方老先生的好文章：美国第四代战斗机发动机的研制理念和 ...

美国第四代战斗机发动机的研制理念和研制程序（之一）
http://www.aeroinfo.com.cn/news/news_item.asp?bt=%C3%C0%B9%FA%B5%DA%CB%C4%B4%FA%D5%BD%B6%B7%BB%FA%B7%A2%B6%AF%BB%FA%B5%C4%D1%D0%D6%C6%C0%ED%C4%EE%BA%CD%D1%D0%D6%C6%B3%CC%D0%F2%A3%A8%D6%AE%D2%BB%A3%A9&news_id=Z&pic_pos=&xh=46738
2005年12月15日，美国空军宣布，第一支装备F119发动机的F-22"猛禽"战斗机飞机作战部队具备初步作战能力（IOC）。至此，作为第四代喷气战斗机发动机的典型代表，F119发动机历时15年技术准备和15年型号研制正式投入使用。
　　为满足第四代战斗机的要求，如超声速巡航、隐身、超机动性、短距起落、高保障性和地寿命期成本，F119发动机采用了许多新技术，如三维黏性流叶轮机设计方法、整体叶盘结构、高温升双层壁燃烧室、先进复合冷却技术和隔热涂层、第三代单晶材料、对转涡轮、双性能粉末冶金涡轮盘、强旋流加力燃烧室、二元矢量推力喷管、具有自检和容错能力的第三代双通道双余度FADEC和陶瓷/碳碳复合材料静止件。但是，从战斗机发动机的主要设计参数和性能指标（涡轮进口温度、中间状态耗油率和推重比）综合起来看，F119的性能相对于其前身F100的发展速度大大低于F100投入使用前美国30多年军用涡喷/涡扇发动机的平均速度。其主要原因是改变了过去主要追求高性能的做法，采取性能、适用性、可靠性、耐久性和维修性并重的研制理念。由此，研制程序和方法上也作了相应的改变。
　　 1美国战斗机发动机研制理念的演变
　　随着飞机战术技术要求的变化和和发动机技术的提高，美国战斗机发动机的研制理念也发生变化。
　　 1.1 追求性能的拼部件"武库法"
　　在40年代到50年代航空涡轮发动机发展的初期，在研制理念上单纯追求性能，发动机的寿命只有几十小时。在研制程序方面，采取从应用研究直接过渡到型号研制。由于部件技术没有在真实发动机环境下试验验证，型号研制工作的风险很大，拖延进度甚至研制失败的事常有发生。幸好当时发动机型号研制的数量多，飞机/ 发动机的匹配要求也不高，研制中的飞机可以用已经成熟的发动机或稍后研制出来的发动机。这就形成了有一些研制好的发动机可供飞机选用的局面。因而也被称为 "武库法"。
　　在研制中，重点解决性能达标问题，既保证发动机达到气动热力状态以及推力和耗油率指标。
　　 1.2重视适用性的预先研制理念
　　 60年代初，受50年代后期开始的"要导弹不要飞机"政策的影响，美国航空发动机技术的研究和发展经费缩减到了最小的程度。而且，随着技术的发展，研究和发展的成本不断上升，因而，型号研制的数量急剧减少。同时，飞机对发动机的要求变得更加专门化，特别是加力涡扇发动机的出现，使飞机与发动机间和发动机各部件间的匹配问题更加突出。根据这个情况，美国国防部决定，一种新发动机的型号研制必须经国防部的批准，而且必须与经批准的飞机计划配套。因此，在研究经费减少的情况下，为减少型号研制中的技术风险，确保发动机的研制成功，美国在航空发动机技术的研究和发展过程中增加了一个预先发展阶段，即在将应用基础研究和应用研究的成果用于型号研制以前，预先放在尽可能在接近发动机的真实工作状态下进行试验和验证。这就是核心机和验证机途径。
　　发动机研制的重点放到了适用性上。适用性是发动机工作特性对油门杆和进气流场条件变化的响应，主要解决进气道－发动机－喷管匹配问题。
　　 1.3 性能、适用性、耐久性、维修性和保障性并重的低寿命期成本研制理念
