基于任務(wù)的航空發(fā)動機(jī)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(jī)所，西安710089)

1 引言

美軍在20世紀(jì)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(jīng)過F-15、F-16、F-22等飛機(jī)型號試飛，已經(jīng)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(jī)也都開展了作戰(zhàn)使用試驗。

航空發(fā)動機(jī)的飛行試驗作為其研制鏈條上的關(guān)鍵一環(huán)，試驗理念的轉(zhuǎn)變、技術(shù)水平的提升，勢必會極大地促進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展與進(jìn)步。目前，我國航空發(fā)動機(jī)的飛行試驗內(nèi)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(shù)指標(biāo)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(jī)使用能力，導(dǎo)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(nèi)研究機(jī)構(gòu)開展了大量關(guān)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(jī)平臺[9-13]，有關(guān)航空發(fā)動機(jī)作戰(zhàn)使用概念的試驗與評估在可查文獻(xiàn)中很少涉及。

本文針對航空發(fā)動機(jī)飛行試驗不夠貼近作戰(zhàn)使用的問題，在驗證技術(shù)指標(biāo)符合性為主的飛行試驗基礎(chǔ)上，提出了基于任務(wù)的航空發(fā)動機(jī)使用試飛與評估方法及關(guān)鍵技術(shù)，旨在探索面向作戰(zhàn)使用的航空發(fā)動機(jī)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(jī)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(jìn)行，高溫、高寒、雨雪、結(jié)冰等復(fù)雜環(huán)境下的考核較少；不能有效評估發(fā)動機(jī)在可預(yù)期的各種使用環(huán)境下是否具有良好的運行能力。

(2) 飛機(jī)維度——針對部隊訓(xùn)練和使用特點的內(nèi)容相對較少。如部隊訓(xùn)練和使用多進(jìn)行機(jī)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(jī)動、特技飛行較少，僅在發(fā)動機(jī)工作穩(wěn)定性、進(jìn)發(fā)匹配等科目試飛中有少量安排。

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

(4) 發(fā)動機(jī)維度——發(fā)動機(jī)操縱程序化，往往忽視或忽略發(fā)動機(jī)的實際使用特點。如發(fā)動機(jī)空中起動試驗，發(fā)動機(jī)多是在中低空慢車和節(jié)流狀態(tài)下停車進(jìn)行再起動能力考核，而高空發(fā)動機(jī)大狀態(tài)停車后飄降至起動包線內(nèi)進(jìn)行再起動能力的考核較少，發(fā)動機(jī)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(shù)指標(biāo)考核為主，整機(jī)及飛發(fā)綜合評估不足。發(fā)動機(jī)、航電/武器系統(tǒng)、飛機(jī)作為一個整體，各組成部分之間相互影響、密切關(guān)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(jī)的飛行試驗在試驗環(huán)境、試驗方法、試驗內(nèi)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(zhì)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(yīng)之間的因果邏輯關(guān)系或規(guī)律，對之進(jìn)行正確的評估[14]。對于航空發(fā)動機(jī)，無論是單機(jī)、雙機(jī)、多機(jī)作戰(zhàn)，還是裝備體系間的對抗，發(fā)動機(jī)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(jī)維度(過載、迎角、側(cè)滑角等機(jī)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(jī)維度(發(fā)動機(jī)的操縱)的組合疊加使用，這是發(fā)動機(jī)固有的使用特點。因此，航空發(fā)動機(jī)的飛行試驗，就是在自然環(huán)境維度、飛機(jī)維度、時間維度操縱發(fā)動機(jī)并對其進(jìn)行正確的評估。

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

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

(2)自上而下地拓展飛行試驗。將不同維度試驗條件組合構(gòu)成的試驗點，按照一定的規(guī)則或規(guī)律進(jìn)行排列組合，以任務(wù)剖面為繩有機(jī)串聯(lián)，將飛行試驗從單一系統(tǒng)的單一技術(shù)指標(biāo)考核，拓展至以任務(wù)模式驗證整體性能或使用能力，不僅可對整體性能進(jìn)行有效驗證和考核，為底層技術(shù)指標(biāo)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(jī)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(jī)的飛行試驗，以探索解決發(fā)動機(jī)飛行試驗面臨的問題。

