美国海军F-18飞机中的“使用任务环境法”

王光芦，李大鹏，马英

（中国航空技术研究所，北京 100028）

20世纪80年代，美国海军武器系统和设备可靠性面临巨大的压力。舰载飞机低可靠性水平严重地削减了作战效能，与此同时保障费不断增加。其主要原因之一是由于当时的设计和试验要求不足以充分代表飞机、设备在实际使用中所经受的环境。导致实际使用环境诱发的故障模式在设计阶段未曾考虑，在验证阶段试验中也未曾发现，从而使这些武器系统和设备的可靠性水平较低，使舰队实际使用环境中执行任务能力很差。按照合同要求，美国海军F-18飞机成熟期的平均故障间隔飞行时间（MFHBF）为5 h，而当时A-7E飞机MFHBF为1.2 h，F-4J飞机MFHBF仅为0.6 h。要达到如此高的可靠性要求，美国海军（NAVY）认为应在采办周期的初期阶段就重视可靠性工作，把飞机性能、可靠性、寿命周期费用三者同时予以考虑，并在研制过程中采用新的设计和试验方法，把可靠性设计到武器系统中，并通过足够的试验来验证和评估可靠性设计[1]。因此，F-18承包商麦克唐纳航空公司（MCAIR）提出了使用任务环境法（OME），即由真实任务剖面推导出预期作战环境条件，并把该环境条件作为系统设计和试验要求的基线。实践表明这种OME 方法明显提高了F-18 飞机可靠性和战备完好性水平，同时使寿命周期费用（LCC）显著降低。

1 使用任务环境（OME）法

F-18 飞机OME 由飞机和子系统在其使用寿命期内将要遇到的所有环境事件组成。包括典型训练剖面、作战任务剖面、飞行包线中临界飞行条件，超过飞机正常操作极限的瞬态偏移，地面搬运和贮存环境等。OME是确定飞行载荷、振动、温度、高度、湿度、噪声、盐雾和砂尘设计及试验要求的基础。这些要求包含在NAVY/MCAIR 的主要规范以及承包商给分承包商的设备购买规范中。

1.1 F-18使用任务剖面

要获得比以往舰载机更高的可靠性，F-18 研制中重点强调要取得真实的使用任务剖面，然后根据这些任务剖面来定义环境要求，最后根据环境要求来设计、考核系统。图1是F-18中OME方法的基本流程。实施OME要求承包商和海军进行广泛、全面的协调，其中第1步是确定F-18任务剖面，任务剖面代表了海军飞机战斗（VF）、海军飞机攻击（VA）、海面战斗/攻击（VMFA）编队等剖面。选择关键的战斗和攻击剖面以满足最初确定的作战要求，即主要任务是战斗护航和攻击（截击）。

图1 F-18中OME基本流程Fig.1 The basic process of OME for F-18

任务剖面是对各种作战、值班周期、环境以及其它要素（舰队部署系统中预期的操作说明）的详细技术描述。任务剖面包括速度、高度、挂载武器、机动条件，它代表了飞机在其寿命周期将要执行的任务模式。这些信息对承包商的系统设计和试验而言是非常重要的。它提供了系统和设备可靠性和性能检测基线。因没有军用标准方法来设计任务剖面，军用采购规范不能提供任务剖面，承包商也没能力去设计任务剖面。以往舰载飞机没有根据真实的任务剖面来进行设计和考核，致使其使用可靠性水平较低。

海军战斗和攻击的典型任务如下：1）战斗护航；2）攻击空中巡逻；3）甲板弹射截击；4）空中格斗训练；5）空中拦截；6）近距空中支援；7）低空导航/攻击；8）水面搜索；9）空中转场；10）仪表飞行。根据作战需求确定关键攻击任务，根据飞行中队调查结果、相似飞机训练大纲要求、飞行员经验数据来确定训练任务。同时也需确定每个任务的执行频率、飞行/停放比率、战斗/训练比率等，这3个参数主要依据以往经验和F-18 的作战使命确定。每个任务最多可包含15 个阶段（爬升、巡航、攻击、空中加油、下降等）。计算出每个阶段的任务参数，例如马赫数、高度、距离、油量和时间。美国海军航空兵系统指挥部提供了这些任务参数的基础数据。

为确定F-18的设计和试验条件，要求一个任务剖面包含所有作战状态。表1为F-18飞机的合成任务剖面，该剖面是通过对多个任务剖面中作战参数和使用频率的加权计算得出。把该合成任务剖面时间转换成飞机使用寿命期内的6 000飞行小时，并增加与飞行任务对应的地面使用活动时间，其结果见表2。尽管F-18飞机在大部分时间内都是根据合成任务剖面中的参数进行飞行的，但也需覆盖合成任务剖面以外的状态。因此，选择了一些临界设计状态（飞行包线）。飞行任务剖面、飞行包线、地面使用构成了F-18的使用任务剖面。

