MIL-STD-3204《推进系统完整性大纲》标准解析

刘启国 唐 伟 朱 瑾 甄 博 韩建军

（中航工业综合技术研究所，北京 100028）

MIL-STD-3204《推进系统完整性大纲》标准解析

刘启国 唐 伟 朱 瑾 甄 博 韩建军

（中航工业综合技术研究所，北京 100028）

阐述了推进系统完整性大纲标准的定位和目的，解析了推进系统完整性大纲标准的构成和重点内容，并提出了我国航空发动机型号研制实施标准的建议。

推进系统； 完整性； 标准

完整性和完整性大纲的概念起源于美国空军，完整性是反映航空武器装备效能的综合设计特性，是性能、功能、安全性、可靠性、耐久性、维修性等的综合。完整性大纲则是航空武器装备研制、生产和使用管理的系统工程方法，其目的是以最佳的全寿命费用保证航空武器装备所需要的完整性，以满足装备效能的要求。

航空发动机作为飞机的“心脏”，由于其自身高速、高温、大负荷等工作特性，加之复杂的外场使用环境，使得发动机成为飞机中故障多发性的系统，航空发动机的性能与寿命，一定程度上取决于其结构。在20世纪60年代以前，由于重性能轻结构强度，造成在外场使用中和研制经费上遭受重大损失，其中最为典型就是F100-PW-100发动机研制，过于强调高性能和高推重比，可靠性、耐久性没有得到足够重视，投入使用后，故障频发，对F-15飞机的使用产生致命影响。为解决这一问题，美国空军借鉴其实施飞机结构完整性大纲的成功经验，从20世纪60年代后期提出了发动机结构完整性大纲（ENSIP）的概念，通过多年的探索，于1984年发布了MIL-STD-1783《发动机结构完整性大纲（ENSIP）》，采用完整性大纲来保证发动机的安全性、可靠性和经济性，取得了成功。

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主要结构安全问题的发动机结构完整性方法拓展到整个推进系统，在F119发动机研制中实施“推进和动力系统完整性大纲（PPSIP）”。发动机研制成功后，美国空军及时总结此型发动机实施大纲的技术与管理经验，于2008年发布了MIL-STD-3024《推进系统完整性大纲（PSIP）》，其主导思想是将发动机结构完整性延伸到整个推进系统的性能、可操作性和功能能力的完整性，以及发动机子系统、控制器、附件及外部构件。这种扩展通过整合极其成功的飞机结构完整性大纲（ASIP）、航空电子设备完整性大纲（AVIP）、机械设备与分系统完整性大纲（MECSIP）和发动机结构完整性大纲（ENSIP）等相关标准得以实现。

1 标准基本构成

MIL-STD-3024规定了PSIP对发动机结构、性能与可操作性、控制器及子系统在功能领域的要求，以便以最小的成本达到整个推进系统的完整性，通过一系列的规范，同时将任务时间阶段化，进行成本及周期风险管理。通过推进系统的研究、项目获得等各方面的计划任务，从而确保推进系统在其使用周期以及在美国空军（USAF）系统支付能力内的完整性。

MIL-STD-3024共分为6章和1个附录，前3章为标准的范围、引用文件和定义，第4、5章为总体要求和详细要求，是标准的的主体，阐述了推进系统完整性大纲（PSIP）的具体内容和要求，第6章是注意事项，附录A则是具体计划里程碑中PSIP任务完成标准指南。

在标准范围中明确了标准的定位，即通过实施推进系统开发、采购和维持的纲领性任务，以保证其完整性。同时明确了推进系统类型，仅指燃气涡轮发动机，推进系统只包括发动机和发动机附件、排气喷管，不包括进气道、短舱等，此处与我国研制体系中推进系统的定义不尽相同。引用文件中则将美国国防部有关发动机的顶层规范JSSG 2007《飞机燃气涡轮发动机》和MIL-HDBK-1783《发动机结构完整性大纲（ENSIP）》作为标准的一部分，共同构成研制要求。

遵循美国军用标准的编排格式，第4章为通用要求，第5章为对应的详细要求，在这种编排结构中，标准规定了结构、性能与操作性、控制和子系统等3个功能区，共用5种PSIP任务类型，即任务1设计信息和研制计划、任务2设计特性描述和分析、任务3部件和子系统试验、任务4推进系统地面试验和飞行试验、任务5发动机寿命管理。所有任务1要求普遍适用于3个功能领域，并在第4章中予以详细描述，第5章详细要求则包括3个主要小节，每一小节对应3个功能领域，详细规定了本功能领域验证任务2至任务5的要求。

