航空发动机多状态寿命控制策略及仿真研究

崔利杰，李皓祥，李薛，童奇

（1.空军工程大学装备管理与无人机工程学院，西安 710051）（2.中国人民解放军93671部队，南阳 474300）

0 引言

寿命消耗情况是衡量发动机状态的重要因素，对发动机寿命的控制是航空装备维修质量控制工作的重要内容之一。由于飞机使用要求不同，航空发动机寿命消耗不限于常规寿命，更多地需要将常规寿命与状态寿命协调、匹配使用。但当前由于各种原因，航空发动机寿命控制工作表现为：重视飞机寿命梯次控制，轻视发动机寿命梯次控制；重视发动机常规寿命，轻视发动机典型状态寿命；重视发动机使用需求匹配，轻视发动机的寿命参数匹配；重视定性分析，轻视量化验证。这样的发动机寿命控制策略很难适应新时代航空发动机的使用需要，亟需提出基于状态寿命消耗的发动机寿命控制策略。仿真方法是军事领域较为可行且有效的一种验证手段，其成本低、效率高、调整方便，能够验证发动机寿命控制策略的合理性和可行性，因此目前在装备维修管理领域，仍较多地采用仿真手段进行方法验证。

当前，国内外在经过多年探索后，提出了不同的发动机寿命控制策略。例如，曹明等基于民用航空发动机健康管理的需求及发展目标，分析民用航空发动机健康管理与寿命管理的现状及发展趋势，指出了未来需要重点关注的研发方向；陈跃良等从对军用飞机结构日历寿命相关问题的思考出发，提出了多种发动机寿命控制策略；Fu X等研发了航空发动机维修策略优化支持系统；J.Crocker等基于软约束和硬约束提出了一种以可靠性为中心的军用航空发动机寿命控制与维修策略优化方法；M.P.Kleeman等考虑到航空发动机部件之间的互换策略，提出了基于多目标维修优化的航空发动机寿命模型；此外，陈少龙等、李琨等、甘晓华等也分别对航空发动机的计算管理、梯次控制等寿命控制问题进行了研究。上述研究所提策略能够在相应条件下对发动机寿命控制发挥一定作用，但仍不能解决我军发动机寿命状态多、与飞行科目数据关联少、可行性验证难等问题。

提出策略是发动机多状态寿命控制的第一步，开展可行性和合理性验证对于日常训练和作战使用保障同样十分重要。对于航空装备的研制、使用与运维策略等管理流程性的验证，仿真技术无疑是经济有效的技术手段。在目前成熟的军事领域，仿真技术得到了广泛应用。例如，赵永等利用ExtendSim、Netlogo、Simio 3D等软件开展了装备管理的流程仿真；丛继平等利用Net-Logo软件对航空装备保障体系进行了仿真；杜茵开展了智能化生产车间建模与Simio仿真；吴鼎新等将Simio仿真系统用于集装箱运输教学中；黄庚保提出了生产系统建模与Simio仿真；特别是，A.Bousdekis等总结了一系列目标导向的维修保障仿真来辅助决策的方法，为航空发动机仿真提供了重要借鉴。然而，目前的研究对于当前实战化战训任务下不同飞行科目高度并发、多种发动机状态耦合同存、单一寿命控制策略难以适应的发动机寿命控制策略的验证问题鲜有涉及，也缺少成熟有效的验证模型。

本文重点围绕飞行科目、发动机使用状态、寿命控制策略的关联关系，构建多状态控制模型，运用多目标决策方法提出发动机多状态寿命控制策略，并使用Simio 3D仿真软件进行策略仿真验证。

1 发动机多状态寿命特征与使用分析

1.1 多状态寿命特征及状态分析

航空发动机在实际工作中由于飞机面临的不同飞行阶段、飞行任务和飞行环境，对发动机的功率（推力）会有不同的要求，使得飞机存在多种飞行状态、发动机也存在多种工作状态，对于不同工作状态，提出了不同的发动机寿命限制要求。因此仅考虑常规寿命的消耗不能准确反映发动机寿命消耗的实质。只有结合发动机处于大负荷状态的寿命消耗——状态寿命消耗的现实情况进行具体分析，才能对现阶段发动机寿命消耗情况有一个清楚的认知。

