中国军用航空发动机寿命验证与规划方法

王 海

（中国人民解放军93128部队，北京 100076）

0 引言

随着军用航空发动机先进性、复杂性、全寿命周期成本和装备规模的不断提升，除推力、耗油率等主要性能外，对寿命期内安全性、可靠性、维修性、保障性和经济性等要求越来越高。中国航空发动机寿命验证和规划工作的方法和模式一直在不断的探索中发展，寿命验证与规划工作需要更新观念，完善管理体制。寿命不仅是综合性能指标，更是影响装备规模和效能、行业产能和效益的重要因素，如何统筹论证提出指标、科学验证评估，是多学科交叉、多部门协作的复杂系统工程。

发动机寿命管理计划贯穿于发动机成熟过程始终，需要从生产、质量控制、综合保障等维度，在确保外场使用结构完整性的基础上，通过使用过程中暴露设计不足和疲劳问题，不断探索发动机使用极限提高发动机使用经济性。许可君等[1]、杨秀深[2]、王东艺等[3]对中国航空发动机的可靠性和寿命管理方法进行了研究和论述，认为目前的中国航空发动机定期维护的寿命验证和管理模式使用经济性较差，未来的发展方向应为基于视情维护的寿命验证和管理；Suarez等[4]和Grebtti 等[5]进行了基于发动机服役环境的寿命预测与控制方法的研究，并提供了寿命控制与管理的技术方法；甘晓华等[6]、赵元刚[7]对国产歼击机动力装置的定寿、延寿方法进行了研究，提出了航空发动机寿命应在使用过程中不断累积数据并根据实际使用进行修正的理论；程卫华等[8]、王奉明[9]、于宏军等[10]对航空发动机加速任务试车的验证方法进行了研究，为航空发动机整机寿命验证方法提供了比较科学和先进的理论基础。这些研究工作为中国航空发动机寿命验证和规划提出了明确的方向和建议。由于航空发动机寿命验证与规划属于多学科交叉的复杂系统工程，一方面需要解决先进航空发动机的需求问题，另一方面还需要考虑中国航空发动机产业的现状和当前的管理模式。目前缺少基于中国航空发动机研制及管理体系的具体问题研究和建议。

本文以近年来中国航空发动机研制和使用过程中寿命验证和规划的经验为基础，结合暴露以及存在的问题，对寿命验证和规划的各阶段和环节进行具体的研究并提出管理和技术方面的建议。

1 航空发动机寿命概述

从设计角度出发，GJB241A-2010《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》主要从结构完整性方面定义航空发动机寿命，称为设计使用寿命，“要求根据飞机飞行任务和飞行任务混频设计，发动机在使用寿命内应能满意地工作”[11]。设计使用寿命分为热件寿命、冷件寿命、关键件寿命、消耗件寿命、附件寿命、轴承寿命等，要求按规定程序和方法予以评估验证。确定发动机及其零部件寿命的直接依据主要来自2 方面：（1）由实际飞行任务所综合推导出的等效工作循环；（2）零部件在设计时所给定的标准循环数或工作时数。在实际操作方面，通常由研制单位依据零部件、整机试验结果给出初始寿命，凭借对同类集中的使用经验，制定出基本翻修间隔；通过在使用中不断摸索、改进和积累经验，再由研制单位和使用部门共同制定出合理的翻修期和主要零部件使用寿命。

从使用角度，航空发动机寿命是指产品交付后，从工作开始至丧失规定工作能力而不能修复或经济上不值得修复的累计运转时限，主要包括总寿命、技术寿命、安全寿命等，通常以工作小时、次数和日历年等指标表示。总寿命是指在规定条件下，发动机从开始使用到规定报废的总工作小时和（或）总循环数和（或）日历持续时间；技术寿命又称规定寿命，是承制方按预定使用计划和维修条件预计发动机可能达到的寿命，技术寿命表明的是技术上的可能性，要经过严格试验和研究，在使用中验证，最后经使用方批准；安全寿命是指为确保发动机使用中的安全性而规定的寿命，通常由承制方根据对危险性故障的分析和科学试验结果提出[12]。发动机总寿命是综合技术、使用、经济和安全等方面确定的，短于或等于技术寿命，接近于安全寿命。

