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军用航空发动机标准发展概述

Review of Military Aero Engine Standards

王粲 张腾     2020年06月18日

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航空发动机研制是一项复杂的系统工程,美国等国家已建立了体系完备、持续迭代的航空发动机产品研发体系。其中,标准是航空发动机研发体系的核心要素之一。中国航发集团成立后,将航空发动机相关标准建设作为推进AEOS建设的重要组成部分,本文以美国为例分析标准的演进历程与现状,可对相关标准建设提供帮助。

 

军用标准


美国军用标准具有体系完整、内容丰富、结构严谨、技术先进、格式统一和实用性强等特点,是国际公认的权威性军用标准化文件。目前,美国航空发动机军用标准共约650项,包括活塞式发动机、燃气涡轮发动机标准以及美国军用标准图样。美国军用标准以服务采办事项为主要目标,其特点是“管住两头、放开中间”。美国国防部针对军用航空发动机编制了系列产品性能规范,提出装备需要达到的性能指标要求,明确装备验收准则,并配合招标合同对承包商提出要求。美国国防部对装备的设计、制造、包装等中间过程一般不提强制性要求,但编制了大量非强制性指南,以充分发挥承包商的主动性和创造性。美国军用标准中纳入了大量基础零件产品,形成了基础通用产品规范,约占标准总数量的60%。


在军用航空发动机领域,美国军用标准顶层产品性能规范如图1所示,主要分为两类:推进系统完整性大纲(PSIP)和软件系统完整性大纲(SDIP),内容包括JSSG-2007和JSGS-87231A《航空涡轮发动机联合使用规范指南》、MIL-HDBK-1783《发动机结构完整性大纲》、MIL-STD-1798《机械系统结构完整性大纲》等相关标准。

 

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图1   美国航空发动机军用标准顶层产品性能规范框架图


以航空发动机通用规范为例,从早期的MIL-E-5007A《航空涡喷发动机通用规范》演变至JSSG-2007C《航空涡轮发动机联合使用规范指南》,使得航空发动机全生命周期成本、性能、适用性、可靠性、维修性、耐久性以及适航性等得到了较好的平衡,其发展历程如图2所示。

 

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图2    《航空涡喷发动机通用规范》演进历程


20世纪60年代的F100-PW-100发动机研制时一味追求高性能,在使用过程中暴露了可靠性、耐久性和维修性方面的问题。1973年美国总结F100-PW-100发动机研制经验,形成MIL-E-5007D《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》。


1975年启动研制的F404发动机按MIL-E-5007D要求开展研制工作,并在研制过程中补充了结构完整性和加速任务试车等要求。1983年美国海军总结F404发动机研制经验,形成了MIL-E-5007E《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》。


F414发动机研制阶段提出要大幅增加试验科目设置,调整试验时间安排,1988年美国国防部总结F414发动机经验,形成了MIL-E-5007F《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》。


F119发动机注重性能与可靠性、耐久性和维修性的平衡设计,1998年美国总结F119发动机研制经验形成了JSSG-2007《航空涡轮发动机联合使用规范指南》。


随后,在吸收航空发动机研制经验教训、整合高周疲劳(HCF)计划等基础技术研究成果的基础上,美国国防部编制了MIL-HDBK-1783B《发动机结构完整性大纲》,与JSSG-2007C《航空涡轮发动机联合使用规范指南》配套使用。随着发动机结构完整性大纲的实施,美国空军将最初用于解决结构安全问题的结构完整性方法拓展到整个推进系统,于2008年发布了MIL-STD-3024《推进系统完整性大纲(PSIP)》,详细规定了PSIP对发动机结构、性能与操作性、控制器及子系统在功能领域的要求,以便以最低的成本达到整个推进系统一体化,并按任务阶段划分进行成本及周期风险管理,确保了推进系统在全生命周期内以及美国空军支付能力范围的完整性。MIL-STD-3024通过整合有关性能完整性大纲、电子设备完整性大纲、机械设备与分系统完整性大纲、结构完整性大纲和软件完整性大纲等标准实现将发动机结构完整性延伸到推进系统及发动机子系统、控制器、附件及外部构件的结构、性能、操作性、功能等方面。

 

行业协会标准


美国汽车工程师协会(SAE)标准是航空发动机行业广泛采用的先进国际标准,美国等发达国家将其与国家军用标准、先进企业标准协调配合,发挥规范和指导作用。SAE标准关注系统和零部件的操作性与连接性、提高安全性和可靠性、控制研制成本,因而被视为军用航空发动机工程研制的重要输入。


