美国航空发动机通用规范演变分析

张 华 叶 巍 李红军

（1.中航工业综合技术研究所，北京 100028； 2.中国燃气涡轮研究院，四川 成都 610500；3.空军装备部，北京 100081）

美国航空发动机通用规范演变分析

张 华1叶 巍2李红军3

（1.中航工业综合技术研究所，北京 100028； 2.中国燃气涡轮研究院，四川 成都 610500；3.空军装备部，北京 100081）

对JSGS-87231A、JSSG-2007、JSSG-2007A、JSSG-2007B各版本的美国航空发动机通用规范的演变情况进行了概要分析。

航空发动机；通用规范；分析

航空发动机通用规范是发动机设计、加工制造、试验、使用等诸多方面研制工作经验教训的结晶，体现了各项基本技术要求，使设计、加工制造、试验、使用等工作有章可循。根据各具体型号的特点，对通用规范剪裁形成具体的航空发动机型号规范。它是型号发动机研制工作的指导性文件，是发动机研制技术工作的依据，也是使用方验收发动机的重要依据。

1 版本演变

20 世纪50年代，美国编制了MIL-E-5007A《航空发动机通用规范》，70年代，相继颁布了MILE-5007D《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》和MIL-E-8593A《航空涡桨、涡轴发动机通用规范》。80年代，美国空军发布了MIL-E-87231《航空涡喷涡扇发动机通用规范》。1995年1月发布JSGS-87231A《航空涡喷涡扇涡轴涡桨发动机联合使用指导规范》代替MIL-E-87231，将范围扩充成适用于航空涡喷、涡扇、涡桨和涡轴发动机，且进一步丰富了使用指南，并批准供国防部各部门和各机构使用。1998年又发布JSSG-2007《航空涡喷涡扇涡轴涡桨发动机联合使用规范指南》，它也未提及替代哪一规范，但明显是作为JSGS-87231A的修订版，两者内容基本一致，仅标准格式略作调整，在指导意见和经验教训上有所增删。比较重要的一点是：不仅在名称上更突出了指南的性质，将“联合使用指导规范”（JSGS）改成了“联合使用规范指南”（JSSG），且明确不作为规定。

美国于2004年和2008年分别颁布了JSSG-2007A和JSSG-2007B。从行文上看，两者变化不大，相对于JSSG-2007而言，主体框架没有实质性的改变，但特别增加了发动机的经验教训上的案例说明。可以看出，在发动机研制过程中，标准的更新也是必须贯穿到发动机的研制过程中。

从上述演变可以看出：

随着科学的进步和技术的发展，标准的不断修订与完善是必然的。美国航空发动机通用规范从1973年到2008年就出现了10种版本，可见他们对标准的不断修订与完善是一项日常性的工作。

美国航空发动机通用规范曾经历了供国防部所属各部门、各机构使用，空、海军各自使用，再到国防部所属各部门、各机构使用的循环。从标准化的角度出发，应能争取做到各部门、各机构通用，但当不同部门和机构有特定要求时，在通用标准的基础上制订各自使用的标准也是必然的。而当出现这种情况后，还应尽可能再把它们统一起来。

从MIL-E-87231到JSGS-87231A，其标准号没有变；而从JSGS-87231A到JSSG-2007B，则是从标准的体系上有了变化，即：美国现在已把武器系统的标准统一在JSSG的体系下。这可从JSSG-2007B原文前言：“……它是一套规范指南中的一册。这是该指南的最初版本。在某种意义上说来，将该文件继续改进将作为一个待完成的发展大纲 ”，及附录A的A.1.2节中：“整套联合使用规范指南（JSGS）确立了一个通用框架，以便政府工业部门的大纲小组在航空界制定航空系统、飞行器和主要子系统大纲特定要求的文件使用”得到证明。

本文主要通过对JSGS-87231A、JSSG-2007、JSSG-2007A和JSSG-2007B的格式、性质、主要内容等开展分析研究，进一步了解国外先进航空发动机顶层规范的演变情况。

2 格式与范围演变

2.1 格式

编排格式上从MIL-E-5007系列到JSGS-87231A有较大的变化，而再到JSSG-2007、JSSG-2007A和JSSG-2007B则基本相同。编排格式的变化主要是使归类更加合理。