图1 航空发动机寿命管理及验证特点

图2 航空发动机寿命管理计划的重要作用

2 寿命验证方法

设计使用寿命验证一般按照“设计分析-零部件/成附件试验-地面整机验证-外场使用验证”的方法和流程进行。由于整机耐久性试车可相对真实模拟实际工作环境，对发动机规定寿命期内持续工作能力进行综合集成验证，因此是最主要的寿命验证方法。MIL-HDBK-1783B《发动机结构完整性大纲》规定，“需通过整机试验来验证发动机的设计使用寿命和设计用法”[13]。

整机试验主要有1∶1 持久寿命试车和加速任务试车2 种方式。前一种主要应用于航空发动机发展早期，当时寿命只有几十到几百小时，限制寿命的主要因素是零部件的应力断裂和蠕变，方法简单且容易实施；后一种主要应用于寿命等指标大幅提升的先进航空发动机，其基本原理是针对高功率状态下危及飞行安全的低周疲劳和蠕变问题开展试车，通过对故障损伤模式的加速，暴露外场使用中可能出现的结构缺陷和故障，并预测发动机寿命。美国从20 世纪70年代首先采用该方法，目前已广泛应用并成为1 项标准考核试验[7]。据不完全统计，国外在发动机研制中要做大量的地面试车和飞行试验，部分发动机地面试验台数和时间见表1[14]。

表1 国外发动机地面试车情况

加速任务试车在直接反映产品的外场用法前提下，剔除非损伤温度下对寿命没有影响或影响不大的稳定运行工作状态和时间，使试车的大状态工作时间和低循环疲劳次数尽量与外场使用一致[9]，具有周期短、适用性好、效费比高等优点。但加速任务试车也存在无法充分考核整机高周疲劳、对轴承和传动系统结构考核不够等问题，需另外附加专项考核。

为确保加速任务试车结果的准确性和有效性，需重点关注对发动机任务剖面中损伤过程的确定、对飞行任务要求和飞行任务混频的模拟、损伤性任务综合任务剖面的编制、非损伤性任务的剔除、加速系数的确定等方面工作。其中，确定加速系数是关键。一般情况下，加速系数取决于所模拟飞行任务剖面中低功率状态所占百分比，以及加速任务试车中发动机载荷增大的程度。战斗机发动机加速试车系数通常在3以内，见表2，运输机和轰炸机发动机一般为3～10，国外部分民机发动机也曾采取10以上的加速系数[10]。

表2 国外部分发动机试车加速系数

3 寿命验证规划

寿命验证工作贯穿全寿命周期，需统筹规划、科学实施。根据型号生成和使用流程，可规划为5 个阶段，每个阶段各有侧重。

3.1 论证阶段

重点是综合使用需求、技术可能和装备规模，科学提出寿命指标要求，大型复杂型号可考虑设定初始可接受值和成熟期目标值。要同步提出寿命指标验证方式，如标准、程序、项目、周期和试验方法、试验件数量等，并以试验鉴定方案等文件形式固化，作为承制方的正式顶层设计输入。如中国某型大推力航空发动机，在论证阶段就结合行业设计、制造和试验能力，由使用方和承制方共同对寿命摸底和验证作出统筹规划：（1）在验证项目和标准上，坚持以国军标为基础，全面参考适航要求，开展全面整机试车验证；（2）在整机长试上，采用1：1 和加速任务试车混合的方式，完成全寿命周期验证；（3）在专项考核上，安排零部件低循环疲劳和成附件、轴承寿命试验，以及整机高周疲劳等专项试车，作为整机寿命验证的补充；（4）在试飞上，持续开展数百架次的加速成熟试飞，确保从全周期、多维度达到评估验证寿命指标的目的。

