中國軍用航空發動機壽命驗證與規劃方法

王 海

（中國人民解放軍93128部隊，北京 100076）

0 引言

隨著軍用航空發動機先進性、復雜性、全壽命周期成本和裝備規模的不斷提升，除推力、耗油率等主要性能外，對壽命期內安全性、可靠性、維修性、保障性和經濟性等要求越來越高。中國航空發動機壽命驗證和規劃工作的方法和模式一直在不斷的探索中發展，壽命驗證與規劃工作需要更新觀念，完善管理體制。壽命不僅是綜合性能指標，更是影響裝備規模和效能、行業產能和效益的重要因素，如何統籌論證提出指標、科學驗證評估，是多學科交叉、多部門協作的復雜系統工程。

發動機壽命管理計劃貫穿于發動機成熟過程始終，需要從生產、質量控制、綜合保障等維度，在確保外場使用結構完整性的基礎上，通過使用過程中暴露設計不足和疲勞問題，不斷探索發動機使用極限提高發動機使用經濟性。許可君等[1]、楊秀深[2]、王東藝等[3]對中國航空發動機的可靠性和壽命管理方法進行了研究和論述，認為目前的中國航空發動機定期維護的壽命驗證和管理模式使用經濟性較差，未來的發展方向應為基于視情維護的壽命驗證和管理；Suarez等[4]和Grebtti 等[5]進行了基于發動機服役環境的壽命預測與控制方法的研究，并提供了壽命控制與管理的技術方法；甘曉華等[6]、趙元剛[7]對國產殲擊機動力裝置的定壽、延壽方法進行了研究，提出了航空發動機壽命應在使用過程中不斷累積數據并根據實際使用進行修正的理論；程衛華等[8]、王奉明[9]、于宏軍等[10]對航空發動機加速任務試車的驗證方法進行了研究，為航空發動機整機壽命驗證方法提供了比較科學和先進的理論基礎。這些研究工作為中國航空發動機壽命驗證和規劃提出了明確的方向和建議。由于航空發動機壽命驗證與規劃屬于多學科交叉的復雜系統工程，一方面需要解決先進航空發動機的需求問題，另一方面還需要考慮中國航空發動機產業的現狀和當前的管理模式。目前缺少基于中國航空發動機研制及管理體系的具體問題研究和建議。

本文以近年來中國航空發動機研制和使用過程中壽命驗證和規劃的經驗為基礎，結合暴露以及存在的問題，對壽命驗證和規劃的各階段和環節進行具體的研究并提出管理和技術方面的建議。

1 航空發動機壽命概述

從設計角度出發，GJB241A-2010《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發動機通用規范》主要從結構完整性方面定義航空發動機壽命，稱為設計使用壽命，“要求根據飛機飛行任務和飛行任務混頻設計，發動機在使用壽命內應能滿意地工作”[11]。設計使用壽命分為熱件壽命、冷件壽命、關鍵件壽命、消耗件壽命、附件壽命、軸承壽命等，要求按規定程序和方法予以評估驗證。確定發動機及其零部件壽命的直接依據主要來自2 方面：（1）由實際飛行任務所綜合推導出的等效工作循環；（2）零部件在設計時所給定的標準循環數或工作時數。在實際操作方面，通常由研制單位依據零部件、整機試驗結果給出初始壽命，憑借對同類集中的使用經驗，制定出基本翻修間隔；通過在使用中不斷摸索、改進和積累經驗，再由研制單位和使用部門共同制定出合理的翻修期和主要零部件使用壽命。

從使用角度，航空發動機壽命是指產品交付后，從工作開始至喪失規定工作能力而不能修復或經濟上不值得修復的累計運轉時限，主要包括總壽命、技術壽命、安全壽命等，通常以工作小時、次數和日歷年等指標表示。總壽命是指在規定條件下，發動機從開始使用到規定報廢的總工作小時和（或）總循環數和（或）日歷持續時間；技術壽命又稱規定壽命，是承制方按預定使用計劃和維修條件預計發動機可能達到的壽命，技術壽命表明的是技術上的可能性，要經過嚴格試驗和研究，在使用中驗證，最后經使用方批準；安全壽命是指為確保發動機使用中的安全性而規定的壽命，通常由承制方根據對危險性故障的分析和科學試驗結果提出[12]。發動機總壽命是綜合技術、使用、經濟和安全等方面確定的，短于或等于技術壽命，接近于安全壽命。