1.2 F-18使用任务环境

确定F-18的使用任务剖面之后，其对应环境也基本确定，尽管预期使用环境包括多种环境因素，其中有几个环境因素是导致设备故障的主要原因，包括：1）飞行载荷（通常用加速度表示）；2）振动、冲击和噪声；3）温度、高度和湿度；4）盐雾、砂尘。有关研究表明温度、振动和湿度是诱发飞机设备故障的主要环境因素，图2 为航空电子设备环境因素诱发的故障情况分布图。由图2 可知86%的故障是由于温度、振动和湿度所导致。因此，在F-18 的OME 中重点采用了这3 种环境应力。其它环境因素，尽管对现场故障的影响比较小，但也很重要，在OME 中也对它们进行了考虑。

表1 海军F-18合成任务剖面Table 1 Composite mission profile of navy's F-18

图2 环境诱发的故障分布Fig.2 Distribution of failure for different environment

1.2.1 飞行载荷环境

合成任务中最大的机动部分是空中战斗机动阶段（ACM）。ACM的持续时间是3.34 min（整个战斗阶段是8.11 min），虽然时间仅为整个任务时间3%，但在该阶段经受的环境极值非常严酷。用F-15的实际飞行载荷来预计F-18的正常载荷环境（如图3所示），图3表明在ACM阶段中有2.5%的时间段内，F-18将经受超过其设计极限载荷系数（7.5 g's）的应力。

图3 ACM载荷系数分布Fig.3 Distribution of load coefficient for ACM

表2 海军F-18飞机各阶段时间Table 2 Phase time of navy's F-18

1.2.2 温度环境

影响飞机设备温度环境外部因素主要有舱内温度、飞行高度和马赫数，影响飞机设备温度环境内部因素主要有设备发热量和飞机给设备的冷气供应量。对F-18 设备温度环境的外部因素研究主要包括：1）陆基和海洋使用区域气候；2）海平面及空中温度分布标准；3）任务阶段环境条件，例如马赫数、高度、频率以及时间；4）极端的瞬态机动及其快速温度、压力和湿度变化。结合影响飞机设备温度的内部因素的研究结果，把F-18 飞机分成11 个温度区域，并确定了每个温度区域设备的设计和试验要求。

1.2.3 振动环境

振动对设备可靠性有很大影响。F-18 的振动设计规范是根据其它飞机（包括YF-17样机）的飞行实测振动数据及其任务剖面对应的预期环境而制定的。按照图4 对F-18 飞机设备的振动量级进行划分。在制定振动规范中主要考虑了关键的飞行阶段（弹射起飞和着陆、低空大马赫数飞行、空中格斗机动和炮击）以及一些正常的飞行条件。

图4 F-18飞机设备振动划分Fig.4 Vibration zone for F-18 device

1.2.4 地面环境

F-18 寿命周期内飞行时间少于4%。其它时间都是在陆基或甲板上贮存、运输和维修。这些阶段（约占96%的时间）的环境在F-18的系统设计中都有考虑。地面非工作环境主要包括海水飞溅、雨水、非核动力舰的排气、其它飞机排出的废气、电磁干扰和空中污染物；地面工作环境包括加油、挂载武器、检查和维修等。这些都在设备设计要求中加以考虑。

2 F-18完整性试验大纲

F-18 完整性试验大纲在初期阶段用于指导确定设计要求，在后期阶段用于验证设备是否是按照已定的要求进行生产。随着飞机集成水平的提高和环境复杂性的不断增加，该大纲确定了试验的合理顺序，并要求将试验结果反馈给研制者以生产出具有高可靠性水平的设备。试验分为3 种类型，即研制试验、验证试验和验收试验。研制阶段目标是对关键任务环境的设计评估。包括性能试验、环境试验、基于试验分析改进（TAAF）的可靠性增长（包括闭环故障报告）。验证阶段目标是在实验室和实际飞行中验证设计要求。该试验中包括了50 个架次飞行，专用于可靠性水平验证。验收阶段试验主要用于设备批量生产，验证生产工程和工艺是否固化，性能和可靠性水平是否满足规定要求。

为满足试验进度和经费要求，采用加速试验方法来压缩实际的设计寿命时间，缩短试验时间。对于某些任务关键设备（例如雷达）采用温度、振动综合环境进行试验。设备规范中包括详细的可靠性研制试验要求，该要求可以根据F-18中OME对MIL-STD-7 81B以及有关规范中试验环境进行剪裁，表3为典型电子设备OME中试验技术条件剪裁简况[2]。

