航空發(fā)動機多狀態(tài)壽命控制策略及仿真研究

崔利杰，李皓祥，李薛，童奇

（1.空軍工程大學(xué)裝備管理與無人機工程學(xué)院，西安 710051）（2.中國人民解放軍93671部隊，南陽 474300）

0 引言

壽命消耗情況是衡量發(fā)動機狀態(tài)的重要因素，對發(fā)動機壽命的控制是航空裝備維修質(zhì)量控制工作的重要內(nèi)容之一。由于飛機使用要求不同，航空發(fā)動機壽命消耗不限于常規(guī)壽命，更多地需要將常規(guī)壽命與狀態(tài)壽命協(xié)調(diào)、匹配使用。但當(dāng)前由于各種原因，航空發(fā)動機壽命控制工作表現(xiàn)為：重視飛機壽命梯次控制，輕視發(fā)動機壽命梯次控制；重視發(fā)動機常規(guī)壽命，輕視發(fā)動機典型狀態(tài)壽命；重視發(fā)動機使用需求匹配，輕視發(fā)動機的壽命參數(shù)匹配；重視定性分析，輕視量化驗證。這樣的發(fā)動機壽命控制策略很難適應(yīng)新時代航空發(fā)動機的使用需要，亟需提出基于狀態(tài)壽命消耗的發(fā)動機壽命控制策略。仿真方法是軍事領(lǐng)域較為可行且有效的一種驗證手段，其成本低、效率高、調(diào)整方便，能夠驗證發(fā)動機壽命控制策略的合理性和可行性，因此目前在裝備維修管理領(lǐng)域，仍較多地采用仿真手段進(jìn)行方法驗證。

當(dāng)前，國內(nèi)外在經(jīng)過多年探索后，提出了不同的發(fā)動機壽命控制策略。例如，曹明等基于民用航空發(fā)動機健康管理的需求及發(fā)展目標(biāo)，分析民用航空發(fā)動機健康管理與壽命管理的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，指出了未來需要重點關(guān)注的研發(fā)方向；陳躍良等從對軍用飛機結(jié)構(gòu)日歷壽命相關(guān)問題的思考出發(fā)，提出了多種發(fā)動機壽命控制策略；Fu X等研發(fā)了航空發(fā)動機維修策略優(yōu)化支持系統(tǒng)；J.Crocker等基于軟約束和硬約束提出了一種以可靠性為中心的軍用航空發(fā)動機壽命控制與維修策略優(yōu)化方法；M.P.Kleeman等考慮到航空發(fā)動機部件之間的互換策略，提出了基于多目標(biāo)維修優(yōu)化的航空發(fā)動機壽命模型；此外，陳少龍等、李琨等、甘曉華等也分別對航空發(fā)動機的計算管理、梯次控制等壽命控制問題進(jìn)行了研究。上述研究所提策略能夠在相應(yīng)條件下對發(fā)動機壽命控制發(fā)揮一定作用，但仍不能解決我軍發(fā)動機壽命狀態(tài)多、與飛行科目數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)少、可行性驗證難等問題。

提出策略是發(fā)動機多狀態(tài)壽命控制的第一步，開展可行性和合理性驗證對于日常訓(xùn)練和作戰(zhàn)使用保障同樣十分重要。對于航空裝備的研制、使用與運維策略等管理流程性的驗證，仿真技術(shù)無疑是經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)手段。在目前成熟的軍事領(lǐng)域，仿真技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。例如，趙永等利用ExtendSim、Netlogo、Simio 3D等軟件開展了裝備管理的流程仿真；叢繼平等利用Net-Logo軟件對航空裝備保障體系進(jìn)行了仿真；杜茵開展了智能化生產(chǎn)車間建模與Simio仿真；吳鼎新等將Simio仿真系統(tǒng)用于集裝箱運輸教學(xué)中；黃庚保提出了生產(chǎn)系統(tǒng)建模與Simio仿真；特別是，A.Bousdekis等總結(jié)了一系列目標(biāo)導(dǎo)向的維修保障仿真來輔助決策的方法，為航空發(fā)動機仿真提供了重要借鑒。然而，目前的研究對于當(dāng)前實戰(zhàn)化戰(zhàn)訓(xùn)任務(wù)下不同飛行科目高度并發(fā)、多種發(fā)動機狀態(tài)耦合同存、單一壽命控制策略難以適應(yīng)的發(fā)動機壽命控制策略的驗證問題鮮有涉及，也缺少成熟有效的驗證模型。