3 基于任務(wù)的航空發(fā)動機(jī)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(wù)的驗證方法，即驗證一種能力解決方案能以可接受的風(fēng)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(jìn)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(wù)的航空發(fā)動機(jī)使用試飛，定義為一種基于任務(wù)剖面的組合疊加自然環(huán)境維度、飛機(jī)維度、時間維度和發(fā)動機(jī)維度等多維度試驗輸入條件，操縱發(fā)動機(jī)驗證和考核其完成任務(wù)的能力。基于任務(wù)的航空發(fā)動機(jī)使用試飛，不僅驗證發(fā)動機(jī)技術(shù)指標(biāo)的符合性，同時評估發(fā)動機(jī)的使用能力。

基于任務(wù)的航空發(fā)動機(jī)使用試飛與評估的目的主要包括：

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

(2)驗證和考核發(fā)動機(jī)完成任務(wù)的能力。基于裝機(jī)對象的典型作戰(zhàn)任務(wù)，驗證和評估發(fā)動機(jī)完成任務(wù)的能力，并為進(jìn)一步使用提供一種拓展方向。

(3)為發(fā)動機(jī)的優(yōu)化設(shè)計提供方向。以發(fā)動機(jī)使用能力為頂層要求，為底層技術(shù)指標(biāo)的取舍折中提供一種優(yōu)化方向，最大程度地為發(fā)動機(jī)綜合使用能力和飛機(jī)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(shù)支持。以飛行試驗獲得的使用經(jīng)驗和數(shù)據(jù)、發(fā)動機(jī)模型等信息，為部隊試驗和使用提供技術(shù)支持，為促進(jìn)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(jī)裝機(jī)對象的典型作戰(zhàn)任務(wù)，如進(jìn)攻性制空作戰(zhàn)、肅清空域、空中護(hù)航、空中截?fù)舻龋鞔_在發(fā)動機(jī)不同使用時間和故障等級條件(該條件影響發(fā)動機(jī)能力[15])下發(fā)動機(jī)完成任務(wù)所應(yīng)具備的能力，并進(jìn)一步對其進(jìn)行分解，建立使用能力和技術(shù)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)模型(圖1)，建立“任務(wù)—能力—技術(shù)指標(biāo)”之間的關(guān)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(shè)計。

(1) 試驗矩陣構(gòu)建方法

①提取任務(wù)剖面內(nèi)發(fā)動機(jī)在自然環(huán)境維度、飛機(jī)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(gòu)建試驗輸入。

②提取任務(wù)剖面內(nèi)的發(fā)動機(jī)操縱動作，結(jié)合試驗環(huán)境，構(gòu)建基于典型任務(wù)的發(fā)動機(jī)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(wù)為例：在地形跟蹤飛行任務(wù)剖面，飛機(jī)以低高度、高亞聲速飛行，需要飛機(jī)的軌跡盡量與地面相匹配。飛行任務(wù)剖面軌跡包括頻繁的俯沖和拉起，需要發(fā)動機(jī)對油門桿操縱立即做出響應(yīng)以提供所需推力——這不僅對發(fā)動機(jī)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(jī)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(wù)，提取任務(wù)環(huán)境模型和發(fā)動機(jī)操縱特征，建立試驗矩陣。

(2)試驗實施方法

①將提取的任務(wù)剖面內(nèi)發(fā)動機(jī)操縱動作，在任務(wù)剖面的不同維度分別進(jìn)行驗證。該階段結(jié)合技術(shù)指標(biāo)符合性驗證飛行試驗，目的是充分檢驗技術(shù)指標(biāo)和邊界條件，為發(fā)動機(jī)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(wù)的發(fā)動機(jī)使用試飛，以獲得試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行使用能力和技術(shù)指標(biāo)關(guān)聯(lián)模型的迭代修正，使得結(jié)果更接近作戰(zhàn)使用條件下的結(jié)果。

(3)試驗評估方法

①依據(jù)使用能力和技術(shù)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)模型，從發(fā)動機(jī)使用能力角度評估底層技術(shù)指標(biāo)。一是對技術(shù)指標(biāo)的重要程度進(jìn)行劃分，二是在技術(shù)指標(biāo)符合性的基礎(chǔ)上評估其合理性。

②依據(jù)使用能力和技術(shù)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)模型，對發(fā)動機(jī)使用能力進(jìn)行評估。如采取對比方式可評估發(fā)動機(jī)使用能力的降低或提升。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 使用能力與技術(shù)指標(biāo)關(guān)聯(lián)模型構(gòu)建技術(shù)

