美国海军飞机发动机异物损伤研究

邢维升，赵　满（ .海军驻46厂军事代表室，辽宁 大连 6005 .中国船舶重工集团公司 第七一四研究所，北京 000）

美国海军飞机发动机异物损伤研究

邢维升1，赵满2
（ 1.海军驻426厂军事代表室，辽宁 大连 116005 2.中国船舶重工集团公司 第七一四研究所，北京 100012）

异物损伤是飞机发动机受损的重要原因，备受美国海军重视。发动机异物损伤原因的准确判别具有难度，经常需要有经验人员根据损伤结果进行推测。异物存在、吸入条件和作业环境是影响发动机异物损伤的三方面因素。改进飞机设计、开展异物排查可减少异物损伤的发生。

异物损伤；飞机发动机；作业环境；异物排查

0　引 言

异物损伤是飞机发动机受损的重要原因，历来备受美国海军重视。海军飞机的发动机提前拆修，绝大多数时候都是由异物损伤造成的。异物损伤导致发动机修理耗费大量维修工时，给相关单位带来了许多计划外工作，造成备用发动机短缺，而且消耗大量备品备件，还使得发动机更换或维修费用剧增，从而给舰队后勤保障带来难以接受的不利影响。

要控制飞机发动机的异物损伤，需要清楚理解导致发动机异物损伤的影响因素，包括外来异物种类、吸入条件和作业环境，在此基础上采取飞机设计改进措施或加大异物排查力度。

1　发动机异物损伤原因判别

判别异物损伤原因的方法是仔细察看被吸入发动机的异物物质残渣，并将发动机的受损特征与典型异物损伤特征进行比较，如能匹配则可进行判别。砾石、混凝土和防滑涂料的小碎块有时会附着在转子或定子的叶片上，但因高速气流的原因发动机很少能将造成其损伤的物质留在其上，这意味着异物损伤的原因往往要根据发动机的受损特征推测，需要有经验的人员才能判别，且具有较大难度和不确定性。

从掌握受损特征，到可信地推测出引起异物损伤的原因，中间要做很多工作。虽然从裂隙、凹痕等受损特征能够判别吸入发动机的异物类型，但却无法获知异物是在什么时间、什么地方被吸入发动机的。

众多事实表明，飞机发动机在受到异物损伤后，性能未必很快有明显变化。例如美海军某飞行中队在检查飞机时，曾发现飞机发动机的第12 级压缩机叶片丢失，但发动机仍能运转正常。此外，研究也证实常造成发动机损伤的异物在进入发动机后，不一定每次都会造成损伤。

通常，只有飞机发动机的操作特性显现出与异物损伤相符的特征时，才会开展异物损伤调查分析，如压缩机停转、不能满功率运行或尾焰溢出尾喷管等情况。此时常常已无法辨别发动机的异物损伤究竟是在何时发生的，因为发动机损伤可能在上次飞行或数小时之前就发生了，但调查或维修人员可能会将异物损伤归因至发现操作特性出问题前的最后一次飞行中。

2　发动机异物损伤影响因素分析

2.1异物类型

表1和表2为美国海军 1979年 6 月至 1980年 12月这一年半期间对海军飞机发动机异物损伤的部分统计数据。数据主要采集自美国海军 3 M 航空发动机拆除/异物损伤报告，以及其他多份报告。之所以选取这段时期的数据，是因为这段时期能够获得的异物损伤数据相对完整。

表1　美海军飞机发动机异物损伤统计（按损伤类型分）Tab.1 Statistics of the US Navy aircraft engine due to FOD（according to the type of damage）

表2　美海军飞机发动机异物损伤统计（按飞机类型和损伤地点分）Tab.2 Statistics of the US Navy aircraft engine due to FOD（according to the location of damage）

表1显示，美国海军飞机发动机异物损伤的异物源多种多样，主要分为未知异物源、飞机/其他零部件、金属物体、防滑涂料、内部材料失效、砂砾/沙石/混凝土、工具、撞鸟、安全销、紧固件、冰屑，其他等。其中未知异物源的占比最高，体现出异物损伤判别的难度。

2.2吸入条件

异物只有被吸入发动机，才可能造成发动机的异物损伤。被吸入发动机的异物一般都位于飞机发动机进气口前方不远处。造成损伤的异物可能被风或其他飞机的喷气吹起。异物与飞机发动机进气口的安全距离取决于异物的大小和形状、发动机质量流动速率、异物是静止还是处于运动状态、发动机进气口位置（特别是进气口距离地面的高度）等因素。

美国海军的试验结果表明，发动机气流速率越大，则越容易发生异物吸入；运动物体比静止物体更容易被发动机吸入；如果异物形状类似机翼，则在异物上容易产生压力差，使得这种特殊形状的异物被发动机吸入的可能性增大。

