航空發動機多狀態壽命控制策略及仿真研究

崔利杰，李皓祥，李薛，童奇

（1.空軍工程大學裝備管理與無人機工程學院，西安 710051）（2.中國人民解放軍93671部隊，南陽 474300）

0 引言

壽命消耗情況是衡量發動機狀態的重要因素，對發動機壽命的控制是航空裝備維修質量控制工作的重要內容之一。由于飛機使用要求不同，航空發動機壽命消耗不限于常規壽命，更多地需要將常規壽命與狀態壽命協調、匹配使用。但當前由于各種原因，航空發動機壽命控制工作表現為：重視飛機壽命梯次控制，輕視發動機壽命梯次控制；重視發動機常規壽命，輕視發動機典型狀態壽命；重視發動機使用需求匹配，輕視發動機的壽命參數匹配；重視定性分析，輕視量化驗證。這樣的發動機壽命控制策略很難適應新時代航空發動機的使用需要，亟需提出基于狀態壽命消耗的發動機壽命控制策略。仿真方法是軍事領域較為可行且有效的一種驗證手段，其成本低、效率高、調整方便，能夠驗證發動機壽命控制策略的合理性和可行性，因此目前在裝備維修管理領域，仍較多地采用仿真手段進行方法驗證。

當前，國內外在經過多年探索后，提出了不同的發動機壽命控制策略。例如，曹明等基于民用航空發動機健康管理的需求及發展目標，分析民用航空發動機健康管理與壽命管理的現狀及發展趨勢，指出了未來需要重點關注的研發方向；陳躍良等從對軍用飛機結構日歷壽命相關問題的思考出發，提出了多種發動機壽命控制策略；Fu X等研發了航空發動機維修策略優化支持系統；J.Crocker等基于軟約束和硬約束提出了一種以可靠性為中心的軍用航空發動機壽命控制與維修策略優化方法；M.P.Kleeman等考慮到航空發動機部件之間的互換策略，提出了基于多目標維修優化的航空發動機壽命模型；此外，陳少龍等、李琨等、甘曉華等也分別對航空發動機的計算管理、梯次控制等壽命控制問題進行了研究。上述研究所提策略能夠在相應條件下對發動機壽命控制發揮一定作用，但仍不能解決我軍發動機壽命狀態多、與飛行科目數據關聯少、可行性驗證難等問題。

提出策略是發動機多狀態壽命控制的第一步，開展可行性和合理性驗證對于日常訓練和作戰使用保障同樣十分重要。對于航空裝備的研制、使用與運維策略等管理流程性的驗證，仿真技術無疑是經濟有效的技術手段。在目前成熟的軍事領域，仿真技術得到了廣泛應用。例如，趙永等利用ExtendSim、Netlogo、Simio 3D等軟件開展了裝備管理的流程仿真；叢繼平等利用Net-Logo軟件對航空裝備保障體系進行了仿真；杜茵開展了智能化生產車間建模與Simio仿真；吳鼎新等將Simio仿真系統用于集裝箱運輸教學中；黃庚保提出了生產系統建模與Simio仿真；特別是，A.Bousdekis等總結了一系列目標導向的維修保障仿真來輔助決策的方法，為航空發動機仿真提供了重要借鑒。然而，目前的研究對于當前實戰化戰訓任務下不同飛行科目高度并發、多種發動機狀態耦合同存、單一壽命控制策略難以適應的發動機壽命控制策略的驗證問題鮮有涉及，也缺少成熟有效的驗證模型。

本文重點圍繞飛行科目、發動機使用狀態、壽命控制策略的關聯關系，構建多狀態控制模型，運用多目標決策方法提出發動機多狀態壽命控制策略，并使用Simio 3D仿真軟件進行策略仿真驗證。

1 發動機多狀態壽命特征與使用分析

1.1 多狀態壽命特征及狀態分析

航空發動機在實際工作中由于飛機面臨的不同飛行階段、飛行任務和飛行環境，對發動機的功率（推力）會有不同的要求，使得飛機存在多種飛行狀態、發動機也存在多種工作狀態，對于不同工作狀態，提出了不同的發動機壽命限制要求。因此僅考慮常規壽命的消耗不能準確反映發動機壽命消耗的實質。只有結合發動機處于大負荷狀態的壽命消耗——狀態壽命消耗的現實情況進行具體分析，才能對現階段發動機壽命消耗情況有一個清楚的認知。