　　 1974年投入使用的F100涡扇发动机是追求高性能的代表，它在使用中出现大量的适用性、可靠性、耐久性和维修性问题，严重影响了飞行安全和战备完好状态，并大大增加了改进、改装和维修费用，是军方不堪负担。为此持美国政府和军方对航空发动机的研究、发展、采购和后勤保障状况进行了多次大规模的调研，发现了大量的问题。其中最主要的是发现发动机研制理念和研制程序没有随着技术的发展调整。在调研报告中说，"发动机的决策主要是针对当前和近期的问题，由于缺乏衡量发动机品质的共同准则，又没有完整、精确的寿命期成本数据，结果决策不是根据整个系统的成本作出的，也不是最佳的。"其后，在管理体制、研制理念、研制程序和方法上采取一系列的改革措施，并确定第四代战斗机发动机（当时称为先进战术战斗机）将全面贯彻新的设计理念和研制程序。主要的改革内容如下：
　　（1）建立统一的研究、发展、采购和后勤保障体系和信息系统，对发动机进行全寿命期管理。
　　调研发现，在70年代初，美国空军的发动机管理体系是分散的。空军司令部内对发动机的管理机构隶属于各个重要飞机型号办公室，研制部门、使用部门和后勤保障部门各自强调自己的要求。信息系统也不统一，很难得出全面衡量发动机品质得有效数据和准则。为此，对发动机和整个航空武器系统得管理体制进行了三次大的调整。第一次是在70年代初，在系统司令部航空系统部下增设推进装置处，全盘负责发动机的研究、负责和采购，改变了过去对发动机的管理分属各个飞机型号办公室的做法。第二次是在80年代初，在后勤司令部内增设采购后勤部，复杂沟通个作战司令部（使用部门）、系统司令部（采办部门）和后勤司令部（后勤保障部门），在采办过程中提出后勤保障方面的要求。第三次是在1992年7月1日开始实施，将系统司令部和后勤司令部合并成装备司令部，通盘负责航空武器系统的研究、负责、采购和后勤保障，从而在体制上保证对飞和发动机实施全寿命期管理。同时在空军参谋部一级的机构下设立介于下属各机构之间的统一的信息系统，把日常信息渠道（日常报表）、指令信息渠道（向上反映的情况和向下传达的指令）和特种信息渠道（听证会、技术座谈会和专家意见证询等）会集于统一的信息储存和处理中心，为发动机全寿命期管理提供技术和经济信息。
　　（2）建立寿命期成本模型，并把它作为发动机设计权衡的主要品质因素
　　发动机作为飞机的一个重要的分系统，对其寿命期成本的研究开始得比较早。军方、兰德公司和各发动机制造商早70年代就已经建立了多种发动机寿命期成本模型，并开始用于新发动机研制时的循环参数优化。这种凭过去多年的数据把发动机各项成本与发动机重要参数（如推力、推重比、耗油率、总压比、涡轮进口温度和翻修寿命）的模型可以推算出今后研制的新发动机的成本。在80初，普·惠公司为第四代发动机作循环参数优化时，以传统的飞机起飞总重最低为目标时涡轮温度为2033K，而以寿命期成本最低为目标时为1922K。考虑空军多种战斗机的需求，发动机循环参数的选择范围见表1。
（3）制定发动机寿命期管理条例，修订型号研制程序和规范，采用新的研制方法
　　美国空军于1980年4月颁布AFR800-30《航空涡轮发动机寿命期管理条例》，协调各部门对发动机的方案探索、验证/证实、全面研制、生产和使用各阶段实施统一的管理。新条例中在工程研制阶段的要求与原来条例的要求对比如表2。
条例中还规定，在型号规范中除性能指标外还应该有适用性、耐久性、可靠性和维修性等"四性"指标。
　　其定义如下：
　　 ·适用性--喘振裕度设计指标；
　　 ·耐久性--热端和冷端部件的设计寿命；
　　 ·可靠性--定期检查间隔时间和控制系统余度指标；
　　 ·维修性--能减少发动机维修量的设计和监控。
　　预计，累计使用到50万发动机飞行小时时，第四代战斗机发动机的可靠性、耐久性和后勤保障性将比F100-220有大幅度的提高，见表3。
为全面实现"四性"指标，还采取了综合产品开发和保障性设计等一系列新的研制方法。