把结构完整性的内容都归纳在一起；

把所有系统都归纳在一起，把MIL-E-5007系列中的13个系统有所增删，归成了16个子系统和部件；

把“易感性”的噪音、红外、紫外等环境影响，和“易损性”归成战斗生存力；

JSSG-2007至2007B在章节标题上基本上没有变化，只是针对个别条款的要求。

2.2 范围

JSGS-87231A规定了有人飞机燃气涡轮发动机的项目定义、性能、工作特性、可靠性、维护性、子系统、物理特性、总体设计、安装和界面要求，也规定了为满意完成和验收由使用部门所要求的合格鉴定重要研制阶段——初始飞行许可、全面飞行许可、初始使用许可和工作能力许可的分析、检查、演示和试验程序。

JSSG-2007的应用范围给出了为具体应用而对JSSG-2007的第3和4章进行剪裁所必需的基本理由、指导、背景、经验教训和说明。

JSSG-2007A在2007的基础上补充了以下的描述：“此应用同样适用于固定或转动机翼、宽体、有人驾驶或无人驾驶的航空器。”

JSSG-2007B在2007A的基础上进一步明确，发动机要求在本手册中，其他推进与动力相关系统，如燃料、电气设备、起动机、辅助动力装置、机械系统、传动系统以及螺旋桨（推进器）在JSSG-2009中，推进系统综合要求在JSSG-2001中。

2.3 性质

标准的性质，通常按其须遵循的严格程度可分成：规范、标准、手册（指南）、出版物。MIL-E-5007系列皆为通用规范，并不针对具体某一型号的发动机。发展至MIL-E-87231，在内容上增加成“规范+手册”， JSGS-87231A版本则演变成“指导规范”形式（JSGS），JSSG-2007系列进而改成“规范指南”（JSSG），即从规范性质变成了手册性质。

3 内容演变

3.1 主要内容

总体上看，JSSG-2007系列与JSGS-87231A相比，调整了指导和经验教训的内容，指导性更强（MIL-E-5007系列只有正文）。JSSG-2007B相比2007和2007A，正文主要条款几乎无变化，主要变化体现在附录中的指导、背景和经验教训的细化和丰富。

3.2 性能和整机试验

3.2.1 总体性能

传统表示发动机总体性能的方法，大多采用“平均值”（或“名义值”）加公差带。从MILE-5007D开始，对总体性能的表示采用最低性能概念，即推力最小，耗油率最高。从JSGS-87231A开始至JSSG-2007B又引入了恶化性能概念，即发动机经过使用后，性能恶化不能低于某个要求。JSSG-2007B指出，恶化性能取决于环境条件和发动机状态使用。对涡喷、涡扇发动机平均恶化3%～5%，有时达7%～10%；对涡轴、涡桨发动机平均恶化10%～15%，有时达20%。

影响总体性能的飞机/发动机界面性能需重视，在JSSG-2007B中指出：进气压力变化率取决于飞机的俯冲和拉起，进气温度变化率取决于飞机武器排气的温升和温升率。此外，针对进气畸变这一要求，还提出了“发动机可恢复性”要求，事实上，这一要求是针对防喘系统而言。

JSSG-2007B对发动机应能适应的环境条件提出了全面的要求，包括：大气环境条件（温度、湿度、冷凝度、霉菌、腐蚀性气体、结冰等）、吞咽外物的环境条件（吞鸟、吞冰、吞砂石和灰尘、吞大气中液态水、吞武器排气、吞水蒸汽）和电磁环境条件（电磁干扰、系统内电磁相容性、系统间电磁相容性），并增加了核辐射、紫外辐射和生物、化学影响等核环境和非核环境下生存能力的试验。

JSSG-2007B用相当多的篇幅论述（气动）稳定性问题。指出：一个工作稳定、无失速/喘振且能满足飞机工作要求的发动机是最重要的。失速或喘振可能导致飞机和工作人员的损伤。大量研究和使用经验表明，与（气动）稳定性有关的因素主要有发动机进口气流扰动、发动机内部扰动、批生产发动机制造的公差带的分布、批生产发动机总体气动参数的分散度以及长期工作后的零件磨损、间隙扩大、叶片型面变形等。针对这么多复杂的因素，必须通过各种方法完成稳定性检查和试验。地面工作状态和空中工作状态均要检查，包括发动机工作的边界状态。