本文重點圍繞飛行科目、發(fā)動機使用狀態(tài)、壽命控制策略的關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)建多狀態(tài)控制模型，運用多目標(biāo)決策方法提出發(fā)動機多狀態(tài)壽命控制策略，并使用Simio 3D仿真軟件進(jìn)行策略仿真驗證。

1 發(fā)動機多狀態(tài)壽命特征與使用分析

1.1 多狀態(tài)壽命特征及狀態(tài)分析

航空發(fā)動機在實際工作中由于飛機面臨的不同飛行階段、飛行任務(wù)和飛行環(huán)境，對發(fā)動機的功率（推力）會有不同的要求，使得飛機存在多種飛行狀態(tài)、發(fā)動機也存在多種工作狀態(tài)，對于不同工作狀態(tài)，提出了不同的發(fā)動機壽命限制要求。因此僅考慮常規(guī)壽命的消耗不能準(zhǔn)確反映發(fā)動機壽命消耗的實質(zhì)。只有結(jié)合發(fā)動機處于大負(fù)荷狀態(tài)的壽命消耗——狀態(tài)壽命消耗的現(xiàn)實情況進(jìn)行具體分析，才能對現(xiàn)階段發(fā)動機壽命消耗情況有一個清楚的認(rèn)知。

以某型發(fā)動機為例，通過數(shù)據(jù)收集，對比分析一年內(nèi)某單位該型發(fā)動機多狀態(tài)壽命消耗情況，如圖1所示，可以看出：發(fā)動機八種狀態(tài)壽命的消耗量具有明顯差異。為突出典型性，選擇Z狀態(tài)和Z狀態(tài)作為本文研究的顯著狀態(tài)。

圖1 發(fā)動機多狀態(tài)壽命消耗Fig.1 Engine multi-state life consumption

1.2 飛行科目與狀態(tài)壽命關(guān)系分析

排除無法估計的飛行員根據(jù)實際情況的操作外，飛行科目是發(fā)動機狀態(tài)壽命消耗的關(guān)鍵致因。由于在當(dāng)前實戰(zhàn)化訓(xùn)練背景下，發(fā)動機使用中需要頻繁進(jìn)入加力和最大加力狀態(tài)的訓(xùn)練科目增多，例如大速度、大過載、突防突擊、實彈打靶等科目，產(chǎn)生的直接影響就是發(fā)動機的狀態(tài)壽命消耗呈現(xiàn)快、多、雜的趨勢。通過分析某型發(fā)動機在一段時期內(nèi)的空中使用數(shù)據(jù)，得到執(zhí)行不同訓(xùn)練科目時發(fā)動機狀態(tài)壽命（Z狀態(tài)和Z狀態(tài)）的消耗情況如圖2所示，橫坐標(biāo)軸K～K代表當(dāng)前該單位日常進(jìn)行的飛行科目（數(shù)據(jù)值為修正值）。

圖2 飛行科目下Z1狀態(tài)和Z2狀態(tài)壽命消耗關(guān)系Fig.2 Life consumption relationship between Z1 state and Z2 state under flight subject

從圖2可以看出：飛機執(zhí)行不同飛行科目，會對發(fā)動機狀態(tài)壽命消耗造成直接影響。

對于發(fā)動機壽命而言，飛行科目中的每個元素，在發(fā)動機狀態(tài)壽命指標(biāo)的集合中總是存在一個唯一的元素——狀態(tài)壽命指標(biāo)與其對應(yīng)，即在飛行科目和發(fā)動機狀態(tài)壽命指標(biāo)之間存在映射關(guān)系，記 作f：K→Z，K=｛K、K……K｝，Z=｛Z、Z｝。映射關(guān)系如圖3所示。

圖3 飛行科目與Z1狀態(tài)壽命和Z2狀態(tài)壽命映射Fig.3 Mapping of flight subject to Z1 status life and Z2 status life

2 發(fā)動機多狀態(tài)壽命控制策略制定

2.1 變量定義

根據(jù)上述關(guān)系，提出發(fā)動機多狀態(tài)壽命控制策略所需變量（各變量的單位均為小時）如下。

以某具體單位為例，假定其在位飛機數(shù)為30架（飛機均為新機），每架飛機發(fā)動機常規(guī)壽命為800 h，Z狀態(tài)壽命為40 h，Z狀態(tài)壽命為100 h。該部隊年飛行小時數(shù)為5 000 h。單位飛行任務(wù)時間與狀態(tài)壽命消耗量如表1所示。