以某型發動機為例，通過數據收集，對比分析一年內某單位該型發動機多狀態壽命消耗情況，如圖1所示，可以看出：發動機八種狀態壽命的消耗量具有明顯差異。為突出典型性，選擇Z狀態和Z狀態作為本文研究的顯著狀態。

圖1 發動機多狀態壽命消耗Fig.1 Engine multi-state life consumption

1.2 飛行科目與狀態壽命關系分析

排除無法估計的飛行員根據實際情況的操作外，飛行科目是發動機狀態壽命消耗的關鍵致因。由于在當前實戰化訓練背景下，發動機使用中需要頻繁進入加力和最大加力狀態的訓練科目增多，例如大速度、大過載、突防突擊、實彈打靶等科目，產生的直接影響就是發動機的狀態壽命消耗呈現快、多、雜的趨勢。通過分析某型發動機在一段時期內的空中使用數據，得到執行不同訓練科目時發動機狀態壽命（Z狀態和Z狀態）的消耗情況如圖2所示，橫坐標軸K～K代表當前該單位日常進行的飛行科目（數據值為修正值）。

圖2 飛行科目下Z1狀態和Z2狀態壽命消耗關系Fig.2 Life consumption relationship between Z1 state and Z2 state under flight subject

從圖2可以看出：飛機執行不同飛行科目，會對發動機狀態壽命消耗造成直接影響。

對于發動機壽命而言，飛行科目中的每個元素，在發動機狀態壽命指標的集合中總是存在一個唯一的元素——狀態壽命指標與其對應，即在飛行科目和發動機狀態壽命指標之間存在映射關系，記 作f：K→Z，K=｛K、K……K｝，Z=｛Z、Z｝。映射關系如圖3所示。

圖3 飛行科目與Z1狀態壽命和Z2狀態壽命映射Fig.3 Mapping of flight subject to Z1 status life and Z2 status life

2 發動機多狀態壽命控制策略制定

2.1 變量定義

根據上述關系，提出發動機多狀態壽命控制策略所需變量（各變量的單位均為小時）如下。

以某具體單位為例，假定其在位飛機數為30架（飛機均為新機），每架飛機發動機常規壽命為800 h，Z狀態壽命為40 h，Z狀態壽命為100 h。該部隊年飛行小時數為5 000 h。單位飛行任務時間與狀態壽命消耗量如表1所示。

表1 飛行任務壽命消耗和任務占比Table 1 Mission life consumption and mission proportion

根據以上數據，計算提出策略一、策略二、策略三。

2.2 策略一——僅考慮常規壽命

策略一為傳統策略，指僅考慮發動機按照常規壽命進行排序，形成發動機使用順序進行壽命控制。

2.3 策略二——考慮一種狀態壽命

使用變量：R，C或T

通過數學計算得出常規壽命x和狀態壽命x的權重。得到策略公式：

或

策略二表示為發動機常規壽命消耗量與發動機常規壽命的比值，比上發動機狀態壽命消耗量與發動機狀態壽命的比值，所得到的最終比值來進行發動機選擇。即最終比值盡可能地接近發動機常規壽命的權重比上發動機狀態壽命的權重0.304 1/0.695 9或0.409 8/0.509 2。

2.4 策略三——考慮多種狀態壽命

通過數學計算得出常規壽命x、Z狀態壽命x和Z狀態壽命x的權重。得到策略公式：

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

策略三表示為發動機常規壽命消耗量與發動機常規壽命的比值，比上發動機Z狀態壽命消耗量與發動機Z狀態壽命的比值，所得到的最終比值1和發動機常規壽命消耗量與發動機常規壽命的比值，比上發動機Z狀態壽命消耗量與發動機Z狀態壽命的比值，所得到的最終比值2，綜合考慮來進行發動機選擇。即最終比值1盡可能地接近發動機常規壽命的權重比上發動機Z狀態壽命的權重0.231 2/0.528 9；最終比值2盡可能地接近發動機常規壽命的權重比上發動機Z狀態壽命的權重0.231 2/0.239 9。

3 發動機控制策略仿真驗證

Simio 3D是基于SimioLLC在美國開發的“智能對象”技術的新一代三維仿真軟件，它可以構建自動化的動態模型系統，使人們能夠直觀看到整個系統的運行過程，也可以在三維動畫中呈現環境系統，使動畫制作時模型更加生動和直觀。為驗證所提策略的可行性和合理性，本文應用Simio 3D軟件進行建模和仿真。