　　同时，空军和海军开始探索新的研制程序。1985年空军颁布的MIL-E-87231是具有代表性的，并且把1984年颁布的《发动机结构完整性大纲》 MIL-STD-1783作为通用规范的一部分。在新的通用规范中，将原来MIL-E-5007D的全面研制程序中试飞前规定试验和定型试验两个段改为初始飞行批准、全面飞行批准、初始使用批准和作战能力批准四个阶段。
　　 ·初始飞行审批 一系列试验的总合，验证发动机是否适合于有限的飞行试验。具体来说，是验证保证试飞安全所需的气动、热力、气动弹性和结构特性。相当于原来的试飞前规定试验。
　　 ·全面飞行审批 一系列试验的总合，验证发动机是否适合于在整个飞行包线内进行飞行试验。在那时，为保证经济地生产、外场使用和维修所需的气动和热力性能以及重要部件的低周疲劳寿命都已经得到验证。
　　 ·初始使用审批一系列试验的总合，验证发动机是否适合于小批生产。在小批生产前，发动机的组件或单元体的翻修寿命和最长工作时间以及零件的寿命都已得到验证，保证发动机以最大状态（最大工作温度、最大引气量和最大功率提取）工作时耐久性不会过多的降低，并满足型号规范规定的所有要求。相当于原来的定型试验。
　　 ·工作能力审批 一系列试验的总合，验证发动机是否适合于达批量生产。到那时，试验用发动机是用批生产工装制造的，保证批生产发动机投入使用后的可靠性和耐久性问题减到最少，达到高的生产率，同时满足型号规范所有的性能和功能。
　　周期从4~5年延长到8~9年，总试验时数从8000h增加到11000h。通过比较看出，新的四个阶段的研制程序实际上是在原来的试飞前规定试验和定型试验后各增加一段试验时间，分别进行按具体飞行任务加速任务试验和用批生产方式制造的发动机的试验。
　　低寿命期成本研制理念十分重视型号的研制程序，计划、规范、系统论证和发动机用法预测等管理和系统软件准备。（作者：中国航空工业发展研究中心航空技术所 方昌德）（责编 洪山）美国第四代战斗机发动机的研制理念和研制程序（之一）
http://www.aeroinfo.com.cn/news/news_item.asp?bt=%C3%C0%B9%FA%B5%DA%CB%C4%B4%FA%D5%BD%B6%B7%BB%FA%B7%A2%B6%AF%BB%FA%B5%C4%D1%D0%D6%C6%C0%ED%C4%EE%BA%CD%D1%D0%D6%C6%B3%CC%D0%F2%A3%A8%D6%AE%D2%BB%A3%A9&news_id=Z&pic_pos=&xh=46738
2005年12月15日，美国空军宣布，第一支装备F119发动机的F-22"猛禽"战斗机飞机作战部队具备初步作战能力（IOC）。至此，作为第四代喷气战斗机发动机的典型代表，F119发动机历时15年技术准备和15年型号研制正式投入使用。
　　为满足第四代战斗机的要求，如超声速巡航、隐身、超机动性、短距起落、高保障性和地寿命期成本，F119发动机采用了许多新技术，如三维黏性流叶轮机设计方法、整体叶盘结构、高温升双层壁燃烧室、先进复合冷却技术和隔热涂层、第三代单晶材料、对转涡轮、双性能粉末冶金涡轮盘、强旋流加力燃烧室、二元矢量推力喷管、具有自检和容错能力的第三代双通道双余度FADEC和陶瓷/碳碳复合材料静止件。但是，从战斗机发动机的主要设计参数和性能指标（涡轮进口温度、中间状态耗油率和推重比）综合起来看，F119的性能相对于其前身F100的发展速度大大低于F100投入使用前美国30多年军用涡喷/涡扇发动机的平均速度。其主要原因是改变了过去主要追求高性能的做法，采取性能、适用性、可靠性、耐久性和维修性并重的研制理念。由此，研制程序和方法上也作了相应的改变。
　　 1美国战斗机发动机研制理念的演变
　　随着飞机战术技术要求的变化和和发动机技术的提高，美国战斗机发动机的研制理念也发生变化。