表1 飛行任務(wù)壽命消耗和任務(wù)占比Table 1 Mission life consumption and mission proportion

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，計算提出策略一、策略二、策略三。

2.2 策略一——僅考慮常規(guī)壽命

策略一為傳統(tǒng)策略，指僅考慮發(fā)動機按照常規(guī)壽命進(jìn)行排序，形成發(fā)動機使用順序進(jìn)行壽命控制。

2.3 策略二——考慮一種狀態(tài)壽命

使用變量：R，C或T

通過數(shù)學(xué)計算得出常規(guī)壽命x和狀態(tài)壽命x的權(quán)重。得到策略公式：

或

策略二表示為發(fā)動機常規(guī)壽命消耗量與發(fā)動機常規(guī)壽命的比值，比上發(fā)動機狀態(tài)壽命消耗量與發(fā)動機狀態(tài)壽命的比值，所得到的最終比值來進(jìn)行發(fā)動機選擇。即最終比值盡可能地接近發(fā)動機常規(guī)壽命的權(quán)重比上發(fā)動機狀態(tài)壽命的權(quán)重0.304 1/0.695 9或0.409 8/0.509 2。

2.4 策略三——考慮多種狀態(tài)壽命

通過數(shù)學(xué)計算得出常規(guī)壽命x、Z狀態(tài)壽命x和Z狀態(tài)壽命x的權(quán)重。得到策略公式：

y=0.231 2x+0.528 9x+0.239 9x

策略三表示為發(fā)動機常規(guī)壽命消耗量與發(fā)動機常規(guī)壽命的比值，比上發(fā)動機Z狀態(tài)壽命消耗量與發(fā)動機Z狀態(tài)壽命的比值，所得到的最終比值1和發(fā)動機常規(guī)壽命消耗量與發(fā)動機常規(guī)壽命的比值，比上發(fā)動機Z狀態(tài)壽命消耗量與發(fā)動機Z狀態(tài)壽命的比值，所得到的最終比值2，綜合考慮來進(jìn)行發(fā)動機選擇。即最終比值1盡可能地接近發(fā)動機常規(guī)壽命的權(quán)重比上發(fā)動機Z狀態(tài)壽命的權(quán)重0.231 2/0.528 9；最終比值2盡可能地接近發(fā)動機常規(guī)壽命的權(quán)重比上發(fā)動機Z狀態(tài)壽命的權(quán)重0.231 2/0.239 9。

3 發(fā)動機控制策略仿真驗證

Simio 3D是基于SimioLLC在美國開發(fā)的“智能對象”技術(shù)的新一代三維仿真軟件，它可以構(gòu)建自動化的動態(tài)模型系統(tǒng)，使人們能夠直觀看到整個系統(tǒng)的運行過程，也可以在三維動畫中呈現(xiàn)環(huán)境系統(tǒng)，使動畫制作時模型更加生動和直觀。為驗證所提策略的可行性和合理性，本文應(yīng)用Simio 3D軟件進(jìn)行建模和仿真。

3.1 仿真模型構(gòu)建

發(fā)動機作為本文研究的主體，在基本使用單元仿真中很難單獨作為一個實體來呈現(xiàn)，因此以飛機（發(fā)動機）作為飛機平臺和發(fā)動機的綜合體在仿真建模中存在。在Simio 3D仿真軟件中建立一個Source（發(fā)生器），用來模擬基本使用單元中飛機的補充；建立4個Server（服務(wù)器），用來模擬飛機飛行過程中的四個基本步驟，即駛?cè)霗C庫、駛出機庫、起飛、著陸；同時新建三個Server（服務(wù)器），依次作為故障、定檢、大修的模型；建立Sink（銷毀器）對飛機（發(fā)動機）報廢、退役進(jìn)行模擬；最后使用Time Path（時間路徑）將其連接起來，模擬飛行的基本過程。模型如圖4所示。

圖4 基本作戰(zhàn)單元部分仿真Fig.4 Partial simulation of basic combat unit

在本次仿真模型中設(shè)置有RenWuFeiXingShi-Jian、GuZhangShiJian、DaXiuShiJian、DaXiuShiJian2、DaXiuShiJian3、DingJianShiJian、BaoFeiShiJian、LuXianXuanZe、FJZT、ZTNur、CGSM、ZDZTSM、ZXLSM、ZDSMXH、ZXLSMXH十五個實體參數(shù)。

