(fā)動(dòng)機(jī)研制經(jīng)驗(yàn)形成了JSSG-2007《航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合使用規(guī)范指南》。

隨后，在吸收航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、整合高周疲勞（HCF）計(jì)劃等基礎(chǔ)技術(shù)研究成果的基礎(chǔ)上，美國(guó)國(guó)防部編制了MIL-HDBK-1783B《發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱》，與JSSG-2007C《航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合使用規(guī)范指南》配套使用。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱的實(shí)施，美國(guó)空軍將最初用于解決結(jié)構(gòu)安全問題的結(jié)構(gòu)完整性方法拓展到整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)，于2008年發(fā)布了MILSTD-3024《推進(jìn)系統(tǒng)完整性大綱（PSIP）》，詳細(xì)規(guī)定了PSIP對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、性能與操作性、控制器及子系統(tǒng)在功能領(lǐng)域的要求，以便以最低的成本達(dá)到整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)一體化，并按任務(wù)階段劃分進(jìn)行成本及周期風(fēng)險(xiǎn)管理，確保了推進(jìn)系統(tǒng)在全生命周期內(nèi)以及美國(guó)空軍支付能力范圍的完整性。MIL-STD-3024通過整合有關(guān)性能完整性大綱、電子設(shè)備完整性大綱、機(jī)械設(shè)備與分系統(tǒng)完整性大綱、結(jié)構(gòu)完整性大綱和軟件完整性大綱等標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)將發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性延伸到推進(jìn)系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)、控制器、附件及外部構(gòu)件的結(jié)構(gòu)、性能、操作性、功能等方面。

圖2 《航空渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》演進(jìn)歷程

行業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)

美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)（SAE）標(biāo)準(zhǔn)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)廣泛采用的先進(jìn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家將其與國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)、先進(jìn)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)配合，發(fā)揮規(guī)范和指導(dǎo)作用。SAE標(biāo)準(zhǔn)關(guān)注系統(tǒng)和零部件的操作性與連接性、提高安全性和可靠性、控制研制成本，因而被視為軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)工程研制的重要輸入。

SAE的航空航天理事會(huì)下設(shè)航空航天推進(jìn)系統(tǒng)部，其標(biāo)準(zhǔn)用于定義、制造、認(rèn)證、操作和保障航空航天推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)品，涉及渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)、活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋槳與傳動(dòng)系統(tǒng)及第二動(dòng)力裝置等，覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)通用基礎(chǔ)、起動(dòng)系統(tǒng)、輔助動(dòng)力裝置（APU）、滑油系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、健康管理系統(tǒng)、包容性、支援設(shè)備、潤(rùn)滑油、污染物排放測(cè)量、性能仿真方法、直升機(jī)動(dòng)力裝置，以及進(jìn)氣畸變等技術(shù)領(lǐng)域。

航空航天標(biāo)準(zhǔn)（AS）為SAE下設(shè)的航空航天技術(shù)委員會(huì)頒布的一類標(biāo)準(zhǔn)。AS特定的性能規(guī)范包括：用作設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、零件標(biāo)準(zhǔn)、最低性能標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量控制以及材料、產(chǎn)品、過程、程序或試驗(yàn)方法的規(guī)范。

SAE航空航天理事會(huì)材料分部負(fù)責(zé)制定材料標(biāo)準(zhǔn)，涉及發(fā)動(dòng)機(jī)專用的高溫合金、鈦合金、結(jié)構(gòu)鋼等高溫結(jié)構(gòu)材料。SAE已發(fā)布航空發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)類別及數(shù)量如表1所示。

表1 SAE已發(fā)布航空發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量

圖3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)發(fā)展歷程

企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

一些先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)研發(fā)體系建設(shè)經(jīng)歷了以“大師”為核心、以流程為主導(dǎo)的研發(fā)階段，目前已達(dá)到流程優(yōu)化的精益研發(fā)階段，航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)發(fā)展歷程如圖3所示。自以流程為主導(dǎo)的研發(fā)階段起，標(biāo)準(zhǔn)就成為了研發(fā)體系的核心要素。