以某型发动机为例，通过数据收集，对比分析一年内某单位该型发动机多状态寿命消耗情况，如图1所示，可以看出：发动机八种状态寿命的消耗量具有明显差异。为突出典型性，选择Z状态和Z状态作为本文研究的显著状态。

图1 发动机多状态寿命消耗Fig.1 Engine multi-state life consumption

1.2 飞行科目与状态寿命关系分析

排除无法估计的飞行员根据实际情况的操作外，飞行科目是发动机状态寿命消耗的关键致因。由于在当前实战化训练背景下，发动机使用中需要频繁进入加力和最大加力状态的训练科目增多，例如大速度、大过载、突防突击、实弹打靶等科目，产生的直接影响就是发动机的状态寿命消耗呈现快、多、杂的趋势。通过分析某型发动机在一段时期内的空中使用数据，得到执行不同训练科目时发动机状态寿命（Z状态和Z状态）的消耗情况如图2所示，横坐标轴K～K代表当前该单位日常进行的飞行科目（数据值为修正值）。

图2 飞行科目下Z1状态和Z2状态寿命消耗关系Fig.2 Life consumption relationship between Z1 state and Z2 state under flight subject

从图2可以看出：飞机执行不同飞行科目，会对发动机状态寿命消耗造成直接影响。

对于发动机寿命而言，飞行科目中的每个元素，在发动机状态寿命指标的集合中总是存在一个唯一的元素——状态寿命指标与其对应，即在飞行科目和发动机状态寿命指标之间存在映射关系，记 作f：K→Z，K=｛K、K……K｝，Z=｛Z、Z｝。映射关系如图3所示。

图3 飞行科目与Z1状态寿命和Z2状态寿命映射Fig.3 Mapping of flight subject to Z1 status life and Z2 status life

2 发动机多状态寿命控制策略制定

2.1 变量定义

根据上述关系，提出发动机多状态寿命控制策略所需变量（各变量的单位均为小时）如下。

以某具体单位为例，假定其在位飞机数为30架（飞机均为新机），每架飞机发动机常规寿命为800 h，Z状态寿命为40 h，Z状态寿命为100 h。该部队年飞行小时数为5 000 h。单位飞行任务时间与状态寿命消耗量如表1所示。

表1 飞行任务寿命消耗和任务占比Table 1 Mission life consumption and mission proportion

根据以上数据，计算提出策略一、策略二、策略三。

2.2 策略一——仅考虑常规寿命

策略一为传统策略，指仅考虑发动机按照常规寿命进行排序，形成发动机使用顺序进行寿命控制。

2.3 策略二——考虑一种状态寿命

使用变量：R，C或T

通过数学计算得出常规寿命x和状态寿命x的权重。得到策略公式：

或

策略二表示为发动机常规寿命消耗量与发动机常规寿命的比值，比上发动机状态寿命消耗量与发动机状态寿命的比值，所得到的最终比值来进行发动机选择。即最终比值尽可能地接近发动机常规寿命的权重比上发动机状态寿命的权重0.304 1/0.695 9或0.409 8/0.509 2。

2.4 策略三——考虑多种状态寿命

通过数学计算得出常规寿命x、Z状态寿命x和Z状态寿命x的权重。得到策略公式：

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

策略三表示为发动机常规寿命消耗量与发动机常规寿命的比值，比上发动机Z状态寿命消耗量与发动机Z状态寿命的比值，所得到的最终比值1和发动机常规寿命消耗量与发动机常规寿命的比值，比上发动机Z状态寿命消耗量与发动机Z状态寿命的比值，所得到的最终比值2，综合考虑来进行发动机选择。即最终比值1尽可能地接近发动机常规寿命的权重比上发动机Z状态寿命的权重0.231 2/0.528 9；最终比值2尽可能地接近发动机常规寿命的权重比上发动机Z状态寿命的权重0.231 2/0.239 9。

3 发动机控制策略仿真验证

Simio 3D是基于SimioLLC在美国开发的“智能对象”技术的新一代三维仿真软件，它可以构建自动化的动态模型系统，使人们能够直观看到整个系统的运行过程，也可以在三维动画中呈现环境系统，使动画制作时模型更加生动和直观。为验证所提策略的可行性和合理性，本文应用Simio 3D软件进行建模和仿真。