3.2.2 整机试验

按发动机型号研制阶段的划分进行整机试验，各版本不仅阶段划分有所变化，而且每一阶段整机试验的项目、内容也有不同。例如，MIL-E-5007D整机试验项目为22项，1983年MIL-E-5007E增至23项，1988年MIL-E-5007F增至25项，JSGS-87231A增至29项，JSSG-2007、2007A到目前的2007B基本没有变化。

按发动机型号研制的特点，有针对性地选择整机试验。虽然随着发动机设计试验技术不断进步，JSSG-2007B中列出了29个项目，但并不表示每个型号发动机都要做这么多项目的整机试验。型号研制工作实践表明，对某一型号发动机必须要按该型号研制的特点，有针对性地选择某几项整机试验。JSSG-2007B所列出的每个试验项目的说明、指导、背景、经验教训为发动机设计师（承包商）提供了广阔的选择余地，可有针对性地选择整机试验项目。

JSSG-2007B对每项整机试验所提的要求重点突出，考核目的明确。但在规范的说明、指导、背景、经验教训等条文中，反复强调整机试验应循序渐进，不能操之过急。例如进气畸变试验，在5套畸变装置的试验中，可以先做3套，然后根据情况再继续往下做。又如，进行发动机空中起动试验时，应先做“纯”发动机的包线（即不包括用户引气和功率提取），然后再按实际情况接着做。再如在耐久性试验中，一般不带进气畸变装置，然后在取得一定结果后，再考虑是否带上真实的畸变装置等。

3.3 结构完整性

MIL-E-5007系列中有关结构完整性方面的内容相对来说过于分散。从MIL-E-87231开始，在3.4和4.4“可靠性和维修性”的3.4.1.2和4.4.1.2的“耐久性要求”中分别规定了“发动机设计要满足MILSTD-1783的耐久性要求”和“MIL-STD-1783的要求要由试验和分析来验证”。MIL-STD-1783是1984年颁布的专门关于发动机结构完整性的军用标准。虽然MIL-E-87231只在“耐久性要求”中引用MIL-STD-1783，并没有其它有关结构完整性方面的规定，但可以认为MIL-E-87231实际要引用的是MIL-STD-1783的全部。

JSSG-2007B的3.4和4.4“完整性”的章节安排与JSGS-87231A的基本相同，只是取消了JSGS-87231A中有关“热件”、“冷件”、“消耗件”、“轴承”、“附件”、“内部环境”、“压力容器/机匣”、“复合材料”、“转子叶片、轮盘和静止结构的振动”、“灾难性破坏”、“持续加速”、“冲击”的条款，将有关的重要内容并入了其它有关章节。增加了“软件完整性”的条款。另外将“压力平衡”改名为“轴承载荷”，将“初始裂纹尺寸”和“使用中检查裂纹尺寸”合并成“产品的初始裂纹尺寸和使用中裂纹尺寸”，将“检查间隔”和“裂纹扩展”合并成“裂纹扩展和检查间隔”。

3.4 控制系统

控制系统的变化较大，主要是由于近20年来发动机广泛使用具有很强的快速计算和信息处理能力、控制功能和控制性能大为提高、能更充分发挥发动机的潜力、提高控制的自动化程度和减轻飞行员的负担的全权限数字式电子控制系统（简称FADEC）后引起的。

美国自1984年首台FADEC系统上天投入使用后，在FADEC研制和应用方面积累了丰富经验并日臻成熟。从1995年美国颁布的JSGS-87231A开始规定有关使用FADEC后的设计要求，直至1998年10月颁布的JSSG-2007、2004年发布的JSSG-2007A和2008年发布的JSSG-2007B则更为充分地反映了使用FADEC后的实践经验，并扩展了设计要求，如增加了在现代数字电子控制器上的调整都是通过重新编程来实现的技术内容。JSSG-2007B则更在JSSG-2007A的基础上，增加了控制和子系统部件设计人员需认识到发动机级的热管理问题，以及它们怎样与飞行器一体化。