以GE航空集團(tuán)為例，其內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)包括材料、設(shè)計(jì)、零件、試驗(yàn)、工藝、檢驗(yàn)、質(zhì)量管理和資源控制等近20類，標(biāo)準(zhǔn)總數(shù)8200余項(xiàng)。其內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)除在企業(yè)內(nèi)部設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中應(yīng)用外，也大量提供給外部供應(yīng)商，用于零部件質(zhì)量、產(chǎn)品維修、產(chǎn)品使用等過程控制，標(biāo)準(zhǔn)不僅是GE航空集團(tuán)保持技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力的手段，也是其整合產(chǎn)業(yè)鏈的有力工具。 GE航空集團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)分類如表2所示。

標(biāo)準(zhǔn)是GE航空集團(tuán)固化技術(shù)成果，構(gòu)建研發(fā)能力的重要手段。為推動(dòng)公司標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，GE航空集團(tuán)構(gòu)建了以頂級(jí)科學(xué)家、工程師為核心的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)管理模式，頂級(jí)科學(xué)家/設(shè)計(jì)師進(jìn)入專業(yè)委員會(huì)和設(shè)計(jì)委員會(huì)，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（DP）、產(chǎn)品制造規(guī)范（P-Specification）等標(biāo)準(zhǔn)化文件編制；資深技術(shù)、工程專家負(fù)責(zé)履行設(shè)計(jì)審核職責(zé)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化文件的有效實(shí)施負(fù)責(zé)，并向上級(jí)委員會(huì)反饋標(biāo)準(zhǔn)修訂新需求；設(shè)計(jì)實(shí)施團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化文件要求開展具體設(shè)計(jì)、制造工作。

表2 GE航空集團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)分類

先進(jìn)技術(shù)研究計(jì)劃推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)形成

美國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能水平的不斷提高源自長(zhǎng)期以來(lái)實(shí)施了大量先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究計(jì)劃。其中，綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)（IHPTET）計(jì)劃是美國(guó)政府、軍方和工業(yè)部門的聯(lián)合計(jì)劃，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究的成功典范。每個(gè)參與IHPTET計(jì)劃的發(fā)動(dòng)機(jī)公司都有自己的先進(jìn)渦輪推進(jìn)計(jì)劃（ATPP），這些公司非常重視自身的基礎(chǔ)能力建設(shè)，其中主要是綜合設(shè)計(jì)能力、試驗(yàn)/仿真能力和制造能力，將發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃的研究項(xiàng)目，如IHPTET、通用經(jīng)濟(jì)可承受先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（VAATE）計(jì)劃等，與自身的技術(shù)體系（硬件、軟件、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、數(shù)據(jù)庫(kù)）結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)已有企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)提升，制定新技術(shù)領(lǐng)域的各類技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。IPHTET、VAATE計(jì)劃的主要承包商（如普惠、GE航空集團(tuán)、艾利遜等公司）已將獲得的關(guān)鍵技術(shù)逐步形成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，納入各自企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。

從航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司的一些規(guī)范可見，IHPTET計(jì)劃第一階段驗(yàn)證的技術(shù)，包括阻燃鈦合金壓氣機(jī)材料、雙合金壓氣機(jī)盤、刷式密封、陶瓷復(fù)合材料的燃燒室火焰筒浮壁等技術(shù)已形成發(fā)動(dòng)機(jī)公司的企業(yè)規(guī)范。與此同時(shí)，美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和SAE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，也將IHPTET計(jì)劃的實(shí)施技術(shù)成果不斷地納入到各自的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，規(guī)定了新的技術(shù)要求，主要涵蓋加速模擬試車、矢量噴管、光學(xué)系統(tǒng)、三防試驗(yàn)、全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）、健康管理系統(tǒng)（PHM）、熱管理、經(jīng)濟(jì)可承受性等前沿關(guān)鍵技術(shù)。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，美國(guó)高度重視軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化工作，標(biāo)準(zhǔn)基本覆蓋航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的各技術(shù)領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容隨著技術(shù)的發(fā)展而持續(xù)完善。美國(guó)的國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)各自定位清晰、層級(jí)分明、相互補(bǔ)充、協(xié)調(diào)配套。政府、軍方和工業(yè)部門密切合作，聯(lián)合計(jì)劃，大力推動(dòng)了關(guān)鍵技術(shù)向標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化，促進(jìn)了標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)領(lǐng)域、內(nèi)容指標(biāo)的持續(xù)更新。大量技術(shù)先進(jìn)、系統(tǒng)完整的標(biāo)準(zhǔn)為其軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制提供了有效的保障。