3.1 仿真模型構建

發動機作為本文研究的主體，在基本使用單元仿真中很難單獨作為一個實體來呈現，因此以飛機（發動機）作為飛機平臺和發動機的綜合體在仿真建模中存在。在Simio 3D仿真軟件中建立一個Source（發生器），用來模擬基本使用單元中飛機的補充；建立4個Server（服務器），用來模擬飛機飛行過程中的四個基本步驟，即駛入機庫、駛出機庫、起飛、著陸；同時新建三個Server（服務器），依次作為故障、定檢、大修的模型；建立Sink（銷毀器）對飛機（發動機）報廢、退役進行模擬；最后使用Time Path（時間路徑）將其連接起來，模擬飛行的基本過程。模型如圖4所示。

圖4 基本作戰單元部分仿真Fig.4 Partial simulation of basic combat unit

在本次仿真模型中設置有RenWuFeiXingShi-Jian、GuZhangShiJian、DaXiuShiJian、DaXiuShiJian2、DaXiuShiJian3、DingJianShiJian、BaoFeiShiJian、LuXianXuanZe、FJZT、ZTNur、CGSM、ZDZTSM、ZXLSM、ZDSMXH、ZXLSMXH十五個實體參數。

3.2 壽命控制策略注入

將策略一注入模型進行路徑的選擇，在Time-Path3上對飛機（發動機）按照常規壽命進行排序。點擊TimePath3在Entered屬性欄添加觸發程序TimePath3_Entered，在 實 體 進 入TimePath3時 觸發。選擇Processes頁面對TimePath3_Entered進行程序編輯，添加兩個Search和兩個Assign，程序如圖5所示。

圖5 策略一TimePath3_Entered觸發程序Fig.5 TimePath3_entered trigger of strategyⅠ

仿真策略參數設置為按照Candidate.ModelEntity.CGSM從大到小排列。

策略二、三注入模型的觸發過程與策略一相同，仿真策略參數設置包括：總的常規壽命、Z的狀態壽命和Z的狀態壽命，任務飛行時間、Z的狀態壽命消耗和Z的狀態壽命消耗等。其中常規壽命和發動機Z狀態壽命的權重設置為0.304 1、0.695 9。

在TimePath上注入考慮常規壽命、Z狀態壽命和Z狀態壽命的發動機壽命控制策略。點擊TimePath3在Entered屬性欄添加觸發程序Time-Path3_Entered，在實體進入TimePath3時觸發，程序如圖6所示。

圖6 策略二/三TimePath3_Entered觸發程序Fig.6 TimePath3_Entered trigger of strategyⅡ/Ⅲ

仿真實驗中假定某單位在位飛機（發動機）數為20架，每天任務飛行架數為12架，任務飛行時間服從均值為2的均勻分布，最大任務時間為2.5 h，最小任務時間為1.5 h。在飛機（發動機）使用過程中設置排故、定檢、大修3項基本保障工作和飛機（發動機）的退役報廢工作。飛機（發動機）故障（綜合考慮簡單故障和一般故障）服從參數為25的指數分布，排故時間設為半天。飛機（發動機）定檢工作（規定為100 h定檢，即當飛行小時數累加大于95 h時實施定檢），定檢工作所需時間為5天。飛機（發動機）大修工作（規定1 000 h大修，即飛行小時數累加大于990 h時實施大修），大修工作所需時間為180天。飛機（發動機）的退役報廢時間規定為31 000 h。

3.3 仿真結果分析

策略仿真數據如圖7所示。

圖7 策略仿真過程主要數據Fig.7 Main process datum of the simulation results

策略仿真分析結果如圖8～圖9所示。

圖8 大修數量圖Fig.8 Overhaul quantity

圖9 起飛架次圖Fig.9 Takeoff sorties

從圖8可以看出：在控制發動機壽命方面策略三優于策略一、策略二；策略二優于策略一。但考慮飛機起飛架次，從圖9可以看出：在要求飛機出動架次方面策略一優于策略二、策略三。

4 結論

根據數據分析，基于發動機狀態壽命消耗的壽命控制策略，在減少發動機大修和合理安排發動機使用上優于傳統的發動機壽命控制策略。而傳統的發動機壽命控制策略在保證飛機（發動機）飛行架次上，優于基于發動機狀態壽命消耗的壽命控制策略。因此在實際工作中，機務人員要綜合考慮策略與作戰/訓練的匹配程度，進而選擇合適的發動機壽命控制策略。同時，還需要在日常訓練過程中，不斷積累發動機使用與保障數據，更新、修正完善上述模型，提升策略的準確性和有效性。