3.2 设计阶段

重点是承制方按照“始终瞄准成熟期目标、总体设计一步到位”的指导思想，将寿命指标要求分解落实到总体方案和设计细节中。同时，结合新材料、新工艺的发展趋势，为型号后续系列化发展留足裕度。在研制中，通过材料、工艺的“多流水”和“多方案”等手段，确保设计目标可实现、寿命指标可达到。如某型航空发动机为满足性能大幅提升要求使用了大量新材料和新工艺，为有效降低风险，确保设计上可实现、进度上可掌控，专门针对涡轮叶片等关键部件持续开展关键技术攻关，并采用材料和工艺“双备份”的方式，同时选用2 种材料、2 种工艺路线科学组合、并行攻关，既形成了军民融合、竞争择优的良好局面，又确保型号能拿到可用的零部件。

3.3 验证阶段

重点是按照“分层次试验、分阶段验证、全周期考核、一体化统筹”的指导思想，完成寿命验证。分层次，就是按照“零部件-成附件/系统-整机”的流程开展试验，确保在研制的不同层面及时发现和解决问题；分阶段，就是在初始飞行、状态鉴定、列装定型等重要节点，参照国军标完成初始飞行前70 h、设计定型300 h和1000 h加速模拟飞行任务持久试车等规定试验考核，在验证整机结构完整性、可靠性和耐久性的同时，对寿命进行初步验证；全周期，就是在确定鉴定状态或转入鉴定试验后，尽早开展首翻期和全寿命持久试车，与考核寿命指标同步，达到设计摸底、改进迭代和验证保障、修理方案的目的；一体化，就是考虑全寿命试车周期长、代价大等因素，跨阶段统筹规划性能验证和性能鉴定试验，通过采信等合理化手段，在列装定型前完成全部验证工作。

3.4 使用阶段

重点是在确保飞行安全的基础上，按照“地面领先空中、内场领先外场”的指导思想，统筹开展地面领先长试和外场领先使用，相互迭代、互为支撑，在实际使用条件下，逐步验证和达到全寿命期指标要求[15]。如某型大推力航空发动机在交付外场使用后，制定了“以地面领先验证为基础、分阶段开展外场使用验证、逐步积累达到翻修寿命”的总体方案。（1）安排地面领先验证，关键件按一定储备系数完成全寿命期低循环疲劳考核试验，成附件完成寿命考核，整机完成翻修期寿命试验，拿到初始翻修期寿命底数；（2）在翻修期内设置多个寿命评估节点，安排外场领先飞行，将外场发动机的翻修期寿命逐步增长至目标翻修期，待装机发动机使用时数接近一半翻修期寿命时，按地域和使用强度抽取部分返厂分解检查，评估后同批发动机继续飞行至下一个整机翻修期寿命评估节点；（3）依次开展后续翻修期的地面长试、领先飞行和提前返厂检查，综合外场使用和翻修情况、可靠性和经济性等因素，最终对翻修期和总寿命进行评估、修正和确认。

图3 航空发动机寿命验证工作技术路线

3.5 批产阶段

重点是通过对抽检发动机进行整机长试，检验批产质量的一致性。长试时间，原则上要求不少于一倍的首翻期。试验发动机抽取比例，要求根据批产数量和周期协商确定。试验方式，要求对批产使用质量比较稳定、首翻期寿命较长（大于500 h）的，采用1∶1 试车和加速任务试车按年度交替进行；对生产使用中质量问题较多的，原则上按1∶1 试车进行。需要特别注意的是，批检长试目的是对产品质量稳定性的检验，因此试车谱应按外场实际载荷谱编制。