圖1 航空發動機壽命管理及驗證特點

圖2 航空發動機壽命管理計劃的重要作用

2 壽命驗證方法

設計使用壽命驗證一般按照“設計分析-零部件/成附件試驗-地面整機驗證-外場使用驗證”的方法和流程進行。由于整機耐久性試車可相對真實模擬實際工作環境，對發動機規定壽命期內持續工作能力進行綜合集成驗證，因此是最主要的壽命驗證方法。MIL-HDBK-1783B《發動機結構完整性大綱》規定，“需通過整機試驗來驗證發動機的設計使用壽命和設計用法”[13]。

整機試驗主要有1∶1 持久壽命試車和加速任務試車2 種方式。前一種主要應用于航空發動機發展早期，當時壽命只有幾十到幾百小時，限制壽命的主要因素是零部件的應力斷裂和蠕變，方法簡單且容易實施；后一種主要應用于壽命等指標大幅提升的先進航空發動機，其基本原理是針對高功率狀態下危及飛行安全的低周疲勞和蠕變問題開展試車，通過對故障損傷模式的加速，暴露外場使用中可能出現的結構缺陷和故障，并預測發動機壽命。美國從20 世紀70年代首先采用該方法，目前已廣泛應用并成為1 項標準考核試驗[7]。據不完全統計，國外在發動機研制中要做大量的地面試車和飛行試驗，部分發動機地面試驗臺數和時間見表1[14]。

表1 國外發動機地面試車情況

加速任務試車在直接反映產品的外場用法前提下，剔除非損傷溫度下對壽命沒有影響或影響不大的穩定運行工作狀態和時間，使試車的大狀態工作時間和低循環疲勞次數盡量與外場使用一致[9]，具有周期短、適用性好、效費比高等優點。但加速任務試車也存在無法充分考核整機高周疲勞、對軸承和傳動系統結構考核不夠等問題，需另外附加專項考核。

為確保加速任務試車結果的準確性和有效性，需重點關注對發動機任務剖面中損傷過程的確定、對飛行任務要求和飛行任務混頻的模擬、損傷性任務綜合任務剖面的編制、非損傷性任務的剔除、加速系數的確定等方面工作。其中，確定加速系數是關鍵。一般情況下，加速系數取決于所模擬飛行任務剖面中低功率狀態所占百分比，以及加速任務試車中發動機載荷增大的程度。戰斗機發動機加速試車系數通常在3以內，見表2，運輸機和轟炸機發動機一般為3～10，國外部分民機發動機也曾采取10以上的加速系數[10]。

表2 國外部分發動機試車加速系數

3 壽命驗證規劃

壽命驗證工作貫穿全壽命周期，需統籌規劃、科學實施。根據型號生成和使用流程，可規劃為5 個階段，每個階段各有側重。

3.1 論證階段

重點是綜合使用需求、技術可能和裝備規模，科學提出壽命指標要求，大型復雜型號可考慮設定初始可接受值和成熟期目標值。要同步提出壽命指標驗證方式，如標準、程序、項目、周期和試驗方法、試驗件數量等，并以試驗鑒定方案等文件形式固化，作為承制方的正式頂層設計輸入。如中國某型大推力航空發動機，在論證階段就結合行業設計、制造和試驗能力，由使用方和承制方共同對壽命摸底和驗證作出統籌規劃：（1）在驗證項目和標準上，堅持以國軍標為基礎，全面參考適航要求，開展全面整機試車驗證；（2）在整機長試上，采用1：1 和加速任務試車混合的方式，完成全壽命周期驗證；（3）在專項考核上，安排零部件低循環疲勞和成附件、軸承壽命試驗，以及整機高周疲勞等專項試車，作為整機壽命驗證的補充；（4）在試飛上，持續開展數百架次的加速成熟試飛，確保從全周期、多維度達到評估驗證壽命指標的目的。

