基于任务的航空发动机使用试飞与评估方法

2019-01-11申世才

燃气涡轮试验与研究 2018年6期

申世才，姜健，高扬

(中国飞行试验研究院发动机所，西安710089)

1 引言

美军在20世纪20年代中期提出使用试验的概念，70年代将其改为作战试验，并最终形成较为完备的作战试验与鉴定体系。其作战试验的目的是在真实或接近真实作战环境下，评估武器装备的作战效能和适用性[1-7]。美国经过F-15、F-16、F-22等飞机型号试飞，已经形成了成熟的作战试验与鉴定试飞模式。俄罗斯也成立了作战试验部队，其SU-34、SU-57飞机也都开展了作战使用试验。

航空发动机的飞行试验作为其研制链条上的关键一环，试验理念的转变、技术水平的提升，势必会极大地促进航空发动机的发展与进步。目前，我国航空发动机的飞行试验内容主要依据GJB 243A-2004[8]制定，以验证和考核研制总要求、型号规范规定的技术指标为主，与作战使用存在一定差异，未能充分验证和考核贴近实战环境下的发动机使用能力，导致在部队试验和使用阶段暴露出诸多问题。因此，飞行试验如何贴近作战使用是目前迫切需要解决的问题。国内研究机构开展了大量关于飞行试验贴近作战使用的研究，但主要集中在航电武器系统及飞机平台[9-13]，有关航空发动机作战使用概念的试验与评估在可查文献中很少涉及。

本文针对航空发动机飞行试验不够贴近作战使用的问题，在验证技术指标符合性为主的飞行试验基础上，提出了基于任务的航空发动机使用试飞与评估方法及关键技术，旨在探索面向作战使用的航空发动机飞行试验方法。

2 存在问题及解决途径

2.1 存在问题

目前，我国航空发动机飞行试验不够贴近作战使用的问题，主要体现在以下几个方面：

(1) 自然环境维度——试验环境相对“温和”。地面试验多在常规环境条件下进行，高温、高寒、雨雪、结冰等复杂环境下的考核较少；不能有效评估发动机在可预期的各种使用环境下是否具有良好的运行能力。

(2) 飞机维度——针对部队训练和使用特点的内容相对较少。如部队训练和使用多进行机动、特技飞行，飞行过载、姿态及气动角等频繁变化；而试验中机动、特技飞行较少，仅在发动机工作稳定性、进发匹配等科目试飞中有少量安排。

(3) 时间维度——发动机累计工作时间或循环数未达到极限状态。发动机的工作特性、性能特性的衰减及结构的完整性等难以进行有效评估，其试验结果扩展至发动机全寿命期存在一定问题。

(4) 发动机维度——发动机操纵程序化，往往忽视或忽略发动机的实际使用特点。如发动机空中起动试验，发动机多是在中低空慢车和节流状态下停车进行再起动能力考核，而高空发动机大状态停车后飘降至起动包线内进行再起动能力的考核较少，发动机空中起动能力未得到充分检验。

(5) 试验评估——以单一系统的单一技术指标考核为主，整机及飞发综合评估不足。发动机、航电/武器系统、飞机作为一个整体，各组成部分之间相互影响、密切关联，单一系统的考核模式往往忽视或忽略系统之间的耦合问题。

综合以上分析，航空发动机的飞行试验在试验环境、试验方法、试验内容及试验评估等方面与作战使用存在一定的差异。

2.2 解决途径

试验的本质是在可控条件下操纵事物，通过黑箱或白箱辨识，建立输入与响应之间的因果逻辑关系或规律，对之进行正确的评估[14]。对于航空发动机，无论是单机、双机、多机作战，还是装备体系间的对抗，发动机的使用都是自然环境维度(大气温度、大气压力、电磁环境等)、飞机维度(过载、迎角、侧滑角等机动因子，引气、功率提取等)、时间维度(使用时间、循环数)和发动机维度(发动机的操纵)的组合叠加使用，这是发动机固有的使用特点。因此，航空发动机的飞行试验，就是在自然环境维度、飞机维度、时间维度操纵发动机并对其进行正确的评估。