4 需重点关注的问题

4.1 合理选择整机寿命试车的时机和方式

一般情况下，在性能验证阶段应主要采用1∶1 持久试车进行寿命摸底，以尽早发现和解决问题，同步积累长试数据，为后续加速任务试车提供支撑；在性能鉴定阶段应主要采用加速任务试车进行寿命验证，同时补充专项试车考核，以更好兼顾准确性和周期、资源等因素的矛盾。主要考虑：（1）性能验证阶段的重点是及时复核设计的有效性和制造的准确性，应尽早搭建整机试验平台，主动发现并改进设计、制造等方面的薄弱环节。而性能鉴定阶段的重点是准确验证寿命指标的符合性，应尽可能模拟真实使用条件，拿到真实考核结论；（2）性能验证阶段对技术状态不是强约束，以摸底方式进行寿命长试，过程中发动机可分解、可修理、可改进，允许暴露问题，攻关解决后可继续试验。而性能鉴定阶段要求固化技术状态，翻修期内不可分解和修理发动机，出现问题往往导致考核失败；（3）性能验证阶段处于型号研制前期，常常面临实际装机使用剖面和载荷尚未完全清晰、引气和功率提取等接口需求尚未最终固化等情况，导致难以准确确定加速任务试车载荷参数，采用1∶1 试车方式相对易实施，周期上也较宽裕。而性能鉴定阶段往往处于型号考核交付的关键期，周期要求紧，一旦出现反复，将严重影响鉴定交付进度，采用加速任务试车可更快、更准确给出指标符合性的结论。如中国某型大推力航空发动机，在1∶1 寿命试车考核过程中暴露出耐久性问题，原因一方面是设计和加工上存在薄弱环节导致疲劳强度不足，另一方面是未充分考虑地面与空中使用环境的差异，造成长试过程中吸入数倍于真实使用情况的沙尘量，导致“吞沙尘过考核”而影响试车验证结果。据查，RR公司也曾做过类似分析，结论是“通常在实际飞行中叶片表面的沉积物很少或根本没有，地面试车受当地环境条件影响比实际飞行环境恶劣”。

4.2 科学把握寿命验证和寿命提升的关系

当前，能力渐进提升是大型复杂装备的发展规律，但要科学把握航空发动机寿命验证和提升的关系，避免“逐渐改进，提升寿命”，而是瞄准目标值，力争“设计一步实现”，然后通过“地面试验-外场使用-全寿命评估”的方式，实现“寿命逐步验证”。主要考虑：（1）航空发动机以机械产品为主，对硬件要求高，零部件特别是高温件改进提升难度大。同时，由于发动机整体结构布局无法改动，改进空间受限，并且零件数量多、配合关系精密，往往牵一发而动全身，状态改动影响较大；（2）工作环境相对恶劣，模拟真实工况难，往往只能通过整机长试进行验证考核，导致贯改试验周期长、代价大，难以像飞机平台一样主要通过软件版本升级或更新外接设备、武器等实现能力渐进提升；（3）寿命不单是性能指标，更关系外场使用和装备规模，不仅要考虑技术可实现性，更要考虑经济可承受性，合理确定初始可接受值和目标值，防止发动机买得起、用不起。

4.3 加快走出有中国特色的寿命管理新路子

军用航空发动机寿命管理的主要目标，是实现功能/性能、安全性和经济性的统筹平衡。当前，中国军用航空发动机在设计上，已开始贯彻以损伤分析为基础、以循环寿命为指标的先进寿命设计管理理念，但在使用上，主要还是传统寿命理念和维修体制，按照总寿命、翻修期、大状态工作时间比例等指标进行机群管控，导致在设计要求和指标验证上不得不兼顾两种理念，难以充分发挥新研发动机寿命使用潜力。一方面是中国自主研发能力还有欠缺，无法在技术上支撑外场采用单机状态监控和视情维修方式进行寿命管理，另一方面是在寿命设计、验证和外场维修机制等方面的认知上还存在误区，无法有效发挥先进发动机寿命长、安全性高、全寿命周期费用低的优势。后续：（1）在设计上，要坚持围绕全寿命周期目标，利用单元体结构和健康管理系统等先进手段，为真正实现“单机监控+视情维修”奠定技术基础；（2）在管理上，要逐步转变传统的“安全寿命”管理理念，通过组建承制方和使用方共同参与的全寿命周期管理小组、实现设计和外场使用数据共享等手段，切实建立起以可靠性为中心的寿命管理机制，走出有中国特色的寿命管理新路子。

5 结束语

随着中国航空发动机自主研发能力的不断提高，装备数量和规模快速增加，亟需开展科学开展寿命管理，满足对经济性和保障性的迫切需求。寿命验证是寿命管理的基础，必须顶层谋划、科学实施，在借鉴国外先进经验的同时，充分结合国情，坚持以型号为抓手、以问题为导向，建立1 套涵盖论证、研制、批产和使用阶段，包含标准、程序和方法等要素，有中国特色的军用航空发动机寿命管理和验证体系，为全面建成航空发动机自主研发能力、全方位满足用户需求奠定基础。