在与飞机设计相关的影响因素中，飞机发动机进气口位置是异物损伤的影响因素之一。与其他海军飞机相比，A-7 飞机的发动机进气口距离地面更近，而异物损伤统计结果表明，A-7 飞机发动机发生异物损伤的概率大于那些进气口距离地面较远的飞机。A-7飞机异物损伤统计中有 52％的事故是由防滑涂料、防滑涂料表面处理用的钢丸、或砾石/岩石引起的。有研究显示，某艘航母飞行甲板表面处理后钢丸导致的飞机发动机异物损伤事故有 14 起，其中 13 起发生在 A-7上，该航母搭载的舰载机是航空联队的标准配置，但异物损伤几乎全部发生在 A-7 上。虽然这并不能证明飞机发动机进气口的高度与异物损伤的直接关系，但至少表明二者存在显著的相关性。

另一项与飞机设计相关的影响因素，是可拆卸的硬件和紧固件与飞机发动机进气口的相对位置。位于飞机发动机进气口前方的硬件和紧固件，比位于后方的部件导致异物损伤的概率更大。在各种硬件和紧固件造成的206 起异物损伤事故中，只有 3 起发生在 A-7飞机上，这是因为 A-7 飞机发动机进气口前方没有什么零部件。如果在飞机设计上不能避免进气口前方的可拆卸零部件，可通过加强固定或密封，来减少进气口前方零部件脱落带来的异物损伤问题。

2.3作业环境

除了存在各种异物和可使异物被吸入飞机发动机的上述影响因素外，飞机所处的作业环境也是影响异物损伤的重要因素。海军飞机常年位于陆上和舰上 2种截然不同的作业环境，清楚这 2 种环境在异物损伤方面的特点，对异物损伤防控十分必要。

在陆基海航站，对各种异物彻底清理是非常困难的，有时简直无法做到。海航站场地辽阔，各种异物碎片源源不断产生。风可以将广阔场地上的各类异物碎片刮到机场。一场异物排查刚刚完成，变换的风向可能又将场地其他地方的碎片吹到机场，给刚清理完毕的跑道带来其他潜在的异物威胁。

在航母上，空间带来的问题与陆地机场正相反。在相对狭小的飞行甲板上排列着各类舰载机，有时飞机排布很密集，没有留下足够的空间正常开展异物损伤步行排查。航母飞行甲板上还布满系留飞机用的系留穴，这些系留穴为异物碎片的存留提供了最佳场所。进行飞行作业时，航母营造的甲板风有利于飞机的起飞和降落，却给飞机发动机吸入异物也创造了便利条件。航行补给作业会在甲板上留下大量需要清理的异物碎片。由于飞机的出动回收间隔短，飞机维修和补给通常在飞行甲板上就地开展，各种繁忙作业中容易产生异物。飞机在航母上着舰或完成接舰复飞时，触舰瞬间飞机受到的作用力可能造成机上某些零部件松动脱落，成为后续飞机的潜在异物源。

3　减少发动机异物损伤的设计和操作考虑

3.1飞机发动机设计对异物损伤的考虑

飞机发动机在设计时，应考虑飞行甲板异物对其造成的影响，并相应采取一定的措施，如抬高进气口的高度，优化进气口形状的设计。

现代战机发动机通常采用涡扇喷气式发动机，如F/A-18（见图1）。对于颗粒较小，硬度相对较低，质量较轻的异物，当进入发动机进气道时，发动机内风扇产生的离心力会把这些异物吹到外涵道，从而离开发动机；但对于颗粒较大，硬度比飞机发动机叶片高的金属异物，会打坏发动机的风扇，如果这些异物不能燃烧，并进一步进入发动机的内涵道，会对发动机造成严重损伤。

图1　涡扇喷气式发动机原理图Fig.1　Principle diagram of turbofan engine

为防止异物损伤，美军为部分飞机发动机装配了防异物吸入装置，如进气口颗粒分离器等，并要求该装置可以拆卸。

3.2修订军标和改进防滑涂料性能

飞行甲板防滑涂料作为引起飞行发动机异物损伤的重要因素之一，美国海军在这方面开展了许多工作，以降低此类事故的发生。

1）发布新的涂料军用标准

对于航母飞行甲板防滑涂料，最初美军只是简单地往湿料（wet paint）中加入防滑粒料（如沙子），当涂料干燥后，防滑粒料的附着力很差，而且这种涂料的耐久性也很有问题。为此，美军开始着手制定防滑涂料的军用标准。

2008年，美军发布了新的防滑涂层军标，适用于航母和具备载机能力的两栖舰。根据防滑涂层的使用性能（包括耐久性、抵抗高温、低温的性能）和施工方式（包括辊涂、喷涂等），该军标把防滑涂层分为11 类见（表3）。现役航母上用的较多的是Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅴ型，施工方式为辊涂，涂层表面具有高低纹理，能够增大摩擦力。