遵循试验的本质和发动机的使用特点，以满足作战使用需求为导向，从紧贴实战角度出发，提出两种途径解决当前飞行试验存在的问题：

(1)自下而上地深化飞行试验。向复杂的试验条件深化，充分检验技术指标及边界条件，如复杂的气象条件、复杂的电磁条件等，检验加力使用能力边界等，获得技术指标的可能范围，为拓展发动机使用能力和获得发动机缺陷奠定基础。

(2)自上而下地拓展飞行试验。将不同维度试验条件组合构成的试验点，按照一定的规则或规律进行排列组合，以任务剖面为绳有机串联，将飞行试验从单一系统的单一技术指标考核，拓展至以任务模式验证整体性能或使用能力，不仅可对整体性能进行有效验证和考核，为底层技术指标的取舍折中提供一种优化方向，而且还最大程度地为飞机作战效能的提升提供帮助。

下文主要研究如何采用自上而下的方法拓展航空发动机的飞行试验，以探索解决发动机飞行试验面临的问题。

3 基于任务的航空发动机使用试飞与评估方法

3.1 概念阐述

美国空军试验与鉴定指南定义基于能力的试验是一种基于任务的验证方法，即验证一种能力解决方案能以可接受的风险等级投入使用。除了根据类似规范的要求测量系统性能的传统鉴定之外，在整个系统试验中重点进行基于能力的鉴定。

借鉴美军对基于能力的试验定义，本文将基于任务的航空发动机使用试飞，定义为一种基于任务剖面的组合叠加自然环境维度、飞机维度、时间维度和发动机维度等多维度试验输入条件，操纵发动机验证和考核其完成任务的能力。基于任务的航空发动机使用试飞，不仅验证发动机技术指标的符合性，同时评估发动机的使用能力。

基于任务的航空发动机使用试飞与评估的目的主要包括：

(1)评估发动机的技术指标。突出多维度复杂试验条件下技术指标的考核，充分检验技术指标和边界条件，摸清发动机的性能底数。

(2)验证和考核发动机完成任务的能力。基于装机对象的典型作战任务，验证和评估发动机完成任务的能力，并为进一步使用提供一种拓展方向。

(3)为发动机的优化设计提供方向。以发动机使用能力为顶层要求，为底层技术指标的取舍折中提供一种优化方向，最大程度地为发动机综合使用能力和飞机作战效能的提升提供帮助。

(4)为部队试验和使用提供技术支持。以飞行试验获得的使用经验和数据、发动机模型等信息，为部队试验和使用提供技术支持，为促进战斗力的生成提供帮助。

3.2 试验与评估方法

基于发动机装机对象的典型作战任务，如进攻性制空作战、肃清空域、空中护航、空中截击等，明确在发动机不同使用时间和故障等级条件(该条件影响发动机能力[15])下发动机完成任务所应具备的能力，并进一步对其进行分解，建立使用能力和技术指标之间的关联模型(图1)，建立“任务—能力—技术指标”之间的关系，即明确试验考核要求，根据试验考核要求开展飞行试验设计。

(1) 试验矩阵构建方法

①提取任务剖面内发动机在自然环境维度、飞机维度和时间维度的因素，建立多维度因素组合叠加的试验环境，构建试验输入。

②提取任务剖面内的发动机操纵动作，结合试验环境，构建基于典型任务的发动机试验矩阵，即试验矩阵由四个维度的要素组成。

以地形跟踪飞行任务为例：在地形跟踪飞行任务剖面，飞机以低高度、高亚声速飞行，需要飞机的轨迹尽量与地面相匹配。飞行任务剖面轨迹包括频繁的俯冲和拉起，需要发动机对油门杆操纵立即做出响应以提供所需推力——这不仅对发动机的加速和减速能力提出了苛刻要求，而且由于飞行过载及姿态的频繁变化，还对发动机的燃油及滑油供给系统提出了苛刻要求。因此，针对地形跟踪飞行任务，提取任务环境模型和发动机操纵特征，建立试验矩阵。