　　 1.1 追求性能的拼部件"武库法"
　　在40年代到50年代航空涡轮发动机发展的初期，在研制理念上单纯追求性能，发动机的寿命只有几十小时。在研制程序方面，采取从应用研究直接过渡到型号研制。由于部件技术没有在真实发动机环境下试验验证，型号研制工作的风险很大，拖延进度甚至研制失败的事常有发生。幸好当时发动机型号研制的数量多，飞机/ 发动机的匹配要求也不高，研制中的飞机可以用已经成熟的发动机或稍后研制出来的发动机。这就形成了有一些研制好的发动机可供飞机选用的局面。因而也被称为 "武库法"。
　　在研制中，重点解决性能达标问题，既保证发动机达到气动热力状态以及推力和耗油率指标。
　　 1.2重视适用性的预先研制理念
　　 60年代初，受50年代后期开始的"要导弹不要飞机"政策的影响，美国航空发动机技术的研究和发展经费缩减到了最小的程度。而且，随着技术的发展，研究和发展的成本不断上升，因而，型号研制的数量急剧减少。同时，飞机对发动机的要求变得更加专门化，特别是加力涡扇发动机的出现，使飞机与发动机间和发动机各部件间的匹配问题更加突出。根据这个情况，美国国防部决定，一种新发动机的型号研制必须经国防部的批准，而且必须与经批准的飞机计划配套。因此，在研究经费减少的情况下，为减少型号研制中的技术风险，确保发动机的研制成功，美国在航空发动机技术的研究和发展过程中增加了一个预先发展阶段，即在将应用基础研究和应用研究的成果用于型号研制以前，预先放在尽可能在接近发动机的真实工作状态下进行试验和验证。这就是核心机和验证机途径。
　　发动机研制的重点放到了适用性上。适用性是发动机工作特性对油门杆和进气流场条件变化的响应，主要解决进气道－发动机－喷管匹配问题。
　　 1.3 性能、适用性、耐久性、维修性和保障性并重的低寿命期成本研制理念
　　 1974年投入使用的F100涡扇发动机是追求高性能的代表，它在使用中出现大量的适用性、可靠性、耐久性和维修性问题，严重影响了飞行安全和战备完好状态，并大大增加了改进、改装和维修费用，是军方不堪负担。为此持美国政府和军方对航空发动机的研究、发展、采购和后勤保障状况进行了多次大规模的调研，发现了大量的问题。其中最主要的是发现发动机研制理念和研制程序没有随着技术的发展调整。在调研报告中说，"发动机的决策主要是针对当前和近期的问题，由于缺乏衡量发动机品质的共同准则，又没有完整、精确的寿命期成本数据，结果决策不是根据整个系统的成本作出的，也不是最佳的。"其后，在管理体制、研制理念、研制程序和方法上采取一系列的改革措施，并确定第四代战斗机发动机（当时称为先进战术战斗机）将全面贯彻新的设计理念和研制程序。主要的改革内容如下：
　　（1）建立统一的研究、发展、采购和后勤保障体系和信息系统，对发动机进行全寿命期管理。
　　调研发现，在70年代初，美国空军的发动机管理体系是分散的。空军司令部内对发动机的管理机构隶属于各个重要飞机型号办公室，研制部门、使用部门和后勤保障部门各自强调自己的要求。信息系统也不统一，很难得出全面衡量发动机品质得有效数据和准则。为此，对发动机和整个航空武器系统得管理体制进行了三次大的调整。第一次是在70年代初，在系统司令部航空系统部下增设推进装置处，全盘负责发动机的研究、负责和采购，改变了过去对发动机的管理分属各个飞机型号办公室的做法。第二次是在80年代初，在后勤司令部内增设采购后勤部，复杂沟通个作战司令部（使用部门）、系统司令部（采办部门）和后勤司令部（后勤保障部门），在采办过程中提出后勤保障方面的要求。第三次是在1992年7月1日开始实施，将系统司令部和后勤司令部合并成装备司令部，通盘负责航空武器系统的研究、负责、采购和后勤保障，从而在体制上保证对飞和发动机实施全寿命期管理。同时在空军参谋部一级的机构下设立介于下属各机构之间的统一的信息系统，把日常信息渠道（日常报表）、指令信息渠道（向上反映的情况和向下传达的指令）和特种信息渠道（听证会、技术座谈会和专家意见证询等）会集于统一的信息储存和处理中心，为发动机全寿命期管理提供技术和经济信息。