3.2 壽命控制策略注入

將策略一注入模型進(jìn)行路徑的選擇，在Time-Path3上對飛機（發(fā)動機）按照常規(guī)壽命進(jìn)行排序。點擊TimePath3在Entered屬性欄添加觸發(fā)程序TimePath3_Entered，在 實 體 進(jìn) 入TimePath3時 觸發(fā)。選擇Processes頁面對TimePath3_Entered進(jìn)行程序編輯，添加兩個Search和兩個Assign，程序如圖5所示。

圖5 策略一TimePath3_Entered觸發(fā)程序Fig.5 TimePath3_entered trigger of strategyⅠ

仿真策略參數(shù)設(shè)置為按照Candidate.ModelEntity.CGSM從大到小排列。

策略二、三注入模型的觸發(fā)過程與策略一相同，仿真策略參數(shù)設(shè)置包括：總的常規(guī)壽命、Z的狀態(tài)壽命和Z的狀態(tài)壽命，任務(wù)飛行時間、Z的狀態(tài)壽命消耗和Z的狀態(tài)壽命消耗等。其中常規(guī)壽命和發(fā)動機Z狀態(tài)壽命的權(quán)重設(shè)置為0.304 1、0.695 9。

在TimePath上注入考慮常規(guī)壽命、Z狀態(tài)壽命和Z狀態(tài)壽命的發(fā)動機壽命控制策略。點擊TimePath3在Entered屬性欄添加觸發(fā)程序Time-Path3_Entered，在實體進(jìn)入TimePath3時觸發(fā)，程序如圖6所示。

圖6 策略二/三TimePath3_Entered觸發(fā)程序Fig.6 TimePath3_Entered trigger of strategyⅡ/Ⅲ

仿真實驗中假定某單位在位飛機（發(fā)動機）數(shù)為20架，每天任務(wù)飛行架數(shù)為12架，任務(wù)飛行時間服從均值為2的均勻分布，最大任務(wù)時間為2.5 h，最小任務(wù)時間為1.5 h。在飛機（發(fā)動機）使用過程中設(shè)置排故、定檢、大修3項基本保障工作和飛機（發(fā)動機）的退役報廢工作。飛機（發(fā)動機）故障（綜合考慮簡單故障和一般故障）服從參數(shù)為25的指數(shù)分布，排故時間設(shè)為半天。飛機（發(fā)動機）定檢工作（規(guī)定為100 h定檢，即當(dāng)飛行小時數(shù)累加大于95 h時實施定檢），定檢工作所需時間為5天。飛機（發(fā)動機）大修工作（規(guī)定1 000 h大修，即飛行小時數(shù)累加大于990 h時實施大修），大修工作所需時間為180天。飛機（發(fā)動機）的退役報廢時間規(guī)定為31 000 h。

3.3 仿真結(jié)果分析

策略仿真數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 策略仿真過程主要數(shù)據(jù)Fig.7 Main process datum of the simulation results

策略仿真分析結(jié)果如圖8～圖9所示。

圖8 大修數(shù)量圖Fig.8 Overhaul quantity

圖9 起飛架次圖Fig.9 Takeoff sorties

從圖8可以看出：在控制發(fā)動機壽命方面策略三優(yōu)于策略一、策略二；策略二優(yōu)于策略一。但考慮飛機起飛架次，從圖9可以看出：在要求飛機出動架次方面策略一優(yōu)于策略二、策略三。

4 結(jié)論

根據(jù)數(shù)據(jù)分析，基于發(fā)動機狀態(tài)壽命消耗的壽命控制策略，在減少發(fā)動機大修和合理安排發(fā)動機使用上優(yōu)于傳統(tǒng)的發(fā)動機壽命控制策略。而傳統(tǒng)的發(fā)動機壽命控制策略在保證飛機（發(fā)動機）飛行架次上，優(yōu)于基于發(fā)動機狀態(tài)壽命消耗的壽命控制策略。因此在實際工作中，機務(wù)人員要綜合考慮策略與作戰(zhàn)/訓(xùn)練的匹配程度，進(jìn)而選擇合適的發(fā)動機壽命控制策略。同時，還需要在日常訓(xùn)練過程中，不斷積累發(fā)動機使用與保障數(shù)據(jù)，更新、修正完善上述模型，提升策略的準(zhǔn)確性和有效性。