(2)试验实施方法

①将提取的任务剖面内发动机操纵动作，在任务剖面的不同维度分别进行验证。该阶段结合技术指标符合性验证飞行试验，目的是充分检验技术指标和边界条件，为发动机的使用创造宽松环境。

②依据试验矩阵，开展典型任务的发动机使用试飞，以获得试验数据进行使用能力和技术指标关联模型的迭代修正，使得结果更接近作战使用条件下的结果。

(3)试验评估方法

①依据使用能力和技术指标之间的关联模型，从发动机使用能力角度评估底层技术指标。一是对技术指标的重要程度进行划分，二是在技术指标符合性的基础上评估其合理性。

②依据使用能力和技术指标之间的关联模型，对发动机使用能力进行评估。如采取对比方式可评估发动机使用能力的降低或提升。

4 关键技术

4.1 使用能力与技术指标关联模型构建技术

使用能力与技术指标之间的关联模型，是开展试验和进行能力评估的基础。依据关联模型中使用能力对技术指标的敏感性，即技术指标的权重，可对技术指标进行等级划分，如否决类指标、重要指标和一般指标等。依据使用能力评估结果(图2)，针对需要改进、提升的，将重点优化否决类指标和重要指标，对一般性指标可降低设计要求，以此从整体角度优化提高发动机的使用能力。使用能力与技术指标关联模型的建模，关键在于如何获取技术指标的权重。可采取专家经验法等方法获取，并通过飞行试验进行迭代修正，这为解决如何评估发动机的使用能力提供了一种可选方案。

4.2 试验环境构建技术

试验与作战紧密衔接，必须在试验中引入任务背景，使得试验尽可能接近真实的作战使用。这是试验的前提，决定试验结果的有效性。对于飞行试验，试验环境应为可测量、可量化、可重复的使用环境，否则将失去试验的意义。

将典型任务剖面在自然环境维度、飞机维度、时间维度、发动机维度进行分解，提取与发动机操纵相关和影响发动机使用能力的各维度因素，构建组成试验环境。因此，试验环境是按照任务剖面匹配发动机操纵的一系列条件组成，使得各维度的条件有机组合，为解决如何有效组合叠加自然环境维度、飞机维度、时间维度、发动机维度的诸多因素以使飞行试验贴近作战使用提供了一种可选方案。

4.3 基于衰减的综合使用能力修正技术

随着使用时间的增长，发动机推力会下降，耗油率会增加，其工作特性也会发生变化，将会导致其能力随之发生变化。在发动机不同使用时间，通过对不同衰减程度的发动机完成任务能力的定量评价，建立衰减-能力曲线，如图3所示。通过衰减-能力曲线，给出衰减临界点所对应的发动机工作小时/循环数，为部队使用与维护提供指导。同时，借助衰减-能力曲线，提前预测发动机对任务执行的影响，并有效规避给任务执行带来的风险。

4.4 基于故障的综合使用能力修正技术

实际作战使用中，发动机存在带故障飞行和作战的可能，尤其是在紧急情况下即使存在未排除故障仍必须起飞作战。目前，发动机故障等异常方面的飞行试验，主要侧重故障的检查、诊断及控制律重构等逻辑和功能试飞，尚未开展故障状态下的发动机使用能力试飞。

毋庸置疑，故障将影响发动机的使用能力，因此有必要开展故障状态下发动机使用能力的评估。按照发动机故障的严重程度划分等级，分级评定故障对发动机使用能力的影响。评估故障状态下发动机的使用能力，如一等故障必须退出战斗序列，二等故障可以执行特定任务，三等故障可以执行大部分任务，并据此建立故障-能力曲线，如图4所示。通过故障-能力曲线，为部队使用与维护提供指导，提前预测发动机故障对任务执行的影响，提高出勤率，并规避任务执行风险。