表3 航空电子设备OME中试验条件Table 3 Test condition of avionics equipment with OME method

3 OME对可靠性水平的影响

F-18 成功的关键要素之一是其可靠性明显的高于当前舰载飞机F-4J 和A-7E。任务需求的越来越多变，为满足性能提高的需求，武器系统也更加复杂。作为一个设计参数，为在研制阶段可以验证、在生产阶段可以控制、在使用阶段可作为一个使用特征参数，可靠性水平变得越来越难以确定和达到。在系统的寿命周期内采用周密的、有效的可靠性工程方法可以使这些困难最小化。OME方法根据真实任务剖面而得到的预期使用和环境条件为起点，来剪裁规范和试验。设计参数以OME为基础，并与高可靠性部件大纲和严格的试验要求相结合，来确保获得最高可靠性水平。F-18 可靠性水平的提高主要原因之一在于OME 设计和试验都是经过承包商的评估。如图 5 所示，采用 OME 法后，F-18 飞机可靠性水平明显提高。

4 OME对寿命周期费用的影响

图5 采用OME后的可靠性水平的增长Fig.5 Reliability growth after using OME method

武器系统的寿命周期费用（LCC）是该系统在整个寿命期内采办费用和使用保障（O&S）费用的总和。典型武器系统O&S 费用约为LCC 的60%～75%。武器系统价格的增加以及国防预算的相对固定或减少，迫使美国国防部（DoD）在采购新系统时要考虑其总经费投入。由于O&S的要求是来源于该系统设备（可靠性、维修性和产品价格）的设计，购买一套新系统的同时也决定了接受该系统的维修保障费用。因此，在研制周期的早期阶段考虑LCC 是非常重要的。一旦系统设计完成或系统装备部队，再去降低O&S费用，是极其困难的。

美国海军在研制阶段初期就对F-18 的O&S 费用进行了详细的预计和分析，这为节约费用打下了基础。达到可靠性和维修性目标保证值将使F-18的人力费用比A-7E 降低20%～30%。在明显降低LCC的同时，也有助于减轻航空母舰上拥挤的工作和生活条件。那些达到项目里程碑目标和有关LCC要素的承包商获得了最多1 500 万美元的奖金。获得奖励的LCC要素包括：能验证设计费用/LCC合理；子承包商或供应商都能有效控制LCC；有可接受的后勤保障分析；能降低维修飞机人员技术水平要求。

F-18 设备可靠性的提高是减少O&S 费用和LCC 的一个主要因素，F-18 中O&S与可靠性水平敏感模型如图6 所示。如前所述，F-18 可靠性水平提高的一个关键因素是把预期的使用任务环境作为设计和试验要求的基础。F-18 项目办公室需承担OME设计和试验所带来的费用，因此，其根据项目的资金来权衡设计费用和LCC。F-18项目管理者在选择设备进行OME设计和试验的原则是：1）与任务成功率密切相关的设备；2）影响飞行安全的设备；3）采用了新技术的设备；4）费效比分析结果。如果某产品费效分析表明获得的奖金将超过因选择OME 而产生的额外费用，承包商也有可能在对该产品进行OME 试验，美国海军已对13 个产品进行OME 设计和试验，即雷达、飞行控制电子部件、惯性导航系统、多功能显示器、空调系统、辅助电源单元、辅助驾驶系统、驾驶员头显、动流量燃油泵、液压容器部件、维修监视控制板、涡轮启动控制阀、前部控制单元。这13 项产品因采用OME 设计和试验额外增加的费用约为3 百万美元，而节省的LCC 约为1.002 亿美元，其回报率为30∶1。图7为美国海军采用了OME设计和试验要求的部分设备及其节约的LCC。

图6 O&S与可靠性水平敏感模型Fig.6 Sensitive model between O&S and reliability

图7 OME设备及其LCC节省Fig.7 OME equipment and it’s LCC saving

5 结语

许多武器系统的现场可靠性水平远低于其要求文件中的规定值和研制试验中的验证值，传统的设计和试验要求以及方法既不能有效地提高战备完好率水平，也不能抑制LCC 的增长。在F-18 项目中，通过采用OME法，用真实任务剖面来确定飞机预期使用环境，并把该环境提供给系统和设备的设计者，在研制阶段和验证阶段利用这些环境来考核评估产品是否达到规范和可靠性要求。更加真实的设计和试验使F-18可靠性显著提高，并提升飞机的作战效能，降低了后期的使用和保障费用。

[1]DOUGLAS P，DUNBAR JR. A“New Look”in Reliability—F-18 Operational Mission Environment[J]. USA Defense systems management college，1977，60—61.

[2]海军装备部飞机办公室，中国航空工业发展研究中心.国外舰载机使用保障[M].北京：航空工业出版社，2008：58—60.