SAE的航空航天理事会下设航空航天推进系统部,其标准用于定义、制造、认证、操作和保障航空航天推进系统产品,涉及涡喷发动机、涡扇发动机、涡轴发动机、活塞式发动机、螺旋桨与传动系统及第二动力装置等,覆盖发动机通用基础、起动系统、辅助动力装置(APU)、滑油系统、控制系统、点火系统、健康管理系统、包容性、支援设备、润滑油、污染物排放测量、性能仿真方法、直升机动力装置,以及进气畸变等技术领域。


航空航天标准(AS)为SAE下设的航空航天技术委员会颁布的一类标准。AS特定的性能规范包括:用作设计标准、零件标准、最低性能标准、质量控制以及材料、产品、过程、程序或试验方法的规范。


SAE航空航天理事会材料分部负责制定材料标准,涉及发动机专用的高温合金、钛合金、结构钢等高温结构材料。SAE已发布航空发动机标准类别及数量如表1所示。

 

表1    SAE已发布航空发动机标准数量

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企业标准


一些先进的航空发动机企业研发体系建设经历了以“大师”为核心、以流程为主导的研发阶段,目前已达到流程优化的精益研发阶段,航空发动机行业发展历程如图3所示。自以流程为主导的研发阶段起,标准就成为了研发体系的核心要素。

 

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图3   航空发动机行业发展历程


以GE航空集团为例,其内部标准包括材料、设计、零件、试验、工艺、检验、质量管理和资源控制等近20类,标准总数8200余项。其内部标准除在企业内部设计和生产过程中应用外,也大量提供给外部供应商,用于零部件质量、产品维修、产品使用等过程控制,标准不仅是GE航空集团保持技术竞争力的手段,也是其整合产业链的有力工具。 GE航空集团标准分类如表2所示。

 

表2   GE航空集团标准分类

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标准是GE航空集团固化技术成果,构建研发能力的重要手段。为推动公司标准建设,GE航空集团构建了以顶级科学家、工程师为核心的技术标准管理模式,顶级科学家/设计师进入专业委员会和设计委员会,负责设计准则(DP)、产品制造规范(P-Specification)等标准化文件编制;资深技术、工程专家负责履行设计审核职责,对标准化文件的有效实施负责,并向上级委员会反馈标准修订新需求;设计实施团队负责按照相关标准化文件要求开展具体设计、制造工作。

 

先进技术研究计划推动标准形成


美国航空发动机性能水平的不断提高源自长期以来实施了大量先进航空发动机技术研究计划。其中,综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划是美国政府、军方和工业部门的联合计划,是航空发动机技术研究的成功典范。每个参与IHPTET计划的发动机公司都有自己的先进涡轮推进计划(ATPP),这些公司非常重视自身的基础能力建设,其中主要是综合设计能力、试验/仿真能力和制造能力,将发动机技术发展计划的研究项目,如IHPTET、通用经济可承受先进涡轮发动机(VAATE)计划等,与自身的技术体系(硬件、软件、标准、规范、数据库)结合起来,实现已有企业标准的技术提升,制定新技术领域的各类技术标准规范。IPHTET、VAATE计划的主要承包商(如普惠、GE航空集团、艾利逊等公司)已将获得的关键技术逐步形成技术标准规范,纳入各自企业技术标准规范体系。


从航空发动机公司的一些规范可见,IHPTET计划第一阶段验证的技术,包括阻燃钛合金压气机材料、双合金压气机盘、刷式密封、陶瓷复合材料的燃烧室火焰筒浮壁等技术已形成发动机公司的企业规范。与此同时,美国军用标准规范和SAE标准规范,也将IHPTET计划的实施技术成果不断地纳入到各自的标准规范,规定了新的技术要求,主要涵盖加速模拟试车、矢量喷管、光学系统、三防试验、全权限数字式电子控制(FADEC)、健康管理系统(PHM)、热管理、经济可承受性等前沿关键技术。

 

结束语


综上所述,美国高度重视军用航空发动机标准化工作,标准基本覆盖航空发动机研制的各技术领域,标准技术内容随着技术的发展而持续完善。美国的国家军用标准、行业协会标准、企业标准各自定位清晰、层级分明、相互补充、协调配套。政府、军方和工业部门密切合作,联合计划,大力推动了关键技术向标准的转化,促进了标准技术领域、内容指标的持续更新。大量技术先进、系统完整的标准为其军用航空发动机研制提供了有效的保障。


(王粲,中国航发研究院,工程师,主要从事航空发动机标准化研究)    

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