3.1 仿真模型构建

发动机作为本文研究的主体，在基本使用单元仿真中很难单独作为一个实体来呈现，因此以飞机（发动机）作为飞机平台和发动机的综合体在仿真建模中存在。在Simio 3D仿真软件中建立一个Source（发生器），用来模拟基本使用单元中飞机的补充；建立4个Server（服务器），用来模拟飞机飞行过程中的四个基本步骤，即驶入机库、驶出机库、起飞、着陆；同时新建三个Server（服务器），依次作为故障、定检、大修的模型；建立Sink（销毁器）对飞机（发动机）报废、退役进行模拟；最后使用Time Path（时间路径）将其连接起来，模拟飞行的基本过程。模型如图4所示。

图4 基本作战单元部分仿真Fig.4 Partial simulation of basic combat unit

在本次仿真模型中设置有RenWuFeiXingShi-Jian、GuZhangShiJian、DaXiuShiJian、DaXiuShiJian2、DaXiuShiJian3、DingJianShiJian、BaoFeiShiJian、LuXianXuanZe、FJZT、ZTNur、CGSM、ZDZTSM、ZXLSM、ZDSMXH、ZXLSMXH十五个实体参数。

3.2 寿命控制策略注入

将策略一注入模型进行路径的选择，在Time-Path3上对飞机（发动机）按照常规寿命进行排序。点击TimePath3在Entered属性栏添加触发程序TimePath3_Entered，在 实 体 进 入TimePath3时 触发。选择Processes页面对TimePath3_Entered进行程序编辑，添加两个Search和两个Assign，程序如图5所示。

图5 策略一TimePath3_Entered触发程序Fig.5 TimePath3_entered trigger of strategyⅠ

仿真策略参数设置为按照Candidate.ModelEntity.CGSM从大到小排列。

策略二、三注入模型的触发过程与策略一相同，仿真策略参数设置包括：总的常规寿命、Z的状态寿命和Z的状态寿命，任务飞行时间、Z的状态寿命消耗和Z的状态寿命消耗等。其中常规寿命和发动机Z状态寿命的权重设置为0.304 1、0.695 9。

在TimePath上注入考虑常规寿命、Z状态寿命和Z状态寿命的发动机寿命控制策略。点击TimePath3在Entered属性栏添加触发程序Time-Path3_Entered，在实体进入TimePath3时触发，程序如图6所示。

图6 策略二/三TimePath3_Entered触发程序Fig.6 TimePath3_Entered trigger of strategyⅡ/Ⅲ

仿真实验中假定某单位在位飞机（发动机）数为20架，每天任务飞行架数为12架，任务飞行时间服从均值为2的均匀分布，最大任务时间为2.5 h，最小任务时间为1.5 h。在飞机（发动机）使用过程中设置排故、定检、大修3项基本保障工作和飞机（发动机）的退役报废工作。飞机（发动机）故障（综合考虑简单故障和一般故障）服从参数为25的指数分布，排故时间设为半天。飞机（发动机）定检工作（规定为100 h定检，即当飞行小时数累加大于95 h时实施定检），定检工作所需时间为5天。飞机（发动机）大修工作（规定1 000 h大修，即飞行小时数累加大于990 h时实施大修），大修工作所需时间为180天。飞机（发动机）的退役报废时间规定为31 000 h。

3.3 仿真结果分析

策略仿真数据如图7所示。

图7 策略仿真过程主要数据Fig.7 Main process datum of the simulation results

策略仿真分析结果如图8～图9所示。

图8 大修数量图Fig.8 Overhaul quantity

图9 起飞架次图Fig.9 Takeoff sorties

从图8可以看出：在控制发动机寿命方面策略三优于策略一、策略二；策略二优于策略一。但考虑飞机起飞架次，从图9可以看出：在要求飞机出动架次方面策略一优于策略二、策略三。

4 结论

根据数据分析，基于发动机状态寿命消耗的寿命控制策略，在减少发动机大修和合理安排发动机使用上优于传统的发动机寿命控制策略。而传统的发动机寿命控制策略在保证飞机（发动机）飞行架次上，优于基于发动机状态寿命消耗的寿命控制策略。因此在实际工作中，机务人员要综合考虑策略与作战/训练的匹配程度，进而选择合适的发动机寿命控制策略。同时，还需要在日常训练过程中，不断积累发动机使用与保障数据，更新、修正完善上述模型，提升策略的准确性和有效性。