有些类涂料又可分为 G 型和 L 型两型（表4），其中 G 型为通用涂料，适用于一般甲板区域，包括飞行甲板的舰载机起飞区；L 型为飞行甲板着舰区专用涂料，一般只用于飞行甲板着舰区域，该型涂料对阻拦索和滑轮组索的磨损较小，可以延长索的使用寿命，同时还具有防滑耐磨的特性。L 型和 G 型涂料的主要区别之一在于涂料中的防滑粒料种类不同，L 型涂料多采用铝金属颗粒作为防滑粒料，其硬度较低，能够减少对阻拦索和滑轮组索的磨损；而 G 型涂料主要采用氧化铝、氧化硅、碳化硅、氮化硼等高硬度化合物作为防滑粒料，使得涂层非常耐磨。

表3　美国海军防滑涂层分类Tab.3 Classification of US naval non-skid coating

表4　同一类防滑涂料中又可分为通用型 G和专用型 LTab.4 US naval non-skid coating G/L

2）研制多种航母飞行甲板涂料产品

美国现役航母飞行甲板上的涂料产品以美国安全技术公司（AST）生产的MS 系列产品和国际油漆公司（IP）生产的Intershield 系列产品为主（见表5）。

表5　飞行甲板涂料典型产品Tab.5 Typical US naval non-skid coatings

3.3飞行甲板异物清理

为了减少航母飞行甲板异物对飞机造成的异物损伤，美军采取了以下措施：

1）指定专门人员监管飞行甲板防滑涂层的状态

美军航母专门指定飞行甲板军官（FDO）来监视飞行甲板防滑涂层的状态，并决定是否需要修复。该军官的全部职责是负责飞行甲板安全准时作业、飞行甲板作业人员训练、舰载机调度设备准备、飞行甲板全面维护及设备状态监控。

图2　美国“肯尼迪”号航母进行的异物排查作业Fig.2　FOD investigation on USN CV-67

2）安排飞行甲板异物排查作业

美军航母在飞行作业期之前，以及飞行作业期中按照航空军官的要求，执行飞行甲板异物排查作业。1997年美军航母进行了4d，每天 24h的高强度演习，验证在一定时间内航母所能出动的最大架次，在这 4d中，前3d 每天进行 4次异物排查，平均每 6h 一次；第4d 进行了7次异物排查，平均每 3.4h 一次。

图3　美国航母人员清洁飞行甲板Fig.3　U.S.aircraft carrier personnel pushing the brush to clean flight deck

图4　移动式清洁回收与循环车Fig.4　Mobile cleaning recovery and recycling vehicle

3）安排飞行甲板擦洗作业

除了在飞行作业期安排异物排查外，美军航母还至少每 10d 擦洗一次飞行甲板。目前美军现役航母采用人工推动刷子的方式完成清洁作业。但美军正在开发一种移动式清洁回收与循环车（MCRRS），以辅助完成飞行甲板的清洁工作。该车采用了高压水和真空吸附技术，不需要清洁剂，能够减少对防滑涂层的磨损。

3　结 语

异物损伤是飞机发动机受损的重要原因，美国海军采取的防范措施可以参考借鉴。

［1］TONY G，STEVEN P，DOLLY P，et al.Steve grace and capt keith shaneman，prevention effectiveness foreign object debris study （PrE-FOD）［R］.February 1998.

［2］EDWARD H，KRYSTYNA E，Foreign Object Damage Mishap Analysis［R］.Commander Naval Air Forces，2010.

［3］CNATRA INSTRUCTION 13700.2M.

［4］Felice Anthony Procaccio，Effectiveness of fod Control Measures［R］.October 2008.

［5］Amy Lockwood，Evaluation of Corrosion and Wear of Non-Skid Deck Surfaces in Marine Environments［R］.April 2010.

［6］National Aerospace fod Prevention［J］.INC 1-800-FOD-1121，REV.E July 2000.

［7］MILLS，JACK “B”.Foreign object damage in Naval aircraft engines［R］.1981.

Research on FOD of US naval aircraft engine

XING Wei-sheng1，ZHAO Man2
（ 1.The Navy Military Representative Office in 426 Shipyard，Dalian 116005，China 2.The 714 Research Institute of CSIC，Beijing 100012，China）

Foreign object damage （FOD）is the critical cause for the failure of naval aircraft engines.It is difficult to validate the exact causes for FOD，therefore experts sometimes deduce the causes by examining the FOD characteristics.Foreign object，ingestion process and operating environment are key factors which influence the FOD of aircraft engines.The FOD can be decreased by Improving the aircraft design or cleaning the foreign debris timely.

foreign object damage （FOD）；aircraft engine；operational environment；FOD Walkdown

V236.6

A

1672-7619（2016）07-0153-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.07.034

2016-05-17

邢维升（1977-），男，工程师，研究方向为舰船总体性能和结构。