使用能力與技術(shù)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)模型，是開展試驗和進(jìn)行能力評估的基礎(chǔ)。依據(jù)關(guān)聯(lián)模型中使用能力對技術(shù)指標(biāo)的敏感性，即技術(shù)指標(biāo)的權(quán)重，可對技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行等級劃分，如否決類指標(biāo)、重要指標(biāo)和一般指標(biāo)等。依據(jù)使用能力評估結(jié)果(圖2)，針對需要改進(jìn)、提升的，將重點優(yōu)化否決類指標(biāo)和重要指標(biāo)，對一般性指標(biāo)可降低設(shè)計要求，以此從整體角度優(yōu)化提高發(fā)動機(jī)的使用能力。使用能力與技術(shù)指標(biāo)關(guān)聯(lián)模型的建模，關(guān)鍵在于如何獲取技術(shù)指標(biāo)的權(quán)重。可采取專家經(jīng)驗法等方法獲取，并通過飛行試驗進(jìn)行迭代修正，這為解決如何評估發(fā)動機(jī)的使用能力提供了一種可選方案。

4.2 試驗環(huán)境構(gòu)建技術(shù)

試驗與作戰(zhàn)緊密銜接，必須在試驗中引入任務(wù)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(jié)果的有效性。對于飛行試驗，試驗環(huán)境應(yīng)為可測量、可量化、可重復(fù)的使用環(huán)境，否則將失去試驗的意義。

將典型任務(wù)剖面在自然環(huán)境維度、飛機(jī)維度、時間維度、發(fā)動機(jī)維度進(jìn)行分解，提取與發(fā)動機(jī)操縱相關(guān)和影響發(fā)動機(jī)使用能力的各維度因素，構(gòu)建組成試驗環(huán)境。因此，試驗環(huán)境是按照任務(wù)剖面匹配發(fā)動機(jī)操縱的一系列條件組成，使得各維度的條件有機(jī)組合，為解決如何有效組合疊加自然環(huán)境維度、飛機(jī)維度、時間維度、發(fā)動機(jī)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(shù)

隨著使用時間的增長，發(fā)動機(jī)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(dǎo)致其能力隨之發(fā)生變化。在發(fā)動機(jī)不同使用時間，通過對不同衰減程度的發(fā)動機(jī)完成任務(wù)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(yīng)的發(fā)動機(jī)工作小時/循環(huán)數(shù)，為部隊使用與維護(hù)提供指導(dǎo)。同時，借助衰減-能力曲線，提前預(yù)測發(fā)動機(jī)對任務(wù)執(zhí)行的影響，并有效規(guī)避給任務(wù)執(zhí)行帶來的風(fēng)險。

4.4 基于故障的綜合使用能力修正技術(shù)

實際作戰(zhàn)使用中，發(fā)動機(jī)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(jī)故障等異常方面的飛行試驗，主要側(cè)重故障的檢查、診斷及控制律重構(gòu)等邏輯和功能試飛，尚未開展故障狀態(tài)下的發(fā)動機(jī)使用能力試飛。

毋庸置疑，故障將影響發(fā)動機(jī)的使用能力，因此有必要開展故障狀態(tài)下發(fā)動機(jī)使用能力的評估。按照發(fā)動機(jī)故障的嚴(yán)重程度劃分等級，分級評定故障對發(fā)動機(jī)使用能力的影響。評估故障狀態(tài)下發(fā)動機(jī)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(wù)，三等故障可以執(zhí)行大部分任務(wù)，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(hù)提供指導(dǎo)，提前預(yù)測發(fā)動機(jī)故障對任務(wù)執(zhí)行的影響，提高出勤率，并規(guī)避任務(wù)執(zhí)行風(fēng)險。

5 結(jié)論

針對航空發(fā)動機(jī)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(wù)的航空發(fā)動機(jī)使用試飛與評估方法，主要結(jié)論如下：

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

(2)發(fā)動機(jī)使用能力與技術(shù)指標(biāo)關(guān)聯(lián)模型構(gòu)建技術(shù)，為解決如何評估發(fā)動機(jī)的使用能力提供了一種可選方案。

(3)發(fā)動機(jī)試驗環(huán)境構(gòu)建技術(shù)，為解決如何有效組合疊加自然環(huán)境維度、飛機(jī)維度、時間維度、發(fā)動機(jī)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(jī)使用能力修正技術(shù)，可對發(fā)動機(jī)使用能力進(jìn)行更為細(xì)致的評估，將使得試驗更接近作戰(zhàn)使用。

(5)基于任務(wù)的航空發(fā)動機(jī)使用試驗與評估方法，為開展航空發(fā)動機(jī)使用試飛奠定了基礎(chǔ)，是面向作戰(zhàn)使用的航空發(fā)動機(jī)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(jìn)一步完善試驗與鑒定技術(shù)提供參考。