3.5 润滑系统

与JSGS-87231A相比，JSSG-2007系列主要变化有：

调整了指导和经验教训的内容，指导性更强；

取消了对滑油冷却器的规定；

增加了润滑系统通风排气的规定。

3.6 推力与动力系统健康监视系统（PPHMS）

从JSGS-87231A开始，将MIL-E-5007系列中的“测试系统”改为“发动机监视系统（EMS）”，对EMS故障检测/隔离、机载发动机诊断功能提出了要求。JSSG-2007中系统名称仍为“发动机监视系统（EMS）”，但增加了机内测试和可检查性要求。JSSG-2007A中将系统扩展为“发动机健康监视系统（EHMS）”，提出先进的EHMS可以包括预诊能力。JSSG-2007B进一步将该系统发展为“推进与动力系统健康监视系统（PPHMS）”，即除发动机外，监视范围还包括发电机、液压泵等其它飞行关键系统。JSSG-2007B还提出了在无人机（UAV）动力装置应用时，推进与动力系统健康监视系统应向无人机任务控制系统和/或任务控制中心提供推进与动力系统的实时健康评估的要求。

3.7 鉴定阶段划分的变化

各规范对新研制的发动机，除了研制初期的技术鉴定试验和最终研制合格后的验收试验（AT）外，划分的阶段变化如下。

JSGS-87231A——初始飞行许可（IFR）、全面飞行许可（FFR）、初始使用许可（ISR）、工作能力许可（OCR）4个阶段。

JSSG-2007/2007A/2007B——将这4个阶段又细分为研制的两个时期：工程和制造研制时期与生产、外场使用及工作支持时期。前一时期以初始飞行许可（IFR）为终极目标，在初始飞行许可（IFR）前，需经过：系统要求审查（SRR）、初步设计审查（PDR）、关键设计审查（CDR）3个步骤。后一时期以全面飞行许可（FFR）为起点，逐步经历初始使用许可（ISR）、工作能力许可（OCR）阶段，以实现全面装备、铺开使用。

4 结论

本文主要通过对JSGS-87231A、JSSG-2007、JSSG-2007A和JSSG-2007B的版本演变情况，从各版本的格式、性质、主要内容等方面进行了概要分析研究，从而对我国航空发动机装备的研制生产、采购管理等提供借鉴和参考。主要分析结论如下。

随着科学进步和技术发展，发动机通用规范也在不断修订与完善，相应体现出对新一代装备的技术要求和显著特点。如JSGS-87231A主要是针对美国第四代战斗机发动机提出，至JSSG-2007A则充分体现了美国国防部越来越关注的无人驾驶航空器（UVA）武器系统的发展，明确指出可裁剪作为无人机发动机的要求（例如高价值的无人战斗机（UCAV）发动机等）。在JSSG-2007A 表XLIX 中详细规定了无人机发动机与有人驾驶飞机发动机标准的异同点。

通用规范发展至JSGS-87231A，以及后续JSSG-2007系列，在格式上发生了较大变化，采用前一部分是正文，后一部分是指南的形式，列出编制原因、背景和经验教训，即从规范性质变成了手册性质，并不断将积累的大量事故作为经验教训补充进来。规范的技术指标要求则发展为填空规范，将规定的指标以空格形式在规范中表示，其具体指标，按具体型号发动机或与使用方商定给出，这种变化更趋于合理性和可操作性。填空规范的指标数值可通过标准附录中给出的指导性建议，并由此而发展到手册或指南性标准，即空格规范通过指南或手册加以完善。

JSSG-2007系列作为目前国外最先进的发动机顶层规范指南，所提要求的演变反映了发动机整机、部件及各系统技术水平的发展变化。这些要求主要包括总体性能要求、整机试验要求，以及体现新一代航空发动机显著特征的矢量推力、健康管理、数子电子控制系统等方面的要求。

从JSSG-2007A/2007B开始，提出了关于商业无需定制产品（COTS）的应用。如某些民机发动机核心机可以作为军机发动机核心机，然而军机、民机发动机由于性能及结构方面存在一定差异，差异迫使使用方使用有效信息以达到军用要求。在JSSG-2007A/2007B中，表L则列出了COTS的应用情况，即在军用发动机检验中有近一半标准可以用美国联邦航空条例（FAR）中的相关标准检验，另一半由于军用发动机与民用发动机的技术状况不同，而必须采用相应军用标准条文检验[1]。这也充分反映出美国已在进行军民用航空发动机的统筹研制。

[1] 于宏军. 航空涡喷涡扇涡轴涡桨发动机通用规范指南分析[J]. 航空标准化与质量，2006（3）.

（编辑：雨晴）

T–65

C

1003–6660（2015）04–0053–04

10.13237/j.cnki.asq.2015.04.015

[收修订稿日期] 2015-05-13