　　（2）建立寿命期成本模型，并把它作为发动机设计权衡的主要品质因素
　　发动机作为飞机的一个重要的分系统，对其寿命期成本的研究开始得比较早。军方、兰德公司和各发动机制造商早70年代就已经建立了多种发动机寿命期成本模型，并开始用于新发动机研制时的循环参数优化。这种凭过去多年的数据把发动机各项成本与发动机重要参数（如推力、推重比、耗油率、总压比、涡轮进口温度和翻修寿命）的模型可以推算出今后研制的新发动机的成本。在80初，普·惠公司为第四代发动机作循环参数优化时，以传统的飞机起飞总重最低为目标时涡轮温度为2033K，而以寿命期成本最低为目标时为1922K。考虑空军多种战斗机的需求，发动机循环参数的选择范围见表1。
（3）制定发动机寿命期管理条例，修订型号研制程序和规范，采用新的研制方法
　　美国空军于1980年4月颁布AFR800-30《航空涡轮发动机寿命期管理条例》，协调各部门对发动机的方案探索、验证/证实、全面研制、生产和使用各阶段实施统一的管理。新条例中在工程研制阶段的要求与原来条例的要求对比如表2。
条例中还规定，在型号规范中除性能指标外还应该有适用性、耐久性、可靠性和维修性等"四性"指标。
　　其定义如下：
　　 ·适用性--喘振裕度设计指标；
　　 ·耐久性--热端和冷端部件的设计寿命；
　　 ·可靠性--定期检查间隔时间和控制系统余度指标；
　　 ·维修性--能减少发动机维修量的设计和监控。
　　预计，累计使用到50万发动机飞行小时时，第四代战斗机发动机的可靠性、耐久性和后勤保障性将比F100-220有大幅度的提高，见表3。
为全面实现"四性"指标，还采取了综合产品开发和保障性设计等一系列新的研制方法。
　　同时，空军和海军开始探索新的研制程序。1985年空军颁布的MIL-E-87231是具有代表性的，并且把1984年颁布的《发动机结构完整性大纲》 MIL-STD-1783作为通用规范的一部分。在新的通用规范中，将原来MIL-E-5007D的全面研制程序中试飞前规定试验和定型试验两个段改为初始飞行批准、全面飞行批准、初始使用批准和作战能力批准四个阶段。
　　 ·初始飞行审批 一系列试验的总合，验证发动机是否适合于有限的飞行试验。具体来说，是验证保证试飞安全所需的气动、热力、气动弹性和结构特性。相当于原来的试飞前规定试验。
　　 ·全面飞行审批 一系列试验的总合，验证发动机是否适合于在整个飞行包线内进行飞行试验。在那时，为保证经济地生产、外场使用和维修所需的气动和热力性能以及重要部件的低周疲劳寿命都已经得到验证。
　　 ·初始使用审批一系列试验的总合，验证发动机是否适合于小批生产。在小批生产前，发动机的组件或单元体的翻修寿命和最长工作时间以及零件的寿命都已得到验证，保证发动机以最大状态（最大工作温度、最大引气量和最大功率提取）工作时耐久性不会过多的降低，并满足型号规范规定的所有要求。相当于原来的定型试验。
　　 ·工作能力审批 一系列试验的总合，验证发动机是否适合于达批量生产。到那时，试验用发动机是用批生产工装制造的，保证批生产发动机投入使用后的可靠性和耐久性问题减到最少，达到高的生产率，同时满足型号规范所有的性能和功能。
　　周期从4~5年延长到8~9年，总试验时数从8000h增加到11000h。通过比较看出，新的四个阶段的研制程序实际上是在原来的试飞前规定试验和定型试验后各增加一段试验时间，分别进行按具体飞行任务加速任务试验和用批生产方式制造的发动机的试验。
　　低寿命期成本研制理念十分重视型号的研制程序，计划、规范、系统论证和发动机用法预测等管理和系统软件准备。（作者：中国航空工业发展研究中心航空技术所 方昌德）（责编 洪山）