3.2 設計階段

重點是承制方按照“始終瞄準成熟期目標、總體設計一步到位”的指導思想，將壽命指標要求分解落實到總體方案和設計細節中。同時，結合新材料、新工藝的發展趨勢，為型號后續系列化發展留足裕度。在研制中，通過材料、工藝的“多流水”和“多方案”等手段，確保設計目標可實現、壽命指標可達到。如某型航空發動機為滿足性能大幅提升要求使用了大量新材料和新工藝，為有效降低風險，確保設計上可實現、進度上可掌控，專門針對渦輪葉片等關鍵部件持續開展關鍵技術攻關，并采用材料和工藝“雙備份”的方式，同時選用2 種材料、2 種工藝路線科學組合、并行攻關，既形成了軍民融合、競爭擇優的良好局面，又確保型號能拿到可用的零部件。

3.3 驗證階段

重點是按照“分層次試驗、分階段驗證、全周期考核、一體化統籌”的指導思想，完成壽命驗證。分層次，就是按照“零部件-成附件/系統-整機”的流程開展試驗，確保在研制的不同層面及時發現和解決問題；分階段，就是在初始飛行、狀態鑒定、列裝定型等重要節點，參照國軍標完成初始飛行前70 h、設計定型300 h和1000 h加速模擬飛行任務持久試車等規定試驗考核，在驗證整機結構完整性、可靠性和耐久性的同時，對壽命進行初步驗證；全周期，就是在確定鑒定狀態或轉入鑒定試驗后，盡早開展首翻期和全壽命持久試車，與考核壽命指標同步，達到設計摸底、改進迭代和驗證保障、修理方案的目的；一體化，就是考慮全壽命試車周期長、代價大等因素，跨階段統籌規劃性能驗證和性能鑒定試驗，通過采信等合理化手段，在列裝定型前完成全部驗證工作。

3.4 使用階段

重點是在確保飛行安全的基礎上，按照“地面領先空中、內場領先外場”的指導思想，統籌開展地面領先長試和外場領先使用，相互迭代、互為支撐，在實際使用條件下，逐步驗證和達到全壽命期指標要求[15]。如某型大推力航空發動機在交付外場使用后，制定了“以地面領先驗證為基礎、分階段開展外場使用驗證、逐步積累達到翻修壽命”的總體方案。（1）安排地面領先驗證，關鍵件按一定儲備系數完成全壽命期低循環疲勞考核試驗，成附件完成壽命考核，整機完成翻修期壽命試驗，拿到初始翻修期壽命底數；（2）在翻修期內設置多個壽命評估節點，安排外場領先飛行，將外場發動機的翻修期壽命逐步增長至目標翻修期，待裝機發動機使用時數接近一半翻修期壽命時，按地域和使用強度抽取部分返廠分解檢查，評估后同批發動機繼續飛行至下一個整機翻修期壽命評估節點；（3）依次開展后續翻修期的地面長試、領先飛行和提前返廠檢查，綜合外場使用和翻修情況、可靠性和經濟性等因素，最終對翻修期和總壽命進行評估、修正和確認。

圖3 航空發動機壽命驗證工作技術路線

3.5 批產階段

重點是通過對抽檢發動機進行整機長試，檢驗批產質量的一致性。長試時間，原則上要求不少于一倍的首翻期。試驗發動機抽取比例，要求根據批產數量和周期協商確定。試驗方式，要求對批產使用質量比較穩定、首翻期壽命較長（大于500 h）的，采用1∶1 試車和加速任務試車按年度交替進行；對生產使用中質量問題較多的，原則上按1∶1 試車進行。需要特別注意的是，批檢長試目的是對產品質量穩定性的檢驗，因此試車譜應按外場實際載荷譜編制。