第6章主要给出了特定的剪裁指导，使标准的理念和意图能够适用于推进系统不同的研制类型，包括货架购买或改进改型等。附录A则用表格的形式，对应推进系统采办研制过程中里程碑节点及其评审，用4个附表，将通用任务1的完成标准，以及发动机结构任务、性能与操作性任务、控制和子系统任务进行了具体分解，作为具体推进系统采办和研制的应用指南，它不是强制性要求，仅仅提供一种指导和信息。

2 标准主要内容

2.1 总体要求

PSIP各功能部分的任务1具有共同之处，因此MIL-STD-3024将结构、性能和可操作性，以及控制系统和子系统等功能部分的任务1均集中在“4.4任务1的专用要求”中进行阐述。发动机每个功能的任务1分为设计准则和大纲控制两大部分。

设计准则是发动机系统设计的顶层输入。MILSTD-3024要求在任务I中应确定影响设计的所有要求，包括大纲说明、接口控制文件、环境、内部设计原则和成本/进度考虑，还需制定要求和验证方法的矩阵，这些要求的确立主要参考联合规范指南JSSG 2007。另外，设计准则中还要求对推进系统的鲁棒性进行评估。这些评估应提供在目前设计中可用的折衷空间和裕度，以及在基本设计中包括大纲是否影响鲁棒性状况。

大纲控制是后续发动机研发工作进行的顶层依据性文件。MIL-STD-3024要求开发管理要求演变与发展的方法。针对PSIP任务完成的内容和水平以及大纲规定的里程碑之间的过渡，要求开发相关准则来进行技术评审，确保获取所需的知识水平和可进入下一个里程碑的知识等级要求。PSIP主计划是任务1的重中之重，是后续工作开展的纲领性文件。MIL-STD-3024要求PSIP主计划应合成在综合主计划和综合主进度表中。PSIP主计划的目的是定义和采用文件的形式描述在系统研制和验证阶段所需要的特定知识。该计划对推进系统设计、研制、鉴定和跟踪综合所有需要的PSIP任务和描述按时间阶段排列的进度表。

2.2 结构

结构设计是发动机实现其功能的载体，标准中提出结构专业涉及所有发动机旋转件和静止件的机械设计，重点是在包括气动、热力、压力、离心、陀螺、机动和声学输入的各种载荷和任务用法下，确保推进系统的耐久性和坚固性。结构设计应使发动机具备承受各种潜在破坏条件的能力，例如超转、超温、包容性与叶片飞出、不平衡负载、喘振/失速事件，制造或加工的材料缺陷，包括所有这些项目中的的随机情况。结构专业贯穿于从设计、研制、合格鉴定、生产，尤其是外场寿命管理的发动机寿命循环的所有阶段，研制任务见表1。

表1 结构任务清单

续表1（完）

2.3 性能和操纵性

对于推进系统来说，性能和可操作性是涡轮发动机向作战飞机提供的最终结果。在标准中对于性能的定义为：为给定燃油流量、寿命、重量、发动机尺寸及成本提供的推力或轴功率。可操作性的定义为：持续且可靠的起动、平稳和灵敏的加速及减速、给定功率状态下稳定的推力以及无失速、熄火和燃烧不稳定，具体研制任务见表2。

表2 性能和可操纵性任务清单

2.4 控制和子系统

控制系统包括用于保持整个推进系统的安全和可靠操作的部件和系统，大部分装置位于发动机的外部表面。根据应用，控制系统可分为模拟电子、数字电子和机械液压（并包含冗余备份）等几种类型。通过应用适当的控制规律，可将飞行员指令转换成发动机指令并最终改变推力。推进系统通常有5个主要控制回路：空气管理、燃油管理、喷口位置、转速和飞机飞行控制输入。

子系统则包括将控制指令转变为发动机硬件物理响应的所有部件和系统。这些响应通过类似作动器或计量活门的机械液压装置实现。子系统主要包括燃油、点火、电气、可变几何、热管理、液压/燃油液压、润滑/回油、机械（齿轮箱、轴承等）、传感器、防冰/除冰、管道/支架以及健康管理等，具体研制任务见表3。

表3 控制和子系统任务清单

续表3（完）

3 结束语

国外通过制定和贯彻相关完整性大纲，在航空发动机性能、功能、耐久性、安全性和可靠性等综合指标之间达到了较好的平衡，有效地控制了第四代发动机研制的技术风险，确保了研制进度，保证了研制质量。我国应结合国内发动机研制实际情况和技术水平，对MIL-STD-3024《推进系统完整性大纲》的技术内容与管理要求进行深入研究，而后依托这种先期研究与分析，通过MIL-STD-3024《推进系统完整性大纲》技术内容的消化吸收，形成相应的我国军用标准，指导和规范我国航空发动机型号的研制。

（编辑：雨晴）

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C

1003–6660（2014）04–0049 –04

10.13237/j.cnki.asq.2014.04.013

2014-03-26