4 需重點關注的問題

4.1 合理選擇整機壽命試車的時機和方式

一般情況下，在性能驗證階段應主要采用1∶1 持久試車進行壽命摸底，以盡早發現和解決問題，同步積累長試數據，為后續加速任務試車提供支撐；在性能鑒定階段應主要采用加速任務試車進行壽命驗證，同時補充專項試車考核，以更好兼顧準確性和周期、資源等因素的矛盾。主要考慮：（1）性能驗證階段的重點是及時復核設計的有效性和制造的準確性，應盡早搭建整機試驗平臺，主動發現并改進設計、制造等方面的薄弱環節。而性能鑒定階段的重點是準確驗證壽命指標的符合性，應盡可能模擬真實使用條件，拿到真實考核結論；（2）性能驗證階段對技術狀態不是強約束，以摸底方式進行壽命長試，過程中發動機可分解、可修理、可改進，允許暴露問題，攻關解決后可繼續試驗。而性能鑒定階段要求固化技術狀態，翻修期內不可分解和修理發動機，出現問題往往導致考核失敗；（3）性能驗證階段處于型號研制前期，常常面臨實際裝機使用剖面和載荷尚未完全清晰、引氣和功率提取等接口需求尚未最終固化等情況，導致難以準確確定加速任務試車載荷參數，采用1∶1 試車方式相對易實施，周期上也較寬裕。而性能鑒定階段往往處于型號考核交付的關鍵期，周期要求緊，一旦出現反復，將嚴重影響鑒定交付進度，采用加速任務試車可更快、更準確給出指標符合性的結論。如中國某型大推力航空發動機，在1∶1 壽命試車考核過程中暴露出耐久性問題，原因一方面是設計和加工上存在薄弱環節導致疲勞強度不足，另一方面是未充分考慮地面與空中使用環境的差異，造成長試過程中吸入數倍于真實使用情況的沙塵量，導致“吞沙塵過考核”而影響試車驗證結果。據查，RR公司也曾做過類似分析，結論是“通常在實際飛行中葉片表面的沉積物很少或根本沒有，地面試車受當地環境條件影響比實際飛行環境惡劣”。

4.2 科學把握壽命驗證和壽命提升的關系

當前，能力漸進提升是大型復雜裝備的發展規律，但要科學把握航空發動機壽命驗證和提升的關系，避免“逐漸改進，提升壽命”，而是瞄準目標值，力爭“設計一步實現”，然后通過“地面試驗-外場使用-全壽命評估”的方式，實現“壽命逐步驗證”。主要考慮：（1）航空發動機以機械產品為主，對硬件要求高，零部件特別是高溫件改進提升難度大。同時，由于發動機整體結構布局無法改動，改進空間受限，并且零件數量多、配合關系精密，往往牽一發而動全身，狀態改動影響較大；（2）工作環境相對惡劣，模擬真實工況難，往往只能通過整機長試進行驗證考核，導致貫改試驗周期長、代價大，難以像飛機平臺一樣主要通過軟件版本升級或更新外接設備、武器等實現能力漸進提升；（3）壽命不單是性能指標，更關系外場使用和裝備規模，不僅要考慮技術可實現性，更要考慮經濟可承受性，合理確定初始可接受值和目標值，防止發動機買得起、用不起。

4.3 加快走出有中國特色的壽命管理新路子

軍用航空發動機壽命管理的主要目標，是實現功能/性能、安全性和經濟性的統籌平衡。當前，中國軍用航空發動機在設計上，已開始貫徹以損傷分析為基礎、以循環壽命為指標的先進壽命設計管理理念，但在使用上，主要還是傳統壽命理念和維修體制，按照總壽命、翻修期、大狀態工作時間比例等指標進行機群管控，導致在設計要求和指標驗證上不得不兼顧兩種理念，難以充分發揮新研發動機壽命使用潛力。一方面是中國自主研發能力還有欠缺，無法在技術上支撐外場采用單機狀態監控和視情維修方式進行壽命管理，另一方面是在壽命設計、驗證和外場維修機制等方面的認知上還存在誤區，無法有效發揮先進發動機壽命長、安全性高、全壽命周期費用低的優勢。后續：（1）在設計上，要堅持圍繞全壽命周期目標，利用單元體結構和健康管理系統等先進手段，為真正實現“單機監控+視情維修”奠定技術基礎；（2）在管理上，要逐步轉變傳統的“安全壽命”管理理念，通過組建承制方和使用方共同參與的全壽命周期管理小組、實現設計和外場使用數據共享等手段，切實建立起以可靠性為中心的壽命管理機制，走出有中國特色的壽命管理新路子。

5 結束語

隨著中國航空發動機自主研發能力的不斷提高，裝備數量和規模快速增加，亟需開展科學開展壽命管理，滿足對經濟性和保障性的迫切需求。壽命驗證是壽命管理的基礎，必須頂層謀劃、科學實施，在借鑒國外先進經驗的同時，充分結合國情，堅持以型號為抓手、以問題為導向，建立1 套涵蓋論證、研制、批產和使用階段，包含標準、程序和方法等要素，有中國特色的軍用航空發動機壽命管理和驗證體系，為全面建成航空發動機自主研發能力、全方位滿足用戶需求奠定基礎。